綜合防滅火技術(shù)在易自燃厚煤層分層巷道高冒點(diǎn)的實(shí)踐和探討

趙志強(qiáng)

摘 要：基于孟巴礦開采煤層屬Ⅰ類容易自燃煤層，需要采取多種防滅火方法之實(shí)際。我們對(duì)1203面高冒氧化區(qū)及上分層采空區(qū)運(yùn)用了注水降溫、加濕、注氮惰化、均壓、本煤層堵漏等多種技術(shù)手段，成功地通過高冒區(qū)，多回收煤炭資源5萬噸。

關(guān)鍵詞：易自燃煤層；防滅火方法；通過高溫區(qū)

中圖分類號(hào)：TD753 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）04-0176-03

1 概述

1203工作面是巴拉普庫利亞煤礦（以下簡(jiǎn)稱孟巴礦）南翼采區(qū)的第一個(gè)二分層綜采工作面，位于1103工作面下方。走向長度811m，傾斜長114.1～115.8m，傾角5.6～19.0°，厚度為29.40～41.00m，巷道均布置在煤層中，采取府采方法和綜采工藝。煤質(zhì)堅(jiān)硬，裂隙發(fā)育，距一分層底板3.3～6.5m，平均4.9m，其上分層1103工作面平均采高2.95m。煤層自然發(fā)火期為0～3個(gè)月，屬Ⅰ類易自燃煤層，工作面涌水量達(dá)400m3/h，初始煤溫高（40～44℃），1103采空區(qū)流出的水溫為37℃，工作面采空區(qū)流出的水溫達(dá)41℃。該工作面從2012年2月22日開始掘進(jìn)，6月30日貫通，9月10日生產(chǎn)，2013年2月28回采結(jié)束。

如圖1，1203運(yùn)輸?shù)溃ㄏ碌溃┰?012年3月24日早班進(jìn)入下分層155m處，由于煤層裂隙發(fā)育，形成15m破碎帶，頂板淋水大（水量38m3/h），局部出現(xiàn)掉頂，冒頂高度1.5～2m。中班16：00插管監(jiān)測(cè)，插管深度1.8m，編孔1#，孔內(nèi)CO：20PPm，26日19：00孔內(nèi)CO達(dá)：773PPm。

2 冒頂氧化區(qū)域的處理措施及效果

2.1 掘進(jìn)期間的處理措施和效果

2.1.1 監(jiān)測(cè)方案

該處巷道頂板與1103采空區(qū)底板揭發(fā)距離3.5m，巷道與采空區(qū)是連通的，在其前后布置監(jiān)測(cè)孔（措施孔），對(duì)該高冒區(qū)采空區(qū)實(shí)施監(jiān)測(cè)和措施處理。在距1#孔前方11.2m（編孔2#）和后方7.2m（編孔3#）處，分別向一分層采空區(qū)打鉆孔，2#孔深7m，3#孔深9m進(jìn)入上分層采空區(qū)。目的是探查上分層采空區(qū)氣體變化情況并對(duì)上分層采空區(qū)實(shí)施注氮。

2.1.2 監(jiān)測(cè)方式

采取每班監(jiān)測(cè)2次，檢查CO、O2濃度，當(dāng)CO濃度超過100PPm時(shí)，采樣色譜分析。

2.1.3 應(yīng)急措施

（1）分別向1#、2#、3#孔注氮，注氮量為400m3/h。目的是減少向高冒區(qū)的漏水量，并對(duì)采空區(qū)進(jìn)行惰化。（2）向前掘進(jìn)20m，將風(fēng)筒出風(fēng)口離開高冒處，減少正壓漏風(fēng)量。（3）采取單局扇供風(fēng)，將風(fēng)量降到最低，進(jìn)一步減少正壓漏風(fēng)量。

2.1.4 應(yīng)急措施效果

3月26日22：00頂板上分層采空區(qū)鉆探成孔后，經(jīng)探查：2#孔CO：24PPm，CO2：0.7%，O2：16%，CH4：0.2%（3#孔內(nèi)氣體與2#孔一致）。隨后對(duì)2#、3#孔進(jìn)行注氮作業(yè)，注氮后1#孔CO在50PPm波動(dòng)。巷道恢復(fù)正常掘進(jìn)。

2.1.5 恢復(fù)掘進(jìn)后期間的措施及效果

（1）采取套棚的方式治理涌水點(diǎn)漏風(fēng)，將彩條布覆蓋整個(gè)巷道淋水范圍，彩條布下方用金屬網(wǎng)托舉，然后套棚托住金屬網(wǎng)，將頂板淋水集中排放，降低通過大面積涌水裂隙向上分層采空區(qū)的漏風(fēng)。采取該措施后，巷道中部的涌水均流向兩側(cè)，主要流向下側(cè)的水溝，達(dá)到了預(yù)期效果。（2）注水：由于彩條布較滑和淋水大，無法實(shí)施噴漿堵漏和本煤層注漿措施。結(jié)合其漏水量大的因素，通過1#孔對(duì)高冒區(qū)頂煤進(jìn)行濕潤降溫，同時(shí)增大注水量，減少向采空區(qū)的漏風(fēng)通道面積。在掘進(jìn)期間漏水水溫和煤體溫度無變化。（3）注氮：繼續(xù)對(duì)2#、3#孔注氮，增加采空區(qū)的內(nèi)腔正壓力，同時(shí)削減煤體氧化發(fā)展。（4）堵漏：掘進(jìn)期間，在其聯(lián)絡(luò)巷上方的1103下道和1105上道的聯(lián)絡(luò)斜巷中增設(shè)一道密閉墻，同時(shí)向其內(nèi)注氮加壓，實(shí)施均壓，使一分層采空區(qū)與該高冒處不形成漏風(fēng)通道，減少高冒處的漏風(fēng)量。

通過以上措施，掘進(jìn)期間該處高冒點(diǎn)的氣體無較大波動(dòng)，安全地完成了1203面掘進(jìn)任務(wù)。

2.2 回采期間采取的措施及效果

在分層開采中由于工作面留設(shè)的頂煤較薄，在礦山壓力作用下以及一分層部分密閉墻損壞，存在向工作面上方的采空區(qū)供氧的通道，大量堆積的碎煤在長時(shí)間的供氧條件下易低溫蓄熱自燃。因此，控制上分層采空區(qū)煤體自燃與控制工作面采空區(qū)自燃同等重要，對(duì)于1203工作面來說控制好該高冒點(diǎn)的漏風(fēng)量尤其重要。

2.2.1 回采期間漏風(fēng)通道、自燃時(shí)間預(yù)測(cè)和分析

（1）漏風(fēng)通道分析。1203工作面采用上行通風(fēng)，從1203運(yùn)輸巷（下道）進(jìn)風(fēng)、1203軌道巷（上巷）回風(fēng)，根據(jù)工作面與周邊巷道、一分層采空區(qū)的關(guān)系，在不同的回采時(shí)間段與該高冒點(diǎn)有關(guān)系的漏風(fēng)路線有兩條。1）工作面生產(chǎn)前、中期，工作面超前壓力未影響到該高冒點(diǎn)時(shí)的漏風(fēng)通道：從1103、1105聯(lián)絡(luò)巷的密閉墻→1103停采線→1203下道上方的采空區(qū)（經(jīng)過該高冒點(diǎn)）→1203工作面超前壓力影響區(qū)范圍內(nèi)的1103采空區(qū)→支架上方→1203采空區(qū)→1203回風(fēng)隅角→1203上道。在新鮮風(fēng)流經(jīng)過1203下道流到工作面煤壁時(shí)，沿途巷道的風(fēng)流在風(fēng)壓的作用下將通過該高冒點(diǎn)、頂板連通的微裂隙、構(gòu)造弱面裂隙、漏水點(diǎn)向該漏風(fēng)通道中的采空區(qū)滲入。因此，該期間重點(diǎn)是減少漏風(fēng)量，降低溫度。2）工作面生產(chǎn)后期，工作面超前壓力影響到該高冒點(diǎn)時(shí)的漏風(fēng)通道：1203下道→1203下道超前壓力形成的裂隙→1103采空區(qū)→1203上道超前壓力形成的裂隙→1203上道上方。由于該通道是在前一通道的基礎(chǔ)上演化而來，由于受超前壓力的影響，巷道頂板產(chǎn)生大量的新生裂隙（表現(xiàn)為頂板淋水、碎裂），向一分層采空區(qū)漏風(fēng)量驟然增加，煤體氧化范圍擴(kuò)大和升溫速度加劇，表現(xiàn)采空區(qū)回風(fēng)隅角一分層流出的風(fēng)溫驟然升高、支架出汗。因此，該期間重點(diǎn)是加快推進(jìn)、縮短破碎煤體氧化時(shí)間和降低溫度。（2）自燃時(shí)間及對(duì)應(yīng)措施分析。由于受流水的影響，該高冒點(diǎn)可能蓄熱自燃點(diǎn)應(yīng)位于1#附近巷道的上方；可能自燃的時(shí)間為：一是該高冒點(diǎn)風(fēng)量大，措施不當(dāng)，在未進(jìn)入超前壓力影響區(qū)前就發(fā)生自燃，防止其發(fā)生必須采取控氧降溫措施；二是在高冒點(diǎn)進(jìn)入超前壓力區(qū)期間，因漏風(fēng)量增加，加速高溫點(diǎn)煤炭自燃，應(yīng)采取加快推進(jìn)、注水降溫、均壓和注氮惰化措施；三是該高冒點(diǎn)煤體落入采空區(qū)，逐步散開，煤炭吸氧面積擴(kuò)大自燃加劇，應(yīng)采取插管注水、加快推進(jìn)，必要時(shí)采取反風(fēng)措施。

2.2.2 采取的主要措施

（1）均壓措施，目的是通過較低的風(fēng)量減少高冒點(diǎn)處向采空區(qū)的漏風(fēng)深度和量，工作面計(jì)劃配風(fēng)1080m3/min，實(shí)際配風(fēng)1320m3/min，在生產(chǎn)過程中將根據(jù)工作面溫度、氣體情況及時(shí)調(diào)整風(fēng)量。（2）注氮：繼續(xù)對(duì)該高冒點(diǎn)及前后實(shí)施注氮減少漏風(fēng)量，并對(duì)一分層采空區(qū)惰化。（3）注水：一是在該高冒區(qū)處鉆孔找高溫點(diǎn)進(jìn)行注水降溫。二是在工作面離該高冒區(qū)近80m時(shí)，從上道向采空區(qū)內(nèi)注水降溫，防止高冒區(qū)域存在高溫煤體。（4）本煤層注水泥漿堵漏：由于該處漏水嚴(yán)重，無法噴漿，只能對(duì)煤層頂板實(shí)施注漿堵漏。（5）加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，每班檢查高冒點(diǎn)的CO濃度，當(dāng)CO濃度超過24PPm時(shí)，同時(shí)檢查O2濃度并采氣樣上井進(jìn)行色譜分析。

2.2.3 工作面通過冒頂區(qū)域前氣象指標(biāo)變化情況

從上表1可以看出：（1）工作面增加風(fēng)量對(duì)高冒區(qū)產(chǎn)生直接影響，擴(kuò)散深度提高，高冒區(qū)深部煤體發(fā)生氧化反應(yīng)；（2）實(shí)施上分層采空區(qū)深部注N2，是抑制上分層采空區(qū)煤體氧化的有效手段。由于煤層裂隙發(fā)育，N2通過裂隙亦對(duì)高冒區(qū)煤體氧化產(chǎn)生抑制作用，注N2工作停止后，上分層采空區(qū)煤體氧化現(xiàn)象發(fā)展迅速；（3）由于煤層裂隙發(fā)育，冒頂區(qū)域段發(fā)生較大阻力變化時(shí)，通過煤層裂隙對(duì)上分層采空區(qū)形成供氧通道，煤體發(fā)生較強(qiáng)氧化反應(yīng)。

2.2.4 工作面通過高冒氧化區(qū)及上分層火區(qū)前采取的預(yù)防措施

（1）工作面穩(wěn)定通風(fēng)系統(tǒng)，配風(fēng)穩(wěn)中有降至912m3/min；（2）以1#孔為中心向前后各延伸20m，對(duì)頂板煤層裂隙高壓灌注水泥漿，封堵漏風(fēng)通道。使用Φ20mm插管，鉆孔深度4.5m，間距1.6m，泵壓15MPa。實(shí)際鉆孔33個(gè)，灌注水泥62.5噸（干料）；（3）在運(yùn)輸?shù)?、材料道上分層收作線處各施工頂板鉆孔2個(gè)，采用Φ25mm插管，深度9m，封孔后對(duì)上分層采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)注N2充填作業(yè)，降低上分層采空區(qū)O2含量，惰化采空區(qū)浮煤及煤體；（4）在工作面材料道（上道）施工Φ50mm頂板注水鉆孔，對(duì)上分層進(jìn)行注水作業(yè)，堵塞導(dǎo)水裂隙漏風(fēng)，恢復(fù)上分層采空區(qū)濕度水份含量，破壞采空區(qū)煤體由于脫水觸氧發(fā)生的氧化；（5）從工作面材料道（上道）預(yù)埋Φ75mm注水管路，對(duì)工作面采空區(qū)上部干燥缺水部分進(jìn)行注水降溫，同時(shí)利用采空區(qū)的高溫蒸發(fā)效應(yīng)，增加采空區(qū)濕度，達(dá)到阻化采空區(qū)煤體氧化的目的。

2.2.5 回采工作面通過冒頂區(qū)及上分層火區(qū)效果檢驗(yàn)

（1）工程措施全面實(shí)施結(jié)束后，2013年2月6日高冒區(qū)及上分層采空區(qū)監(jiān)測(cè)孔CO全部降至0～10PPm，恢復(fù)至安全值。（2）2013年2月15日中班工作面揭露高冒區(qū)，1#、2#、3#支架架后落煤時(shí)有霧氣發(fā)生（白色煙霧），架間及頂板插管未檢測(cè)出CO，插管監(jiān)測(cè)頂板內(nèi)部溫度達(dá)65℃，淋水溫度高達(dá)48℃，工作面其它點(diǎn)位氣體及空溫均未見異常。

自揭露高冒區(qū)起至2月21日工作面回采推進(jìn)28m，日推進(jìn)保持了6.6m的較高速度，架間頂板插管溫度恢復(fù)至40℃，工作面成功通過高冒區(qū)及高冒導(dǎo)通的上分層火區(qū)。

3 聯(lián)合運(yùn)用防滅火技術(shù)處置效果

（1）通過對(duì)該區(qū)域頂板煤層注漿，128m2范圍內(nèi)注漿62.5噸（干料），達(dá)0.49t/m2，其頂板裂隙發(fā)育程度較高，存在較大裂隙漏風(fēng)通道。（2）恢復(fù)斷水干涸的頂板淋水區(qū)域，一方面堵塞了由于涌水?dāng)嗔鳟a(chǎn)生的漏風(fēng)通道，降低了通道周邊煤體的溫度；另一方面水流通過溫度較高的采空區(qū)時(shí)，基于蒸發(fā)效應(yīng)，上分層采空區(qū)內(nèi)濕度得到較大提高，對(duì)采空區(qū)煤體氧化起到了良好的阻化作用。（3）注N2對(duì)封閉良好的上分層采空區(qū)煤體具有較好阻化效果，能夠迅速造成上分層采空區(qū)缺氧，阻斷煤體氧化，采空區(qū)氧氣含量抑制在2%以下，CO能夠迅速降至0～10PPm的安全范圍。（4）支架通過高冒區(qū)時(shí)后尾梁落煤，所見白色煙霧為水的汽化。高冒區(qū)較高溫度的煤體落入水中時(shí)，由于量大，攜帶絕對(duì)熱量高，溫差亦較大，導(dǎo)致了水的汽化現(xiàn)象。因此，隨機(jī)未檢測(cè)出代表煤體氧化的CO等指標(biāo)性氣體。（5）工作面安全推過該高冒區(qū)使工作面多回采90m，多采出5萬噸煤。

4 結(jié)語

通過1203工作面聯(lián)合運(yùn)用防滅火技術(shù)手段，安全的穿過高冒區(qū)及上分層火區(qū)的實(shí)踐，表明該礦處置煤體氧化的方法重點(diǎn)在于控氧及聯(lián)合運(yùn)用多種防火阻化、窒息煤體手段。對(duì)于此類高溫礦井，由于原始煤溫高達(dá)44℃，采取注水降溫或其它方法散熱、阻止煤體氧化，其前提必須直接作用在氧化發(fā)熱體上。增加采空區(qū)空氣濕度含量是阻化采空區(qū)煤體氧化的有效方法。