郭旭宏
(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司,山西 高平 048407)
唐安煤礦3405工作面開采期間出現(xiàn)過重大發(fā)火隱患,由于及時采取防滅火技術(shù)措施,有效預防了煤炭自燃,保證了工作面順利回采。在治理煤層自然發(fā)火過程中,摸索出了一套較為完善的早期預測預報系統(tǒng)、早期綜合預防性治理技術(shù)體系及快速應急防滅火治理技術(shù)體系,確保了礦井煤層自然發(fā)火逐年下降,保障了礦井安全生產(chǎn)。
唐安煤礦煤層自燃傾向性等級為I級。建礦以來共自然發(fā)火30次,百萬噸發(fā)火率達5次,最短發(fā)火期為10d,每個B4煤層工作面在回采過程中都有自然發(fā)火發(fā)生,封閉火區(qū)過程中,共計發(fā)生瓦斯爆炸24次。
3405工作面煤層埋深219~40.5m,采面走向340m,傾向85~118m,平均采高1.7m,煤層傾角5°~10°,煤層堅固性系數(shù)f=2~3。工作面以北為采空區(qū),以南未布置工作面,東、西為井巷煤柱和井田邊界煤柱。工作面有1條逆斷層,走向97°,傾向187°,傾角30°,落差1.5m,上盤煤變厚,下盤煤變薄0.2~1.4m,對回采有較大影響。采煤工作面示意圖如圖1所示。
圖1 3405采煤工作面示意圖
(1)3405工作面南面、西面、東面均為煤柱,無自然發(fā)火威脅;北面為采空區(qū),有自然發(fā)火威脅;上覆3403工作面開采期間受斷層影響留有大量煤柱,上覆3404工作面開采期間煤柱邊緣被壓松軟的煤體已被氧化且積存有熱量,一旦供氧充分會快速氧化自燃。
(2)3405工作面上覆B2、B3、B4煤層,在對B3、B4煤層工作面開采時遺留了大量浮煤,且上覆B3煤層采空區(qū)浮煤已被氧化,加之B2、B4煤層間距較近,B4采空區(qū)垮冒后將會漏穿B2煤層采空區(qū),致使B2煤層采空區(qū)的浮煤落入B4煤層采空區(qū)造成二次氧化,極易引起B(yǎng)4煤層采空區(qū)自燃。
(3)保持采場壓力均衡難度較大,上覆3404采空區(qū)相通的運煤巷、材料道結(jié)束密閉均位于礦井主進風大巷內(nèi),進風壓力較大;3404采空區(qū)相通的3411、3413采空區(qū)為沿空護巷無煤柱開采,漏風通道多;上覆3403采空區(qū)相通的3403邊界、風巷密閉均位于工作面回風巷內(nèi),回風壓力相對較大;本煤層風機巷掘進過程中多次漏穿上覆采空區(qū)且有熱水流出,故整個采空區(qū)通風壓差較大、系統(tǒng)復雜、漏風通道多、難以保持采場壓力均衡,極易導致大量氧氣通過各漏風通道進入采空區(qū),引起采空區(qū)遺煤氧化自燃或氧化帶擴大。
(1)機巷掘進過程中有180m長度范圍內(nèi)頂板淋水較大,隨工作面逐步開采頂板裂隙進一步增加;風巷掘進時有約80m長度巷道漏穿上部采空區(qū)形成多處孔洞,監(jiān)測CO濃度最大達到320ppm,受通風壓差影響極易漏風產(chǎn)生高溫氧化自燃。由于這種燃燒是在煤層內(nèi)部,外部很難檢查發(fā)現(xiàn),對回采影響較大。
(2)工作面開切眼正好位于上覆煤層開切眼邊緣,受工作面安裝及初期調(diào)采影響,開切眼碎煤暴露時間較長,極易氧化導致自然發(fā)火,特別是工作面開采初期推進速度慢且工作面頂板極易垮落的情況下,上覆開切眼碎煤極易二次氧化自燃。
(3)3405邊界與機巷三角形煤柱燈子下方巷道頂板較破碎,采場壓力將煤柱壓松軟后,極易將3405進風巷與上覆采空區(qū)導通形成漏風,從而引起煤柱邊緣及上覆采空區(qū)浮煤氧化自燃。
(4)工作面隨傾向逐步增長,在工作面加架的過程中,大量的浮煤將被丟入采空區(qū),極易引起浮煤長期氧化自燃;工作面內(nèi)有斷層,采至斷層帶時若推進速度受到影響,將會導致采空區(qū)浮煤因長期氧化而發(fā)生自燃。
(5)采面煤體較松軟,且煤層自然發(fā)火期短,采面回采過程中堆積的浮煤極易發(fā)生氧化自燃;采面一旦出現(xiàn)采場壓力調(diào)整不均勻,將會引起采空區(qū)大量供氧,加速浮煤的二次氧化,導致工作面發(fā)生氧化自燃。
3.1.1 堵漏
對周邊區(qū)域3403、3404、3411、3413采空區(qū)的10個密閉采取全部噴灑水泥漿、噴漿包裹等措施增加密閉的氣密性,并檢查處理好檢測軟管;同時加固密閉前的支護,以保證各密閉完好,減少漏風通道。對進回風之間相通壓差較大的采空區(qū)3404材料道、3403邊界、3403風巷、3413風巷及風巷聯(lián)絡巷5處施工夾心密閉。密閉墻之間用高分子滅火材料進行充填確保氣密性。3405掘進期間風巷出現(xiàn)的80m垮冒漏穿處、機巷頂板淋水較大段180m、機巷與邊界交界處、機巷40m與邊界30m頂板破碎段進行背頂及全面噴漿,包裹厚度不低于100m且包裹封閉嚴實。
3.1.2 均壓
全面檢查工作面區(qū)域的所有通風設施,確保通風設施牢固、可靠,保證采場通風系統(tǒng)穩(wěn)定。全面調(diào)整采場及外圍通風系統(tǒng)壓力(包括施工A風門、取消B風門以減少3405邊界與機巷三角形煤柱燈子下方巷道和工作面形成的壓差等),以采場及外圍區(qū)域密閉進出風不明顯為準。
3.1.3 預測預報
在3405機巷、3405邊界頂板破碎段每間隔50m,3405風巷頂板漏穿點每間隔30m施工一組觀測孔(每組施工兩個,一個用于日常檢查,另一個用于開采期間注氮),鉆孔終孔于上覆采空區(qū),利用觀測孔監(jiān)測上部采空區(qū)各項指標氣體變化情況?,F(xiàn)場瓦斯安全員每天進行一次全面檢查,救護隊每周一、三、五全面檢查三次并對重點部位進行取樣化驗分析。每周不低于兩次,對采面外圍區(qū)域各密閉全面檢查并對進回風重點密閉進行取樣化驗分析。
3.1.4 惰化
救護隊用1000m3制氮機分別對3405工作面下隅角、上部煤層采空區(qū)及工作面機巷和邊界每組觀測孔注氮,根據(jù)防滅火檢查情況隨時對有威脅的地點進行重點注氮。
3.1.5 其他
由礦方安排、組織采面傾向逐步增長過程中加架及采面二次集中加架工作,確保加架進度及防止遺煤丟入采空區(qū)。提前制定好采面過斷層措施,對可能遇到的各種困難予以解決,以確保工作面過斷層進度。工作面安裝支架前,應將工作面開切眼遺煤清理干凈后再安裝支架。
3.2.1 救護隊采取的措施
利用1000m3制氮機每天不間斷對上部采空區(qū)、下角懸空密閉內(nèi)工作面機巷漏穿點與邊界觀測孔實施注氮惰化,有效惰化上覆煤層采空區(qū)及本煤層采空區(qū)。針對鄰近層與本煤層采空區(qū)導通而漏風的情況,增加60m2制氮機對直通3405上覆煤層采空區(qū)的3404材料道等進風巷道密閉內(nèi)進行注氮,有效控制鄰近區(qū)域漏風及降低上覆煤層采空區(qū)氧氣指標。
定期灌注液態(tài)二氧化碳惰化采空區(qū)的氧氣和吸收采空區(qū)的熱量,以降低自燃速度。每天利用熱成像儀器對工作面進行全面掃查,發(fā)現(xiàn)溫度異常立即進行匯報處理。全天候現(xiàn)場待機,定時定點檢查氣體參數(shù),每個小班向調(diào)度室匯報3次。收集氣體參數(shù),建立數(shù)據(jù)圖表,對自然發(fā)火的發(fā)展趨勢進行分析。
3.2.2 礦方采取的措施
每3d在工作面上下隅角沿走向施工1次懸空密閉,采煤隊負責在機頭、機尾設置檔風簾,減少向采空區(qū)的漏風,瓦斯安全員負責現(xiàn)場監(jiān)督落實并匯報。工作面每次回柱前后對采面上下隅角均噴灑防滅火石灰。
每周2次對采場區(qū)域的通風設施進行全面檢查,確保設施可靠。每天檢查周邊密閉及對上、下隅角氣體取樣,保證密閉呈進出風不明顯狀態(tài),若有變化,及時調(diào)整通風壓力做到區(qū)域均壓防火。保證機巷、風巷通風斷面,特別是上、下端頭的斷面無障礙物,使采場通風系統(tǒng)穩(wěn)定、暢通,減少采場壓力變化;積極協(xié)調(diào)解決生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題,保證采面正常推進。救護隊對采煤隊全隊職工進行培訓,講解防滅火措施重要性,確保各項防滅火措施得到認真執(zhí)行。
為確保采面的順利推進,每天由礦方總工程師負責對工作面斷層分布情況進行詳細分析,制定過斷層的技術(shù)措施和生產(chǎn)措施,保障工作面的推進。每天早、夜班在工作面上下隅角各施工1次懸空密閉,封堵上下隅角,將采空區(qū)與工作面隔開,以減少采空區(qū)的漏風。通過上述措施的實施,上隅角懸空密閉內(nèi)溫度逐步下降并穩(wěn)定在28℃左右,20d后工作面防滅火效果分析采面上隅角懸空密閉內(nèi)CO濃度降低為10ppm,之后穩(wěn)定在5~10ppm之間至工作面開采結(jié)束。采面回風CO消失、外圍直通采空區(qū)密閉內(nèi)氧氣指標均控制在6%以下,保障了工作面順利回采、回撤。
(1)有效監(jiān)控采空區(qū)及相鄰區(qū)域氣體指標變化情況是采面防滅火的重要工作,有效控制發(fā)火威脅區(qū)域的氧氣濃度是防滅火工作的關鍵,采場均壓是減少采場漏風量的重點,工作面快速推進是防止煤層自然發(fā)火的必要手段。
(2)注氮氣可以惰化采空區(qū),由于注氮量有限,氮氣注入地點及方式選擇是關鍵,既要將氮氣注入關鍵地點,又要使有限的氮氣發(fā)揮作用時間最長,惰化效果最佳,以提高防滅火效果。