9#煤和15#煤聯(lián)合開采防滅火技術(shù)研究

潘小波

（山西晉煤集團(tuán)沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

1 引言

15#煤層由于硫分高，一直是井下煤層自燃火災(zāi)的防范重點(diǎn)。目前井下常用的防滅火技術(shù)有注漿防滅火、阻化劑防滅火以及惰性氣體防滅火等。注漿防滅火技術(shù)是通過漿液隔離煤氧接觸，工藝成熟簡(jiǎn)單，但高位火點(diǎn)效果差，覆蓋不均勻，易跑漿脫漿，影響煤質(zhì)。阻化劑防滅火是通過惰化煤體表面活性結(jié)構(gòu)，阻止煤炭氧化吸熱降溫，但該技術(shù)工藝復(fù)雜，對(duì)設(shè)備有很大腐蝕性，不易長(zhǎng)期保持防滅火效果。惰性氣體防滅火技術(shù)通過注氮方式降低氧濃度，阻止煤氧復(fù)合，環(huán)境影響小，但降溫效果不佳，滅火周期長(zhǎng)，火區(qū)易復(fù)燃，且對(duì)現(xiàn)場(chǎng)密閉性要求高。因此需要對(duì)三種技術(shù)綜合應(yīng)用，保證最佳滅火效果。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是煤礦常用的防滅火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)Σ煌簩?、不同區(qū)域的煤體溫度、CO等指標(biāo)氣體濃度及環(huán)境因素進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)傳輸，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的初步處理和現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)。采用“束管監(jiān)測(cè)+綜合防滅火技術(shù)”相結(jié)合，已成為井下防滅火工作的一個(gè)重要手段。

2 現(xiàn)場(chǎng)概況

岳城煤礦為晉煤集團(tuán)下屬礦井，生產(chǎn)能力1.5Mt/a，目前正在開采9#、15#煤層。9#煤與15#煤層間距28m，工作面采空區(qū)易連通。9#煤瓦斯成分中甲烷含量占到88.78%～97.43%，全部處于甲烷帶，經(jīng)測(cè)定瓦斯含量為4.25～11.31m3/t，殘存瓦斯含量為3.72m3/t，煤層自然發(fā)火傾向性為自燃。15#煤瓦斯成份中CH4占75.05～86.25%，全部處于甲烷帶；15#煤瓦斯含量為6.71～10.91m3/t，殘存瓦斯含量為4.60m3/t，煤層自然發(fā)火傾向性為自燃。綜合以上數(shù)據(jù)可知，該礦煤層有自燃傾向，采空區(qū)和尾巷是防火重點(diǎn)。因此非常有必要開展9#煤、15#煤聯(lián)合開采防滅火技術(shù)研究，確保防患于未“燃”。

3 研究?jī)?nèi)容

確定以CO作為自然發(fā)火的氣體指標(biāo)體系，提出采用“以煤層自然發(fā)火光譜束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)為依托，9#、15#本煤層開采時(shí)以黃土封堵煤柱與采空區(qū)噴灑阻化劑為主，上覆9#采空區(qū)封閉注氮為輔”的自然發(fā)火防治總體技術(shù)方案，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

結(jié)合試驗(yàn)?zāi)M數(shù)據(jù)可知，煤樣自燃過程中共計(jì)產(chǎn)生CO、C2H4、C2H6等多種氣體，其中CO產(chǎn)生的臨界溫度為60℃，C2H4產(chǎn)生的臨界溫度為170℃，C2H6為200℃。擬采用CO作為標(biāo)志氣體，其他炔烴類氣體為輔助指標(biāo)，來(lái)預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火特征。

3.1 束管鋪設(shè)方案

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)即通過多路束管在指定區(qū)域抽采氣體，并匯總后經(jīng)氣相色譜進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)抽采氣體的定量檢測(cè)和在線預(yù)警。如圖1所示。

圖1 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)配置圖

研究項(xiàng)目涉及9#、15#兩層煤，對(duì)97306工作面、153302工作面采空區(qū)實(shí)行束管監(jiān)測(cè)。針對(duì)監(jiān)測(cè)工作面的布置特點(diǎn)，本項(xiàng)目選擇使用同一套光譜束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行布置。如圖2所示。

井下光譜分析儀安置于15#煤一五三盤區(qū)變電所，153302綜采工作面監(jiān)測(cè)束管由153103巷沿153302工作面順槽布置于采空區(qū)；9#煤97306工作面監(jiān)測(cè)束管可由9#-15#煤間通過鉆孔穿束管的形式或沿南翼傾巷實(shí)現(xiàn)9#煤采空區(qū)束管引入15#煤一五三盤區(qū)變電所，接入井下光譜分析儀，然后接入光纖通往地面監(jiān)測(cè)室，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)設(shè)備同時(shí)監(jiān)測(cè)兩層煤的效果。分析系統(tǒng)井下安裝在15#煤三盤區(qū)變電所，距153302工作面最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)1600m左右（布置一趟2000m，PE-ZkW/10×4型束管），距97306工作面最遠(yuǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2200m左右（布置一趟3000m，PE-ZkW/10×4型束管）。

圖2 光譜束管系統(tǒng)聯(lián)合布置方式

4 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

在每個(gè)工作面設(shè)置3個(gè)采樣監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)測(cè)地點(diǎn)示意圖

如圖3所示，在回風(fēng)巷距切眼150m處布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距30m，并對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用鋼管保護(hù)，待進(jìn)入采空區(qū)后采用三通將探頭與底板保持在1m距離。其測(cè)點(diǎn)的保護(hù)方式如圖4所示。

圖4 保護(hù)套管測(cè)點(diǎn)處設(shè)置圖

當(dāng)1#采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)15m后，即開始進(jìn)行持續(xù)束管監(jiān)測(cè)。當(dāng)工作面推過2#點(diǎn)約20m時(shí)，如1#點(diǎn)氧氣濃度已低于5%，則斷開，如仍大于5%，則應(yīng)繼續(xù)使用直至氧氣濃度低于5%?；?#監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)15m后，再斷開1#點(diǎn)，然后重新布點(diǎn)，依次循環(huán)，直至工作面推采至距離停采線30m前都采用此種方式布置。

5 聯(lián)合防滅火

5.1 煤柱遺煤封堵

鑒于9#、15#煤形成的獨(dú)特的遺煤方式，采空區(qū)遺煤自燃的防火重點(diǎn)在于9#煤煤柱遺煤在二次受力垮落過程中封堵及15#煤本層開采時(shí)煤柱遺煤破碎自燃。研究中擬采用黃泥封堵，即在9#、15#煤開采過程中在工作面后方沿煤柱堆鋪黃泥，與采空區(qū)內(nèi)噴灑阻化劑相結(jié)合。當(dāng)煤柱破碎后與黃土融合，特別是當(dāng)15#煤采過，9#煤煤柱下行垮落時(shí)會(huì)隨同黃土一起下沉15#采空區(qū)，這樣就會(huì)在9#煤柱周圍形成黃土包裹，阻隔氧氣，達(dá)到防火目的。如圖5所示。

圖5 工作面煤柱幫背黃土示意圖

5.2 采空區(qū)汽霧阻化

汽霧阻化是對(duì)液態(tài)阻化劑進(jìn)行加壓霧化，使霧化的阻化劑最大面積的覆蓋到采空區(qū)的漏風(fēng)面，從而隔絕空氣達(dá)到滅火的目的。如圖6所示。

圖6 工作面噴灑阻化劑工藝示意圖

如圖6，將阻化劑儲(chǔ)液箱和阻化泵安裝在進(jìn)風(fēng)巷，通過管路與采空區(qū)的霧化器相連，霧化器噴頭安裝自動(dòng)過濾裝置防止煤塵堵塞噴孔。首先對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行風(fēng)阻測(cè)定，根據(jù)漏風(fēng)量和漏風(fēng)方向確定霧化器引射風(fēng)量，然后將阻化泵壓力調(diào)制2.5MPa左右，產(chǎn)生的阻化汽霧經(jīng)自然風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)，達(dá)到滅火的目的。

5.3 采空區(qū)封閉注氮

該項(xiàng)目采用封閉注氮，即當(dāng)9#煤工作面開采結(jié)束后，構(gòu)筑防火密閉封閉采空區(qū)，預(yù)留觀窗孔和注氮孔，并敷設(shè)注氮管路，向采空區(qū)進(jìn)行注氮。注氮量要根據(jù)防滅火惰化指標(biāo)、15#煤開采時(shí)上隅角空氣質(zhì)量共同確定。

6 效果分析

本項(xiàng)目2017年4月開始在岳城礦南回風(fēng)大巷進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)1#、2#兩個(gè)束管系統(tǒng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的CO濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了整理分析（3#數(shù)據(jù)為0，不參與分析），得曲線如圖7所示。

圖7 采空區(qū)CO濃度變化曲線圖

由圖7可知，采用煤柱遺煤封堵、汽霧阻化和封閉注氮綜合防滅火工藝后，采空區(qū)CO濃度開始上升。這是由于噴灑阻化劑和注入氮?dú)夂?，CO的體積空間縮小，造成單位區(qū)域內(nèi)濃度瞬時(shí)增加，隨著時(shí)間增加CO逐漸排出，曲線變緩。經(jīng)過一個(gè)月的試驗(yàn)，采空區(qū)內(nèi)1#測(cè)點(diǎn)CO濃度由1185×10-6變成181×10-6，2#測(cè)點(diǎn)CO濃度由833×10-6降至0，說明該工藝能夠有效降低采空區(qū)CO濃度并長(zhǎng)時(shí)間保持采空區(qū)密閉。

7 結(jié)論

（1）CO產(chǎn)生的臨界溫度值為60℃，可作為自然發(fā)火的標(biāo)志氣體；C2H4產(chǎn)生的臨界溫度為170℃，C3H6為200℃，可采用炔烴類氣體作為輔助指標(biāo)，來(lái)預(yù)測(cè)煤自然發(fā)火特征。

（2）提出采用“以煤層自然發(fā)火光譜束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)為依托，9#、15#本煤層開采時(shí)以黃土封堵煤柱與采空區(qū)噴灑阻化劑為主，上覆9#采空區(qū)封閉注氮為輔”的綜合防滅火措施。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，采空區(qū)內(nèi)CO濃度能夠顯著降低并保持在200×10-6以下，滿足礦井防滅火的相關(guān)要求。