淺埋深易自燃煤層下分層放頂煤工作面防滅火技術(shù)

高登彥

(神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木 719315)

淺埋深易自燃煤層下分層放頂煤工作面防滅火技術(shù)

高登彥

(神華神東煤炭集團(tuán)大柳塔煤礦，陜西 神木719315)

針對活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)下分層回采存在漏風(fēng)通道多、漏風(fēng)嚴(yán)重、采空區(qū)浮煤存在自然發(fā)火等情況，為了防止活雞兔井復(fù)合區(qū)上分層采空區(qū)和下分層放頂煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火，通過對采空區(qū)提前預(yù)注漿、注氮、注水、井上下內(nèi)外堵漏、通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用等綜合措施，并通過在下分層首采面進(jìn)行應(yīng)用，滿足了安全回采的需要，有效防止了采空區(qū)自然發(fā)火，保證下分層安全回采。

防滅火；高位鉆孔；注漿；地面鉆孔；復(fù)合區(qū)

神東礦區(qū)活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)煤層厚度約10 m，埋深小于100 m，自然發(fā)火期30 d，其上分層于2006年6月份已回采完畢，上分層綜采回采時(shí)底板局部下凹或頂煤局部留設(shè)過厚，且回采時(shí)未采取鋪網(wǎng)等人工制造假頂措施，對下分層安全開采造成很大影響。近幾年開始回采下分層，受礦井正壓通風(fēng)，受巷道掘進(jìn)探放鉆孔、支護(hù)孔、圍巖裂隙等漏風(fēng)通道多、漏風(fēng)嚴(yán)重，同時(shí)隨著下分層工作面推進(jìn)，“兩道兩線”浮煤隨之也增加，復(fù)合采空區(qū)浮煤自然氧化可能性增加，采空區(qū)自然發(fā)火的可能性也增大，采空區(qū)煤炭自燃的危險(xiǎn)性突出。

學(xué)者對放頂煤工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)，分層開采工作面防滅火技術(shù)做了大量研究，取得了一系列成功[1-4]，“降壓”防滅火技術(shù)、“快采”防滅火技術(shù)、“以砂”防滅火技術(shù)在神東礦區(qū)得到了普遍應(yīng)用[5-8]，單一的防滅火技術(shù)已經(jīng)不適用活雞兔井復(fù)合區(qū)煤層安全開采要求。怎么預(yù)防、如何預(yù)防復(fù)合區(qū)上分層采空區(qū)煤炭自燃和下分層放頂煤采空區(qū)遺煤自燃是關(guān)鍵。淺埋深易自燃煤層下分層放頂煤工作面防滅火已成為復(fù)合區(qū)安全開采的一個(gè)顯著難題，研究大柳塔煤礦活雞兔井復(fù)合區(qū)下煤層綜采放頂煤工作面采空自燃具有重要意義。

1 復(fù)合區(qū)概況

大柳塔煤礦活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)2盤區(qū)煤層平均厚度約10 m，為近水平煤層，采區(qū)內(nèi)沙層厚度在0～5 m,一般為5 m；基巖厚度在20～100 m，一般為70～80 m，埋藏深度小于100 m。12煤層屬I類易自燃煤層，自然發(fā)火期為30d。

2001年至2006年6月對該盤區(qū)上分層進(jìn)行了綜采回采，共布置9個(gè)面，采高為3.5～4.0 m。2013年4月開始掘進(jìn)12下202回風(fēng)順槽，于2015年5月份12下202工作面圈出，12下202綜放試驗(yàn)工作面于2016年1月份安全回采完畢，2016年10月12下204綜放工作面、206綜放工作面、208綜放工作面全部圈出，12下204綜放工作面計(jì)劃5月份試生產(chǎn)。

2 自然發(fā)火隱患分析

2.1 上分層采空區(qū)

1) 復(fù)合區(qū)12煤，12上202工作面、204工作面、206工作面、208工作面、201工作面、203工作面、205工作面、207工作面、209工作面于2006年6月份已回采完畢，采空區(qū)積水量大，外在水分會促進(jìn)煤體破碎，體積增大，粒徑變小，孔隙率增加，導(dǎo)致吸氧量增加，自燃傾向性隨之增強(qiáng)。

2) 下分層回采前需對上分層采空區(qū)泄放水，水氣置換后加大了上分層采空區(qū)遺煤自燃的危險(xiǎn)性。

3) 上下分層巷道采用外錯(cuò)式布置，如圖1所示，兩順槽全部布置在上分層兩順槽煤柱下方，下分層兩順槽距采空區(qū)較近，受礦壓的影響上分層煤柱片幫較嚴(yán)重，裂隙較發(fā)育，導(dǎo)致下分層兩順槽錨桿和錨索周圍漏風(fēng)嚴(yán)重。同時(shí)下分層順槽過上覆采空區(qū)聯(lián)巷，層間距只有0.8～3 m，頂板裂隙、錨桿、錨索周圍漏風(fēng)嚴(yán)重。

4) 掘進(jìn)期間探放水及回采期間泄放水鉆孔，增加了漏風(fēng)通道和漏風(fēng)可能性。

圖1 工作面順槽布置圖

2.2 下分層綜放工作面

1) 上分層綜采工作面回采后，復(fù)合采空區(qū)內(nèi)存在一個(gè)松散煤帶，放頂煤開采后，上分層煤柱垮落，形成上分層順槽副幫與下分層順槽副幫3.5～4 m寬、10 m厚的松散煤帶。

2) 活雞兔井采用壓入式通風(fēng)，采空區(qū)漏風(fēng)管理難度大，工作面漏風(fēng)嚴(yán)重，12下202綜放面在回采過程中最大漏風(fēng)量為170 m3/min，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度較高，一般在19%左右。

3) 下分層未回采前、探放水前上分層采空區(qū)內(nèi)外壓差較均衡，地表無漏風(fēng)通道，漏風(fēng)較小，隨著下分層回采，破壞了原有的流場，加上淺地表埋藏，裂隙發(fā)育條件好，漏風(fēng)通道較多，采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度大，為浮煤氧化自燃提供了充足的氧氣。

4) 下分層回采后，上下分層形成復(fù)合采空區(qū)，采空區(qū)蓄熱條件好，加之頂板垮落不嚴(yán)、通風(fēng)不是特別通暢、采空區(qū)內(nèi)流場紊亂，浮煤氧化產(chǎn)生的熱量無法及時(shí)散失，致使熱量逐步聚集。

5) 由于回風(fēng)斜井?dāng)嗝嫘?，回風(fēng)路線阻力較大，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重。

6) 綜放工作面推進(jìn)速度慢，加之采空區(qū)浮煤比較破碎，大大降低了浮煤自然發(fā)火周期，可能造成采空區(qū)內(nèi)松散煤帶自然發(fā)火。

7) 上分層采空區(qū)面積大、遺煤分布范圍廣，且位置不明確，由于正壓通風(fēng)，難以準(zhǔn)確判定火源點(diǎn)位置。

8) 加之兩端頭放煤不到位，導(dǎo)致采空區(qū)“兩道兩線”浮煤大量堆積。

3 預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火安全措施

為了有效地預(yù)防復(fù)合區(qū)采空區(qū)自然發(fā)火，對采空區(qū)采取了一系列措施，首先對采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測監(jiān)控，同時(shí)對采空區(qū)進(jìn)行注氮，巷道在掘進(jìn)期間對裂隙區(qū)域進(jìn)行堵漏，工作面回采過程中對井上下內(nèi)外堵漏，同時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，降低風(fēng)壓，對采空區(qū)進(jìn)行注漿；為了達(dá)到更好的效果，對已掘工作面上采空區(qū)進(jìn)行預(yù)注漿(地面打鉆注漿、井下注漿站注漿)、注水，隔絕采空區(qū)浮煤，形成隔離帶。

3.1 安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)

1) 按照“一通三防”標(biāo)準(zhǔn)在綜放工作面安設(shè)CO、O2、CH4、煙霧和溫度傳感器。

2) 每天派專人利用紅外線測溫儀測量采空區(qū)密閉溫度和上分層聯(lián)巷溫度。

3) 利用正壓采氣泵和負(fù)壓采樣裝置通過高位鉆孔、采空區(qū)密閉觀測孔、探放水鉆孔人工采氣取樣，通過色譜儀進(jìn)行化驗(yàn)分析。根據(jù)不同區(qū)域，每3天一個(gè)周期。

4) 在工作面采空區(qū)至少布置3個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，相鄰監(jiān)測點(diǎn)間隔50 m，沿工作面回風(fēng)順槽底板靠外幫向采空區(qū)預(yù)埋3芯束管，外套2寸的無縫鋼管保護(hù)，利用沙袋壓實(shí)鋼管，每芯束管和束管系統(tǒng)對接，便于地面束管采氣泵采氣。隨著工作面的推進(jìn)，1#束管、2#束管、3#束管采樣器依次進(jìn)入采空區(qū)，在工作面推過3#點(diǎn)約50 m時(shí)，把1#點(diǎn)截開，重新布點(diǎn)，依次循環(huán)，直至整個(gè)工作面回采結(jié)束。每天采氣，化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)。

5) 在12下208運(yùn)順2聯(lián)巷安裝一臺紅外線束管監(jiān)測分站，在12下206回順、12下208運(yùn)順、12下208回順各鋪兩趟束管，束管鋪至工作面中部位置，和上分層探放水孔或高位鉆孔鏈接，利用分站便于監(jiān)測上分層采空區(qū)氣體。

3.2 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)，降低風(fēng)壓。

1) 通過調(diào)整主扇葉片角度，礦井總進(jìn)風(fēng)量由22 987 m3/min降至19 091 m3/min，正壓由1 300 Pa降至900 Pa，大幅降低進(jìn)風(fēng)巷道風(fēng)壓，減少采空區(qū)、巷道漏風(fēng)。

2) 在滿足工作面最低風(fēng)速、有害氣體濃度、環(huán)境溫度等條件的基礎(chǔ)上，應(yīng)當(dāng)盡量降低工作面的配風(fēng)量，巷道、工作面配風(fēng)量越大，上下端頭的壓差也就越大，使得漏入采空區(qū)的風(fēng)量加大，增加采空區(qū)的防火壓力[9]。工作面配風(fēng)按照《煤礦安全規(guī)程》和《神東公司“一通三防”實(shí)施細(xì)則》執(zhí)行，按照最低標(biāo)準(zhǔn)能滿足生產(chǎn)需求即可。

3) 控制工作面進(jìn)風(fēng)，降低進(jìn)風(fēng)風(fēng)壓?；仫L(fēng)線路上不得有控風(fēng)設(shè)施，在順槽直巷口施工行車風(fēng)門，在聯(lián)巷口施工控制進(jìn)風(fēng)密閉，根據(jù)工作面、順槽需求調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)風(fēng)量，測風(fēng)員每天檢查維護(hù)控風(fēng)設(shè)施，同時(shí)測定工作面靜壓及漏風(fēng)量。

4) 針對回風(fēng)斜井?dāng)嗝嫘?、阻力大情況，在四號變電所回風(fēng)措施巷施工一條連接12煤集中回風(fēng)巷的回風(fēng)通道，使12315工作面污風(fēng)和22煤南翼三盤區(qū)污風(fēng)通過12煤回風(fēng)通道分流部分回至12煤集中回風(fēng)巷，然后通過回風(fēng)立井回至地面，這樣這樣大大降低了回風(fēng)斜井風(fēng)阻，同時(shí)也降低了工作面壓力，減少了采空區(qū)漏風(fēng)。

3.3 注氮防滅火

1) 利用DM-1000型制氮機(jī)向12煤上分層采空區(qū)注氮。12煤下分層工作面進(jìn)行回采前，對12煤上分層采空區(qū)進(jìn)行疏放水后，為防止疏放水期間大量水氣置換造成向采空區(qū)持續(xù)供氧使得遺煤氧化自燃，利用12煤下分層工作面順槽的探放水鉆孔或施工鉆孔向12煤上分層采空區(qū)實(shí)施預(yù)防性注氮措施。上分層累計(jì)注氮1 096 450 m3。

2) 利用DM-1000型制氮機(jī)向12煤下分層復(fù)合采空區(qū)注氮。工作面正常生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)12煤上分層采空區(qū)O2濃度大于7%或者CO呈上升趨勢時(shí)。利用12煤下分層工作面聯(lián)巷密閉措施孔向復(fù)合采空區(qū)進(jìn)行注氮。

3.4 井上下內(nèi)外堵漏

1) 每天派人進(jìn)行地表巡查，有裂隙時(shí)，及時(shí)安排專人進(jìn)行地表回填。

2) 工作面進(jìn)回風(fēng)隅角設(shè)置擋風(fēng)簾和導(dǎo)風(fēng)簾，在支架尾梁處砌沙袋墻，墻寬3 m，高2 m，厚1 m，確保三角區(qū)垮落后能切斷進(jìn)風(fēng)通道。

3) 為了防止向采空區(qū)漏風(fēng)，對12煤復(fù)合區(qū)南翼工作面順槽實(shí)施噴漿，噴漿區(qū)域主要是過上分層聯(lián)巷的架棚區(qū)域。

4) 對探放水孔、探層間距孔進(jìn)行編號管理，定期對復(fù)合區(qū)所有工作面順槽內(nèi)施工的探層間距鉆孔和探放水鉆孔進(jìn)行檢查，若發(fā)現(xiàn)未封鉆孔要及時(shí)進(jìn)行封閉，確保封閉嚴(yán)實(shí)。

5) 復(fù)合區(qū)施工的探放水鉆孔，如果水量、水壓較大時(shí)可適當(dāng)進(jìn)行放水，如果水量不大時(shí)，關(guān)閉閥門，暫不放水，在綜采工作面回采至此處前定時(shí)進(jìn)行放水。同時(shí)每個(gè)流水的探放水鉆孔必須上好閥門和U形彎頭，無水的鉆孔必須封堵嚴(yán)實(shí)。

6) 加強(qiáng)密閉施工質(zhì)量管理，磚墻砂漿必須飽滿，抹面及噴漿厚度必須達(dá)到要求，混凝土密閉施工時(shí)振動(dòng)棒必須振動(dòng)充分，保證砼墻振動(dòng)到位，強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，砼強(qiáng)度必須嚴(yán)格執(zhí)行配合比標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 注漿防滅火

預(yù)防性注漿能有效封堵漏風(fēng)通道、隔絕氧氣與遺煤的接觸、惰化遺煤，且時(shí)效較長，有效地減小上覆采空區(qū)對本煤層正?；夭傻挠绊?，有助于下層煤的安全開采。

3.5.1 地面注漿站注漿

在活雞兔進(jìn)風(fēng)立井工業(yè)廣場安裝了MDZ-60/120地面注漿防滅火系統(tǒng)，制漿能力可達(dá)60～120 m3/h，采用含砂黃土作為主料，土水比為1∶3，復(fù)合區(qū)距離較近，能滿足漿液灌輸要求。

如圖2所示，通過活雞兔井注漿站制備漿液經(jīng)注漿鉆孔送至12煤復(fù)合區(qū)輸料硐室注漿管路，經(jīng)輸料硐室回風(fēng)巷進(jìn)入12煤南輔運(yùn)巷，然后接入各順槽。

工作面回采時(shí)，及時(shí)封閉聯(lián)巷，每隔三個(gè)聯(lián)巷布置一組觀測孔和措施孔，便于人工采氣、注漿和注氮。

利用聯(lián)巷密閉措施孔注漿，漿液流動(dòng)范圍小，不能完全包裹住“兩道兩線”浮煤，效果差；在下分層順槽副幫施工高位鉆孔，如圖3所示，采用MYZ-150型全液壓坑道鉆機(jī)施工高位鉆孔,鉆頭采用Φ85 mm合金鋼鉆頭,成孔直徑Φ=90 mm，鉆孔加1.5 m套管，套管安設(shè)閥門，鉆孔開口位置距順槽副幫底板2.2 m，鉆孔仰角20°，鉆孔深22.9 m，可以用來人工采氣樣、注漿和注水。

下分層回采前利用高位鉆孔對上分層采空區(qū)預(yù)注漿，確保下分層回采時(shí)上分層無著火隱患。

圖2 注漿系統(tǒng)流程圖

圖3 鉆孔剖面圖

3.5.2 地面施工鉆孔注漿

上分層采空區(qū)面積較大，采空區(qū)一旦出現(xiàn)異常很難判斷，很難控制，很難發(fā)現(xiàn)，利用地面注漿站注漿，速度較慢，不能滿足生產(chǎn)需求。需要在上分層順槽每隔500 m施工一個(gè)地面鉆孔，通過鉆孔注漿，封閉漏風(fēng)通道。采用氣動(dòng)潛孔錘施工鉆孔，以350 mm孔徑施工至正?；鶐r內(nèi)2 m，確定正?；鶐r頂板深度后，下入 273 mm護(hù)管，然后以215 mm孔徑施工至 上分層煤層底板，必須保證與采空區(qū)冒落帶貫通，并且套管下口位置位于上分層煤層底板以上5～8 m處，同時(shí)位于貫通點(diǎn)以上2 m處，鉆孔內(nèi)下 159 mm套管，最后孔口處安裝閘閥控制關(guān)閉。

3.5.3 上分層采空區(qū)注水

根據(jù)上分層巷道剖面圖，利用高位鉆孔在巷道低洼點(diǎn)進(jìn)行注水形成隔離帶。

4 應(yīng)用效果分析

從圖4和圖5可以看出，在未采取措施前，采空區(qū)O2濃度一直居高不下，并且有上升的趨勢，通過采取一系列措施后,O2濃度降至5%以下，未出現(xiàn)發(fā)火標(biāo)志性氣體，主要原因是封堵了采空區(qū)的漏風(fēng)通道，實(shí)現(xiàn)了氮?dú)夂脱鯕獾慕粨Q，隔絕了兩道兩線的浮煤，達(dá)到了預(yù)防采空區(qū)著火的目的。

圖4 12下202采空區(qū)O2濃度變化曲線圖

圖5 12上206采空區(qū)O2濃度變化曲線圖

5 結(jié) 論

針對活雞兔井12煤復(fù)合區(qū)存在漏風(fēng)影響因素復(fù)雜、采空區(qū)浮煤自然氧化可能性大等采空區(qū)防滅火的不利條件，采取了對采空區(qū)提前預(yù)注漿、 注氮、注水、井上下內(nèi)外堵漏和監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用等綜合防滅火措施，通過在下分層首采面12下202綜采面、12上采空區(qū)應(yīng)用，采空區(qū)O2濃度降至5%以下，未出現(xiàn)發(fā)火標(biāo)志性氣體，取得了良好的效果，滿足了淺埋深易自燃煤層下分層綜放工作面復(fù)雜條件下采空區(qū)防滅火的需求，保證了下分層的安全回采，為類似條件下的采空區(qū)防滅火提供了經(jīng)驗(yàn)借鑒。

[1] 曹鏡清，鄔劍明，周春山，等.低位放頂煤采空區(qū)自燃區(qū)域劃分與注氮口位置確定[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2017，45(2):89-94.

[2] 李金貴．近距殘煤復(fù)采巷道布置及自然發(fā)火防治技術(shù)[J]．煤炭工程，2015，47(7):72-74，77．

[3] 高宗飛，狄存緒．多重隔氧與立體降溫綜合防滅火技術(shù)及應(yīng)用研究[J]．煤炭工程，2015，47(5):73-75．

[4] 張頤純．綜采放頂煤工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)研究[D]．太原：太原理工大學(xué)，2016．

[5] 尤文順．神東現(xiàn)代化礦井安全工作現(xiàn)狀及對策[J]．煤礦安全，2005，36(1)：51-53．

[6] 王金力.神東礦區(qū)開采煤層自燃及預(yù)防基礎(chǔ)研究[D]．阜新：遼寧工程技術(shù)大學(xué)，2006．

[7] 尤文順.神華高產(chǎn)高效礦井防滅火關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用[J].神華科技.2009，7(4):3-7.

[8] 王安，尤文順．神東礦區(qū)煤層自然發(fā)火機(jī)理分析及其防治措施[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2002，30(S1)：58-64．

[9] 王德明．礦井通風(fēng)與安全[M]．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2007．

Firepreventionandextinguishingtechnologyoflowerleafsub-levelcavingworkingfacelocatedintheeasilyspontaneouscombustionseamwithsallowdepth

GAO Dengyan

(Daliuta Coal Mine,Shenhua Shendong Coal Group Corporation Limited，Shenmu719315，China)

For the situation that multiple air leakage channels existed in the overlying strata and air leakage in the gob is serious,during the mining process of lower leaf sub-level caving working face,which would cause spontaneous combustion in goaf.Aim to prevent the potential self-heating in gob of upper layer and the working face of lower layer,the comprehensive measures such as pre-grouting,nitrogen injection,water injection,blocking the air leakage channel in underground and surface,ventilation system adjustment,and the application of monitoring and control system,was carried out in the first working face in the lower layer.All these measures could ensure the mining safety and prevent the spontaneous combustion in gob.The mining safety of working face in the lower layer was guaranteed.

fire prevention;high level boreholes;grouting;surface drilling;composite area

TD752.2

A

1004-4051(2017)12-0184-04

2017-06-10責(zé)任編輯宋菲

高登彥(1982-)，男，陜西神木人，高級工程師，現(xiàn)任大柳塔煤礦掘錨三隊(duì)隊(duì)長，從事煤炭技術(shù)管理工作，E-mail:gaodengyan2002@163.com。