易自燃煤層首采面的煤火防治措施

魏 剛

(榆林神華能源有限責(zé)任公司，陜西 神木 719315)

0 引言

我國重點(diǎn)煤礦中的54.9%存在自然發(fā)火危險(xiǎn)[1]，隨著煤礦開采現(xiàn)代化、機(jī)械化進(jìn)程的發(fā)展，煤火災(zāi)害問題日益凸顯，嚴(yán)重影響了礦山生產(chǎn)安全。以某煤礦開采易自燃煤層的首采綜采面51103工作面為例，首先進(jìn)行煤自然發(fā)火判定指標(biāo)優(yōu)選，確定CO為煤自然發(fā)火監(jiān)測指標(biāo)，之后對工作面開拓及采煤方式進(jìn)行分析，根據(jù)工作面特點(diǎn)對進(jìn)回風(fēng)進(jìn)行優(yōu)化，最后根據(jù)可能發(fā)生的采空區(qū)遺煤自燃采取防范措施，設(shè)計(jì)灌漿系統(tǒng)并對其材料、參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體測定

1.1 程序升溫氣相分析聯(lián)動實(shí)驗(yàn)

人工采取井下煤樣，采樣方法及采樣步驟參照《GBT 482-2008煤層煤樣采取方法》執(zhí)行；取樣后將煤樣破碎，并進(jìn)行篩分，煤樣粒度小于0.15 mm，裝入熱解析儀并與氣相色譜相連，進(jìn)行熱解析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備采用程序升溫氣化進(jìn)樣聯(lián)動氣相色譜分析原理設(shè)計(jì)，其原理示意圖如圖1所示。將煤樣放置在程序升溫裝置中，開啟程序升溫進(jìn)程，煤體溫度會逐漸升高，在不同溫度下煤樣與氧氣作用生成的多種氣體成分不盡相同。將煤氧反應(yīng)生成的氣體經(jīng)由管路輸送至氣相色譜進(jìn)樣口，程序自動控制每隔15 min對氣體進(jìn)行一次檢測，將檢測到的結(jié)果記錄后即可進(jìn)行分析。

圖1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備原理示意圖

實(shí)驗(yàn)開始后，程序升溫裝置按照預(yù)先設(shè)定的升溫進(jìn)程對煤樣進(jìn)行加熱，具體升溫程序見表1。煤氧反應(yīng)后生成的氣體通過氣化進(jìn)樣裝置進(jìn)入氣相色譜進(jìn)行分析，每間隔15 min讀取O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C3H8、C2H4、C3H6、C2H2等氣體濃度值，并進(jìn)行記錄。

表1 升溫程序表

1.2 煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體優(yōu)選原則

首先應(yīng)當(dāng)計(jì)算各氣體在各升溫階段的濃度增率Ir

(1)

式中：Ir—標(biāo)志性氣體濃度增加速率，min-1；C1、C2—2次測定標(biāo)志性氣體的濃度；Δt—2次測量間隔時(shí)間，min。

比較各預(yù)選氣體的Ir，選擇Ir較高的(即隨溫度變化較明顯的)氣體作為煤自然發(fā)火標(biāo)志性氣體。在選取標(biāo)志性氣體時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮CO、C2H4、C2H2作為標(biāo)志氣體，因?yàn)橐陨?種氣體在一定程度上反應(yīng)了煤的緩慢氧化階段、加速氧化階段以及劇烈氧化階段且標(biāo)志性明顯[2]。

經(jīng)分析，標(biāo)志氣體測定結(jié)論見表2。

表2 標(biāo)志氣體測定

因此，確定51103工作面緩慢氧化階段(常溫下)煤自然發(fā)火標(biāo)志氣體為CO。

2 煤自然發(fā)火防范措施

2.1 工作面布置及采煤方法

51103工作面為首采工作面，采用一次采全高走向長壁后退式綜合機(jī)械化采煤方法，采高平均為5 m。巷道布置簡單，由51103工作面膠運(yùn)順槽、51103工作面回風(fēng)順槽以及51103綜采工作面構(gòu)成。工作面相鄰51104工作面為備采工作面，其巷道及51102工作面巷道布置已經(jīng)完成，51103工作面膠運(yùn)順槽與51104工作面回風(fēng)順槽相鄰且留有聯(lián)絡(luò)巷，51103工作面回風(fēng)順槽與51102工作面膠運(yùn)順槽相鄰且留有聯(lián)絡(luò)巷。51103工作面巷道布置示意圖如圖2所示。

圖2 51103工作面巷道布置示意圖

2.2 通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化

通風(fēng)系統(tǒng)的良好設(shè)計(jì)對煤火災(zāi)害的防治有著積極的作用。在此對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。

51103工作面通風(fēng)路線為主(副)斜井→5-1煤主運(yùn)(輔運(yùn))大巷→51103工作面膠運(yùn)(輔運(yùn))順槽→51103綜采工作面→51103回風(fēng)順槽/51102回風(fēng)順槽→5-1煤回風(fēng)大巷→回風(fēng)立井→地面，由于51103工作面為首采面，因此通風(fēng)系統(tǒng)漏風(fēng)較少，便于管理。在此僅針對51103工作面及其相鄰的51102、51104工作面巷道進(jìn)行通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化。

減小采空區(qū)漏風(fēng)：嚴(yán)格按照《煤礦安全規(guī)程》的要求對工作面風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算，防止冗余風(fēng)量進(jìn)入采空區(qū)，造成采空區(qū)遺煤氧化升溫。

上、下隅角防漏風(fēng)：工作面上、下隅角由于其特殊的位置，導(dǎo)致膠運(yùn)順槽的風(fēng)流容易經(jīng)由下隅角進(jìn)入采空區(qū)，經(jīng)采空區(qū)后由上隅角流出，形成風(fēng)流回路。風(fēng)流帶出的CO、CH4等有害氣體會對采煤工作面帶來安全隱患，同時(shí)也加劇了采空區(qū)遺煤自燃。因此采取措施在工作面上、下隅角處懸掛風(fēng)簾，防止采空區(qū)漏風(fēng)。

設(shè)防火風(fēng)門：在51103工作面膠運(yùn)順槽及回風(fēng)順槽設(shè)置防火風(fēng)門，一旦發(fā)生火災(zāi)且形勢無法控制時(shí)，可以關(guān)閉防火門，阻止損失擴(kuò)大。

杜絕地面漏風(fēng)：由于51103綜采面開采的5-1煤層較淺，因此需在回采期間密切關(guān)注51103采空區(qū)地表塌陷情況，若發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)充填因采動地表產(chǎn)生的裂縫，杜絕地面漏風(fēng)引起采空區(qū)煤層自燃。

2.3 灌漿系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化

51103工作面開采的5-1煤層為Ⅰ類易自燃煤層，需要對工作面設(shè)計(jì)安裝灌漿系統(tǒng)。

灌漿系統(tǒng)類型的選擇：灌漿系統(tǒng)分為集中灌漿和分散灌漿系統(tǒng)。集中灌漿系統(tǒng)便于管理，但其建設(shè)時(shí)間長，投資大，便于掌控。分散灌漿系統(tǒng)又可分為鉆孔灌漿系統(tǒng)及移動灌漿系統(tǒng)，其特點(diǎn)是機(jī)動靈活，但管理難度較大。研究對象煤礦已經(jīng)建立了集中灌漿系統(tǒng)，且首采的51103工作面位置關(guān)系便于利用灌漿泵站，因此選擇使用集中灌漿系統(tǒng)。

灌漿材料的選擇：對灌漿材料的性能應(yīng)滿足①比重2.4～2.8 t/m3；②塑性指數(shù)9～11(亞粘土)；③膠體混合物(按MgO含量計(jì))為25%～30%；④含砂量為25%～30%(顆粒為0.5～0.25 mm以下)；⑤容易脫水和具有一定的穩(wěn)定性。按照以上要求，選用FCJ12復(fù)合膠體膠凝劑混合黃泥漿進(jìn)行漿液調(diào)制。

灌漿方法的選擇：51103工作面采用埋管間歇式灌漿方法對采空區(qū)進(jìn)行灌漿。事先在回風(fēng)順槽埋下鋼管，隨工作面推進(jìn)，每間隔10～20 m進(jìn)行一次灌漿作業(yè)，確保工作面開切眼(起采線)、運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和停采線等4線的灌漿質(zhì)量，進(jìn)而確保采空區(qū)封閉質(zhì)量，管灌漿示意圖如圖3所示。井下黃泥灌漿采用動壓供漿。井下黃泥灌漿為專用的枝狀管網(wǎng)，灌漿泥漿通過D159×8管道經(jīng)1號回風(fēng)立井壓力至井下采空區(qū)。管道采用無縫鋼管，管道連接方式采用卡箍式柔性管接頭，各分支管設(shè)有閘閥以便檢修。在井下采、掘工作面每50 m設(shè)注漿閥一個(gè)。

1-預(yù)埋注漿管；2-高壓膠管；3-灌漿管；4-回柱絞車；5-鋼絲繩；6-采空區(qū)圖3 采空區(qū)灌漿管路布置示意圖

灌漿參數(shù)的計(jì)算：在此主要對每日灌漿用土量Qt進(jìn)行計(jì)算。

(2)

式中：Qt—每日灌漿所需土量，m3/d；G—礦井日產(chǎn)量，t；γ—煤的容重，t/m3；K—灌漿系數(shù)，取0.01。

3 煤火防范措施效果驗(yàn)證

測定CO濃度變化率作為煤體是否氧化升溫的指標(biāo)氣體。根據(jù)2016年3月5日至2016年6月2日51103工作面CO數(shù)據(jù)的監(jiān)測結(jié)果，繪制散點(diǎn)圖，如圖4所示。

圖4 51103工作面回風(fēng)順槽CO濃度散點(diǎn)圖

由圖4可知，51103工作面回風(fēng)順槽CO濃度處于9～25 ppm之間，屬于安全水平，說明51103工作面沒有煤自然發(fā)火跡象，采取的煤火防范措施有效。

4 結(jié)語

對于易自燃煤層首采綜采面51103工作面，首先通過程序升溫聯(lián)動氣相色譜的方法測定了各預(yù)選指標(biāo)氣體的升溫速率，確定了CO為遺煤緩慢氧化階段監(jiān)測指標(biāo)氣體，之后在通風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化、灌漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩方面布置了煤自然發(fā)火防治措施，在工作面實(shí)際回采過程中加以應(yīng)用，最后通過對回風(fēng)順槽CO濃度監(jiān)測結(jié)果的分析說明了采取的煤自然發(fā)火防范措施取得了良好的效果，對今后的采空區(qū)防滅火工作具有指導(dǎo)意義。