牛紅杰 王冬冬 李國芳
(山東新巨龍能源有限責任公司,山東 菏澤 274000)
3302工作面采用綜放開采方式,所采煤層屬于3#煤層,平均厚度8.5m,采3.5m放5m。煤系地層平均地溫梯度為3.23℃/100m,工作面地溫高達42℃以上,最短自然發(fā)火期46d。因此,綜合分析3302綜放面撤面期間采空區(qū)防滅火存在以下幾個難點:
(1)煤層埋深大、地溫高。工作面煤層原巖溫度高,自然發(fā)火期明顯縮短。
(2)綜放面開采強度大,散熱量大,所需配風量大,配風量的增加造成漏風強度增強,工作面自燃危險區(qū)域范圍增大。
(3)回采過程中,工作面及采空區(qū)涌水量可能較大,將會影響推進速度,自燃危險性較大。
(4)綜放面開采煤層厚度大,采空區(qū)范圍大,漏風嚴重,供氧充足。
(5)綜放面尤其是“兩道兩線”丟煤多,即上、下順槽、停采線、開切眼等。由于上下順槽采用錨網(wǎng)支護,頂煤難以垮落,采空區(qū)漏風嚴重,極易造成采空區(qū)浮煤自燃。
(6)綜放面采空區(qū)防滅火區(qū)域大,一旦浮煤有發(fā)火跡象,自燃火源將迅速擴展,危及整個礦井的生產(chǎn),防滅火難度更大。
自燃火災經(jīng)常引發(fā)礦井瓦斯爆炸,滅火時常伴隨水煤氣爆炸,給礦工生命安全造成極大威脅。因此,為確保礦井防火安全,對礦井火災進行精準識別和分級分類,有針對性地綜合應用多種防滅火技術(shù),對礦井自然發(fā)火治理技術(shù)進行系統(tǒng)性研究十分必要。
3302工作面回撤期間,根據(jù)工作面開采后采空區(qū)遺煤自燃特點,通過向采空區(qū)預埋管進行測溫、氣樣色譜分析來檢測數(shù)據(jù),掌握采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體濃度隨工作面推進的變化情況,以此來判定自燃危險區(qū)域,并采取相應的防滅火措施,排除煤自燃危險性。
采空區(qū)的氣體成分和溫度觀測采用埋管真空泵抽氣法和埋設(shè)熱電阻測定法,監(jiān)測點在兩道的采空區(qū)里,約50m設(shè)一探頭,保持采空區(qū)內(nèi)部一側(cè)三個探頭,上下順槽同時觀測,監(jiān)測點布置如圖1所示。
圖1 3302綜放面“三帶”觀測測點布置示意圖
預埋管采用Ф50mm鋼管,在其中穿入三根Ф6mm不同顏色的束管,每根束管負責一個測點的氣樣,將束管、測溫探頭及其導線送入鉆孔直到采空區(qū)。埋管探頭具體設(shè)計如圖2所示。架間測點位于進風巷采空區(qū)靠近煤壁和綜放面回風巷采空區(qū)靠近煤壁處,兩測點等間距布置,相隔約50m,各測點距采空區(qū)底板的距離分別約為5.0m、5.4m、5.8m、5.2m、5.6m、5.0m。
圖2 埋管觀測探頭布置圖
觀測工作是通過采空區(qū)預埋管路進行測溫、氣樣分析等,掌握采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體濃度隨工作面推進的變化情況,同時測定工作面風量、溫度、氣體濃度等參數(shù)。各監(jiān)測點均利用束管監(jiān)測系統(tǒng)抽取氣樣,分析的氣體成分為O2、CO、CO2及CH4等烴類氣體。對3302綜放面采空區(qū)進風巷70、75、80以及回風巷85、90架后束管監(jiān)測系統(tǒng)異常數(shù)據(jù)整理分析,結(jié)果如表1所示。
表1 采空區(qū)進風巷70架測點氣體濃度表
根據(jù)3302綜放面出現(xiàn)的異常情況,為保證工作面回撤期間采空區(qū)防火安全,實施了膠泥輔助建墻堵漏、加大注漿量系列措施,并在工作面回撤期間采用束管監(jiān)測系統(tǒng),對回撤期間工作面實際情況進行監(jiān)測,分析工作面典型氣體位置。
3302綜放面回撤期間氣體濃度變化曲線圖如圖3所示。8月24日CO濃度升至779ppm;氧氣濃度隨著時間遞增呈現(xiàn)下降趨勢,最低可達到7.8%。說明3302綜放面在撤面期間工作面出現(xiàn)煤體與氧氣接觸,出現(xiàn)煤自然氧化的隱患,表現(xiàn)在回撤面80架后CO濃度顯著升高而O2濃度顯著下降這一特征,即3302綜放面回撤期間出現(xiàn)煤自然氧化傾向,具有煤自燃危險性。
圖3 80架氣體曲線圖
圖4 下25埋管氣體曲線圖
為了進一步確定隱患具體位置,如圖4,于8月22日對工作面80架后下25埋管,測定3302綜放面進回風氣體濃度變化情況。通過進回風側(cè)氣體濃度測定,可以將工作面進出風分為兩段,下隅角至75架為進風段,75架以上為回風段,80架附近為臨界點。由于3302綜放面回撤期間通風方式為上行風,結(jié)合下25埋管監(jiān)測CO/O2濃度變化情況,綜合判定綜放面回撤期間出現(xiàn)煤自燃異常點并非80架,而應該是在80架后下半部分受漏風點強烈的距離處為煤自燃隱患所在地點。因此,在3302綜放面下行巷下60埋管對該過程中氣體濃度進行實時監(jiān)測,結(jié)果如圖5所示。
圖5 下60埋管氣體曲線圖
下巷60埋管氧氣濃度在7月7日~7月17日持續(xù)保持在20%左右,CO濃度基本沒有變化。這說明在3302工作面初步撤面期間,基本保持穩(wěn)定狀態(tài),沒有出現(xiàn)煤體自然氧化現(xiàn)象。而當3302綜放面回撤的7月18日~7月27日,CO濃度突然出現(xiàn)快速增加(最高可達180ppm)現(xiàn)象,下行巷道氧氣濃度迅速遞減。這表明在這段回撤時間內(nèi),煤體出現(xiàn)自然氧化現(xiàn)象。結(jié)合現(xiàn)場實際情況:巷道通風條件良好,采空區(qū)遺煤量較大,平均浮煤厚度可達到0.9m,測定下行巷巷道漏風量大,為遺煤提供自然氧化時間充足。因此,綜合判定3302綜放面下行巷采空區(qū)位置處為回撤期間工作面自燃隱患點。
為了減少下巷漏風強度,于8月26日將上行風改為下行風,為了掌握調(diào)風后工作面漏風變化規(guī)律,有針對性地注膠堵漏、壓注液態(tài)二氧化碳,對架間深孔及部分淺孔進行了風向測定。高分子膠體可有效封堵架間漏風通道,粘著力強,可有效吸附煤體,隔絕與氧氣的接觸,阻止煤體進一步氧化。3302工作面注膠分為架間普注(每孔2袋)、重點區(qū)域強化壓注、深孔定量壓注。下巷注氮,調(diào)風前通過下巷埋管及2架深孔注氮,調(diào)風后改為149架深孔壓注。上下巷敷設(shè)二寸液態(tài)二氧化碳專用管路,減少了變徑,有效降低堵管頻率,利用架間深孔、上巷埋管向采空區(qū)壓注液態(tài)二氧化碳。
工作面支架停止推進后,在架間設(shè)置了固定束管監(jiān)測點,每10架一個測點。重點取樣色譜分析位置為回風隅角50架、70架、80架、110架。觀測點布置涵蓋了架間特殊區(qū)域、重點危險區(qū)域,形成了全方位氣體監(jiān)測,為采取及時有效的防火措施提供了有力數(shù)據(jù)支撐。
通過分析色譜檢測數(shù)據(jù),經(jīng)過采取注膠堵漏、接續(xù)注氮、壓注液態(tài)二氧化碳等一系列措施后,各測點一氧化碳濃度大幅降低,且均降至正常水平,基本排除了3302綜放面回撤期間的自燃危險性。由于回風側(cè)架間一氧化碳濃度、氧氣濃度均保持正常水平,說明針對3302綜放面所采取的一系列防火措施均落實到位,調(diào)風恰當,防滅火效果較好。
針對新巨龍公司3302綜放工作面煤層開采的實際情況,采用有針對性的防滅火技術(shù)措施,對工作面采空區(qū)煤自燃進行了預測和控制,成功地實現(xiàn)了3302綜放面的安全生產(chǎn)和回撤,為高地溫礦井綜放面的防滅火技術(shù)提供了新的應用案例,具有推廣應用價值。