王家?guī)X煤礦18101工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

畢　猛

(山西王家?guī)X煤業(yè)有限公司,山西 忻州 034000)

1　礦井及綜采工作面概況

王家?guī)X煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力5 Mt/a,主采煤層為4#煤層,根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心出具的煤層自燃傾向性鑒定報(bào)告,該煤層為Ⅱ類自燃。18101位于井田東南部,走向長(zhǎng)2 050 m,傾向200 m,工作面共布置4條順槽,通風(fēng)形式為“兩進(jìn)兩回”,主采4#煤層,煤層傾角-7°,平均厚度7.69 m,采煤工藝為綜采放頂煤后退式開采,全部垮落法管理頂板。

2　束管監(jiān)測(cè)

采空區(qū)三帶的劃分是采空區(qū)防滅火的關(guān)鍵。為摸清王家?guī)X煤礦采空區(qū)三帶的具體距離,王家?guī)X煤礦在地面建立了防滅火實(shí)驗(yàn)室,安裝了設(shè)備,在井下18101工作面建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),每天對(duì)工作面后部采空區(qū)和回風(fēng)上隅角、回風(fēng)流抽取氣樣進(jìn)行化驗(yàn)分析,每周對(duì)氣樣和溫度變化曲線圖進(jìn)行綜合分析,工作面有自然發(fā)火傾向時(shí)要每天抽取氣樣進(jìn)行化驗(yàn)分析。

1)束管測(cè)點(diǎn)布置。根據(jù)工作面四周與上部8#煤層情況,束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)按實(shí)際情況設(shè)計(jì)為4個(gè),1#點(diǎn)位于采空區(qū),2#點(diǎn)位于工作面回風(fēng)上隅角,3#點(diǎn)位于工作面回風(fēng)流,4#點(diǎn)位于四采區(qū)8#煤層回風(fēng)巷內(nèi)。

2)采空區(qū)三帶劃分。束管測(cè)點(diǎn)分為兩個(gè)線路煤層自燃是長(zhǎng)期暴露在空氣中的煤,由于氧化放熱導(dǎo)致溫度逐漸升高,當(dāng)達(dá)到煤的著火點(diǎn)發(fā)生燃燒,煤層自燃過程其實(shí)是煤自身氧化蓄熱燃燒的一個(gè)過程。煤層自燃是許多因素共同作用的結(jié)果,煤層自燃必須同時(shí)具備幾個(gè)條件:具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態(tài)堆積、連續(xù)供氧、蓄積熱量的環(huán)境、時(shí)間。根據(jù)煤層自燃的原理以及氧氣濃度可將采空區(qū)分為三帶,分別為:散熱帶、自燃帶和窒息帶[1]。根據(jù)埋入束管測(cè)量數(shù)據(jù)分析,王家?guī)X煤礦采空區(qū)三帶劃分為:散熱帶(0 m～90 m,φ(O2)>18%);氧化帶(90 m～200 m,5%<φ(O2)<18%);窒息帶(200 m以外,φ(O2)<5%)。束管埋入采空區(qū)距離與氧氣濃度變化曲線圖,見圖1。

圖1　束管埋入采空區(qū)距離與氧氣濃度變化曲線圖Fig.1　Variation of the content of oxygen in goaf with the distance of buried tubes

3　采空區(qū)注氮

根據(jù)《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》(MT/T701-1997)規(guī)定,煤礦防滅火可選擇埋管、插管、施工鉆孔注氮等工藝,王家?guī)X煤業(yè)根據(jù)井下工作面具體情況,采用埋管注氮工藝進(jìn)行采空區(qū)防滅火。

3.1　注氮原理

注氮技術(shù)就是通過地面制氮機(jī)制出高濃度氮?dú)庀虿煽諈^(qū)壓入,由于氮?dú)饷芏缺瓤諝獯?不可燃也不助燃，采空區(qū)注入氮?dú)夂?氮?dú)獠糠值靥娲鯕舛M(jìn)入到煤體裂隙表面,使煤體對(duì)氧氣的吸附量降低,在很大程度上抑制或減緩了遺煤的氧化速度。另外氮?dú)庠诹鹘?jīng)煤體時(shí),吸收了煤氧化產(chǎn)生的熱量,可以減緩煤升溫的速度并降低周圍介質(zhì)的溫度,使煤的氧化因聚熱條件的破壞而延緩。

3.2　注氮方法

在18101工作面膠帶順槽沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路,當(dāng)埋入采空區(qū)50 m后,同時(shí)再埋入第二趟注氮管路,當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)冷卻帶與氧化帶的交界部位時(shí)(采空區(qū)100 m位置)向采空區(qū)注氮,同時(shí)斷開第一趟注氮管路,并停止第一趟管路的注氮,如此循環(huán),直至工作面采完為止。18101工作面注氮管路安設(shè)步距示意圖見圖2。

圖2　18101工作面注氮管路安設(shè)步距示意圖Fig.2　Intervals of pipeline installation for nitrogen injection on 18101 working face

3.3　注氮布距以及“氧化帶”氧氣變化

根據(jù)采空區(qū)三帶數(shù)據(jù),氮?dú)忉尫趴谠诓煽諈^(qū)100 m處,其出口為0.2 MPa以上的注氮能力,注氮口有效半徑為25 m,則釋放間距為50 m。注氮連續(xù)8 h以后,氧氣濃度逐漸下降至16%左右,24 h降至14%后氧氣濃度趨于穩(wěn)定,18101工作面氧氣濃度隨埋入深度變化曲線圖見圖3。

圖3　18101工作面氧氣濃度隨埋入深度變化曲線圖Fig.3　Variation of the oxygen content with the buried depth in 18101 working face

4　減少采空區(qū)漏風(fēng)

為防止風(fēng)量過大,采空區(qū)漏風(fēng)增多從而導(dǎo)致采空區(qū)氧氣增加,在滿足正常安全生產(chǎn)的前提下,工作面配風(fēng)量盡量減少,目前王家?guī)X煤業(yè)綜采工作面配風(fēng)穩(wěn)定在1 300 m3/min。除此之外,在綜采工作面上下隅角還吊掛風(fēng)障,增大采空區(qū)漏風(fēng)通道上的通風(fēng)阻力,從而減少采空區(qū)漏風(fēng)。

5　噴灑阻化劑

在工作面推進(jìn)遇到地質(zhì)構(gòu)造帶(褶曲、斷層、夾矸等)時(shí),工作面推進(jìn)速度減慢,構(gòu)造帶位置煤體裂隙發(fā)育,易構(gòu)成漏風(fēng)通道,且構(gòu)造造成大量浮煤堆積,針對(duì)此特殊時(shí)期王家?guī)X煤業(yè)有限公司采用噴灑阻化劑進(jìn)行采空區(qū)防滅火,就是每天定時(shí)對(duì)上下隅角的浮煤噴灑阻化劑(成分主要為15%的CaCl2溶液),阻化劑被配撒到煤體之后一部分包裹在煤表面,另外一部分充入煤體裂隙內(nèi),阻斷煤體的漏風(fēng)通道,從而達(dá)到采空區(qū)滅火的目的。

6　結(jié)論

從煤層自燃氧化理論以及采空區(qū)三帶氧氣含量關(guān)系出發(fā),采用理論、實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐相結(jié)合的方法,對(duì)王家?guī)X煤業(yè)18101工作面采空區(qū)的遺煤的氧化過程的規(guī)律進(jìn)行了綜合研究，從采空區(qū)三帶的劃分，到采取來管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)、減少采空區(qū)漏風(fēng)、噴灑阻化劑和注氮等多項(xiàng)措施，使工作面采空區(qū)的防滅火工作取得顯著的成效。