綜合防滅火技術(shù)在15101綜放工作面的應(yīng)用

溫衍強

(太原東山五龍煤業(yè)有限公司,太原 030043)

礦井火災(zāi)為煤礦“五大”災(zāi)害之一,煤層自燃引起的礦井火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%。近年來,綜采放頂煤開采技術(shù)因其生產(chǎn)效率高、經(jīng)濟實用而在厚煤層中被廣泛推廣應(yīng)用,但也存在許多缺點,如果管理不善,會出現(xiàn)采空區(qū)遺煤較多、回采率較低、漏風(fēng)嚴重等問題,使得煤層自燃火災(zāi)頻發(fā),從而導(dǎo)致人身安全受傷害,煤炭資源浪費,設(shè)備損失,造成巨大的經(jīng)濟浪費。如2013年3月29日,吉林八寶煤礦4146工作面采空區(qū)煤層自燃造成瓦斯爆炸事故,死亡17人,8人受傷,直接經(jīng)濟損失1 986.5萬元;太原東山煤礦有限責(zé)任公司在2016年71504工作面開采過程中,因煤層自燃發(fā)火將全部綜采設(shè)備封閉于工作面,造成了巨大的經(jīng)濟損失和資源浪費[1-3]。

太原東山五龍煤業(yè)有限公司(以下簡稱五龍煤業(yè))15101綜放工作面采取綜合防滅火技術(shù),保證了工作面正常開采,特別是工作面停產(chǎn)一個月,CO含量穩(wěn)定,無明顯增高,確保了工作面正常接續(xù)開采,對易自燃煤層綜放開采防滅火工作提供了借鑒。

1 15101綜放工作面項目概況

五龍煤業(yè)為兼并重組礦井,井田位于沁水煤田西北隅,太原東山礦區(qū)西南,礦井設(shè)計生產(chǎn)能力90萬t/a,現(xiàn)處于正常生產(chǎn)礦井。公司首采面為15101工作面,布置在15號煤層,采用綜采放頂煤工藝開采。

五龍煤業(yè)15101綜采工作面埋深約370 m～430 m,煤層傾角6°～20°,變化幅度較大,通風(fēng)采用“一進一回”U型方式。工作面傾斜長度(切眼)為150 m,走向長度(順槽)610 m,開采區(qū)域煤層厚度為6.5 m～7.5 m,平均厚度為7.02 m,工作面采用綜采放頂煤開采,全部垮落法管理頂板。

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心《山西省煤礦礦井瓦斯等級鑒定報告(2019年度)》太原東山五龍煤業(yè)有限公司礦井絕對瓦斯涌出量為1.43 m3/min,相對瓦斯涌出量為0.81 m3/t;井下回采工作面絕對瓦斯涌出量最大為0.58 m3/min；礦井屬低瓦斯礦井。15號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級,自燃傾向性性質(zhì)為自燃，最短發(fā)火期為81 d[4-5]。

五龍煤業(yè)井下采用采空區(qū)灌漿、噴灑阻化劑、采空區(qū)注氮等綜合防滅火措施。在回風(fēng)立井工業(yè)場地新建一座黃泥灌漿站,站內(nèi)安設(shè)MYZ-30/60型灌漿注膠防滅火系統(tǒng),灌漿管路采用Φ108 mm×4 mm的無縫鋼管,輔設(shè)至距離上隅角15 m處，然后對接Φ108 mm×4 mm的高壓膠管，埋入采空區(qū)6 m處，為全礦灌漿服務(wù),灌漿方法隨采隨灌。在采煤工作面回風(fēng)順槽放置阻化劑噴灑設(shè)備,選用WJ-24型噴射泵,管材為Φ50.8 mm的普通鋼管及Φ38.1 mm的膠管,對工作面進行阻化劑噴灑作業(yè)。地面工業(yè)場地建設(shè)注氮車間,安裝DM-1000/10L型煤礦用移動式膜分離制氮裝置,從主井鋪設(shè)Φ108 mm×4 mm的無縫鋼管至采煤工作面,對井下采煤工作面進行注氮作業(yè)。礦井采用JSG8井下自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng),對井下綜采工作面進行采樣監(jiān)測分析,主管路采用8 mm×8 mm芯束管,自束管實驗室沿主斜井至回風(fēng)下山進行鋪設(shè),支管路采用8 mm×4 mm芯束管,通過井下分路箱與主管路連接，沿綜采工作面回風(fēng)順槽鋪設(shè)至工作面。束管均使用Φ50 mm無縫鋼管進行保護,在綜采工作面布置5個測點,抽出的氣體通過氣體采樣控制柜進入氣象色譜儀進行分析,分析數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)工作站進行處理。

礦井設(shè)有KJ160N安全監(jiān)控系統(tǒng),地面有中心控制站(設(shè)在調(diào)度監(jiān)控中心),系統(tǒng)采用雙電源供電?，F(xiàn)設(shè)有12臺監(jiān)控分站,地面主要通風(fēng)機風(fēng)機房安設(shè)1臺監(jiān)控分站;該系統(tǒng)可對礦井瓦斯、風(fēng)速、CO、負壓、溫度、主通風(fēng)機、局部通風(fēng)機開停、風(fēng)門開關(guān)狀態(tài)等井下環(huán)境參數(shù)及設(shè)備開關(guān)狀態(tài)進行監(jiān)測[6]。

15101綜采面在正常開采時,初期配風(fēng)1 220 m3/min,推進260 m后,檢測到工作面回風(fēng)上隅角CO體積分數(shù)升到(16～22)×10-6,上隅角往下5架支架后尾部CO體積分數(shù)為(10～18)×10-6,在上級檢查時,要求工作面停產(chǎn)整頓一個月。

2 CO濃度增高的原因

1)15101工作面回采后采空區(qū)、上下隅角遺留的浮煤較多,這些遺煤在長時間漏風(fēng)條件下低溫氧化,產(chǎn)生大量CO。

2)15101工作面在瓦斯治理上采取了加大供風(fēng)量方式,工作面配風(fēng)為1 220 m3/min,造成采空區(qū)漏風(fēng)嚴重,從而擴大了采空區(qū)氧化帶范圍,導(dǎo)致采空區(qū)浮煤氧化產(chǎn)生CO。

3)15101工作面在聯(lián)合試運轉(zhuǎn)及初采期間,主要以設(shè)備調(diào)試為主,工作面推進為輔,生產(chǎn)速度相對緩慢,延長了采空區(qū)氧化帶存在的時間,造成了氧化帶熱量聚集,導(dǎo)致采空區(qū)浮煤達到自燃發(fā)火溫度而氧化產(chǎn)生CO。

3 綜放工作面瓦斯治理與防滅火之間的關(guān)系

綜放工作面所采煤層有自燃發(fā)火性且瓦斯涌出量增大時,治理瓦斯與防滅火之間存在矛與盾的關(guān)系,在治理瓦斯超限時通常手段是采取加大工作面風(fēng)量。但是增加工作面風(fēng)量的同時,采空區(qū)漏風(fēng)也會相應(yīng)增加,從而會增加采空區(qū)自燃發(fā)火的概率。因此在治理工作面瓦斯與防滅火工作時要找到兩者之間的平衡關(guān)系[7]。

1)采空區(qū)漏風(fēng)是煤層自燃發(fā)火的重要因素,因此在減少采空區(qū)漏風(fēng)的同時也要保證工作面風(fēng)量充足，以此來排出工作面瓦斯。在實際生產(chǎn)中調(diào)整風(fēng)量時,也要注重束管系統(tǒng)正常使用，加強束管監(jiān)測,查看CO數(shù)據(jù)變化情況,在綜放面供風(fēng)量與CO涌出濃度之間尋找平衡點,使風(fēng)量達到最大時,CO濃度不會升高。

2)在瓦斯治理與防滅火之間尋找側(cè)重點。假如綜放工作面CO濃度升高有自燃發(fā)火跡象時,首先要考慮的是如何加強工作面防滅火。如瓦斯治理技術(shù)手段與防滅火治理相互沖突,則可以相應(yīng)減少一些技術(shù)手段,保證工作面瓦斯不超限。

3)治理瓦斯與防滅火可以同時使用的措施[6-7]:

①在治理瓦斯超限時,增加工作面風(fēng)量,但是需將工作面上下隅角進行封閉，以此減少采空區(qū)漏風(fēng)。

②在軌道順槽超前綜放面40 m打鉆瓦斯釋放孔,成孔后利用壓縮空氣對孔內(nèi)進行沖刷,以此來排出煤層賦存的游離狀態(tài)的瓦斯。

③利用風(fēng)水噴霧裝置排出上隅角積存的瓦斯。且用風(fēng)水噴霧裝置噴出的水霧也有利于上隅角降溫，從而降低煤層自燃發(fā)火的可能性。

④在采用注氮防滅火技術(shù)時,會對上隅角瓦斯治理產(chǎn)生一定的影響。在氮氣注入采空區(qū)時,采空區(qū)瓦斯會相應(yīng)的由上隅角涌出,從而造成上隅角瓦斯超限,因此在利用注氮防滅火的同時要考慮風(fēng)排瓦斯能力。

⑤如果工作面防滅火情況較為嚴重,且工作面瓦斯涌出量較大時,可以采用井下移動瓦斯抽放泵站,利用上隅角埋管的方法抽采上隅角積存的瓦斯,以此來保證綜放面防滅火措施順利實施,也保證了工作面瓦斯不發(fā)生超限現(xiàn)象。

⑥采用注漿與噴灑阻化劑防滅火。在利用其他方法進行防滅火工作對瓦斯治理造成一定影響時,采取該方法對工作面瓦斯治理不會造成任何影響。

⑦在煤層有自燃發(fā)火性時,必須加強瓦斯治理工作。如瓦斯超限會導(dǎo)致瓦斯爆炸或者瓦斯燃燒現(xiàn)象,也可能引燃煤層,導(dǎo)致煤層自燃,因此要將瓦斯治理與防滅火同時進行且要相輔相成。

4 15101綜放工作面綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用

4.1 第一階段

1)15101綜采面防滅火管理作為全礦井安全工作重點,成立以總工程師為組長的防滅火管理機構(gòu),調(diào)度中心和通風(fēng)部設(shè)專人負責(zé),出現(xiàn)異常情況及時向礦調(diào)度中心和總工程師匯報。

在15101綜采面回采期間,嚴格執(zhí)行瓦斯檢查制度,每日3班,每班需認真記錄綜采面的CO濃度、CO2濃度、CH4濃度、空氣溫度等,且要作為當班領(lǐng)導(dǎo)檢查的重點,同時要將15101綜采面自燃發(fā)火束管監(jiān)測預(yù)測預(yù)報表報通風(fēng)部領(lǐng)導(dǎo)和總工程師審閱[8]。

2)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng),合理調(diào)配工作面風(fēng)量。當檢測到工作面CO濃度升高后,為了及時控制采空區(qū)浮煤的進一步氧化,減少采空區(qū)漏風(fēng)量,需根據(jù)工作面瓦斯的涌出濃度、風(fēng)速大小、溫度及最大工作面人數(shù)等綜合因素,將工作面風(fēng)量調(diào)整到860 m3/min[9]。

3)加強束管監(jiān)測系統(tǒng)使用,每日進行束管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,安排瓦斯員每日巡查束管管路是否漏氣,加強人工采樣化驗上隅角氣體濃度,每天早班、夜班進行采樣,化驗結(jié)果報通風(fēng)調(diào)度留存。對于正在回采的活動工作面,通常情況下工作面布置5處束管測點,主要測點布置見圖1。

圖1 15101綜采面束管監(jiān)測點布置示意圖

采空區(qū)的氣體成份采用埋管測定法。在采空區(qū)設(shè)置3個等距回順側(cè)監(jiān)測點,采用Φ50.8 mm鍍鋅管作為預(yù)埋管,在鍍鋅水管中穿入3根Φ8 mm不同標記的束管。采樣點分別分布在90 m、60 m及30 m處(可根據(jù)實際情況更改距離),每根束管負責(zé)一個測點的氣樣。為了防止積水堵塞束管,可將每個測氣點抬高1.5 m同時用束管連接,每個測氣點的頭部采用帶孔花管加濾塵器或濾塵材料填充,在立管最上方,加工制作防水帽,避免采空區(qū)頂部的水淌下從濾塵器進入束管管路[9]。采空區(qū)束管測點隨著工作面回采而推進,每90 m需要更新一次保護管路和采氣點,已經(jīng)使用的監(jiān)測管路不回收[10]。

4)加強工作面瓦斯監(jiān)控管理。在15101綜采面上隅角、回風(fēng)順槽距工作面5 m～10 m范圍內(nèi)及回采面靠近回風(fēng)大巷10 m～15 m范圍內(nèi)應(yīng)另行設(shè)置CH4傳感器;在距15101綜采面靠近回風(fēng)大巷10 m～15 m范圍內(nèi)需另行設(shè)置CO、O2、溫度、風(fēng)速等傳感器,監(jiān)測設(shè)備布置見圖2。

圖2 15101綜采面監(jiān)測設(shè)備布置示意圖

采用專用吊架將傳感器吊掛在頂板上,一般距幫<200 mm,距頂≤300 mm范圍內(nèi),不影響行人和行車,且應(yīng)安裝維護方便。CO傳感器報警體積分數(shù)≥24×10-6,溫度傳感器報警溫度≥26℃,O2傳感器報警濃度<18%[11]。

5)嚴格回收率考核。綜采隊放頂煤時要將頂煤放干凈,以放出1/3矸石為準,每班回采結(jié)束時要對工作面、支架間進行浮煤清理。

6)每班安排噴灑阻化劑(阻化劑用氯化鎂或氯化鈣水配比成飽和溶液),噴灑地點為上下隅角、工作面支架之間、后溜槽、支架與運輸機之間。上隅角要多噴多灑;對回風(fēng)巷巷幫及前、后溜子機尾向機頭方向50 m范圍進行噴灑,以降低巷幫煤體溫度,并對巷幫浮煤進行浸溫處理[12]。 阻化劑的使用量按照下式計算:

(1)

式中:ρ為阻化劑溶液濃度,%;C為阻化劑溶液量,kg;T為阻化劑用量,kg。

設(shè)計確定本礦阻化劑溶液的濃度為10%,經(jīng)統(tǒng)計,15101綜放工作面順槽巷道噴灑阻化劑溶液量為2 160 kg,則順槽巷道噴灑所需阻化劑用量為216 kg。

7)上下兩隅角頂板未完全垮落存在懸頂時,在上下隅角每隔6 m砌筑一道袋墻,袋墻必須進行雙層砌筑,上下隅角封堵前用高壓水槍對采空區(qū)遺煤進行灑水降溫處理;每班回柱,必須將上下隅角處錨索、錨桿退出,以確保頂板垮落,減少懸頂存在,減少采空區(qū)漏風(fēng)[13]。工作面端頭封堵示意圖見圖3。

圖3 工作面端頭封堵示意圖

8)綜采工作面上、下隅角設(shè)置導(dǎo)風(fēng)簾標準。上隅角導(dǎo)風(fēng)簾沿15101綜采面傾斜向上掛設(shè),尺寸為1.8 m×8 m,距切頂線與煤柱各留設(shè)0.5 m的距離。為了減少采空區(qū)漏風(fēng),下隅角導(dǎo)風(fēng)簾的一端緊貼巷幫,另一端緊貼液壓支架后側(cè),尺寸為1.8 m×14 m[14]。

綜采隊上、下隅角工作人員按標準要求掛設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾,由當班安檢員、瓦檢員進行監(jiān)督和指導(dǎo)。當割煤、移架接近導(dǎo)風(fēng)簾時需取掉導(dǎo)風(fēng)簾,移動刮板機時也需隨同移設(shè)導(dǎo)風(fēng)簾,而其他工序均要保持導(dǎo)風(fēng)簾掛設(shè)使用,以沖淡和稀釋上隅角CO濃度。15101綜采面上、下隅角掛設(shè)的導(dǎo)風(fēng)簾用膠質(zhì)阻燃風(fēng)筒制作。15101綜采面導(dǎo)風(fēng)風(fēng)障掛設(shè)示意圖見圖4。

圖4 15101綜采面導(dǎo)風(fēng)風(fēng)障掛設(shè)示意圖

9)為減少采空區(qū)漏風(fēng),增加嚴密性,在檢修班上需對工作面采空區(qū)進行一次黃泥灌漿。這樣黃泥可以充填浮煤和頂板冒落矸石之間的縫隙,將浮煤與采空區(qū)氧氣隔絕,同時,黃泥灌漿還可以冷卻氧化發(fā)熱的煤炭,起到散熱作用。15101工作面采用上隅角埋管灌漿方法,當注漿管埋入采空區(qū)約10 m后開始注漿,當注漿管埋入采空區(qū)60 m后停止注漿,并在工作面回風(fēng)隅角處截斷注漿管,依次循環(huán)。管路埋入采空區(qū)不回收,重點對采空區(qū)集中灌注。

根據(jù)泥漿的輸送距離,煤層傾角,灌漿方式及灌漿材料和季節(jié)等因素通過試驗確定灌漿泥水配比,參照陽煤集團經(jīng)驗,一般情況下為1:5,冬季時為1:6[15]。

灌漿材料的顆粒一般小于2 mm,且細小顆粒(粘土≤0.005 mm者應(yīng)占60%～70%)要占大部分,其密度為2.4 t/m3～2.8 t/m3,容易脫水并具有一定的穩(wěn)定性,不含有可燃物。灌漿工作與回采工作緊密配合進行。設(shè)計灌漿為三班灌漿,每天純灌漿時間為10 h,若礦井自燃發(fā)火嚴重,所需灌漿的工作面較多,宜采用四班灌漿,每天灌漿時間為15 h。經(jīng)測算,15101工作面采用上隅角埋管灌漿方法,每日三班灌漿,則灌漿量為597.5 m3/d。

10)在檢修班上對工作面采空區(qū)進行注氮一次。注氮防滅火技術(shù)是防治采空區(qū)礦井自燃火災(zāi)行之有效的技術(shù)措施。注入氮氣可排除采空區(qū)氧氣,從而使浮煤缺氧惰化,且注入氮氣后采空區(qū)處于正壓狀態(tài),阻止了新鮮空氣的進入,可以保持采空區(qū)的惰化度。此外,氮氣在管路中帶壓輸送,在注氮口氮氣膨脹吸熱,可以吸收部分煤炭氧化產(chǎn)生的熱量。15101工作面采空區(qū)采用兩順槽上下隅角埋管方式進行注氮,在工作面膠帶順槽和軌道順槽各埋設(shè)注氮管1套。

當釋放口埋入采空區(qū)10 m后開始注氮,當注氮口埋入采空區(qū)60 m后停止注氮[16]。

4.2 第二階段

工作面正常推進260 m后,在檢查過程中發(fā)現(xiàn)一些不滿足要求的情況,工作面需停產(chǎn)整頓一個月。為保證15101工作面回采停采期安全,防治煤層自燃發(fā)火事故,五龍煤業(yè)采取以下技術(shù)措施完善了綜合防滅火措施,保證了工作面的正常生產(chǎn)。

1)在工作面前10 m內(nèi)埋設(shè)了10 t干冰,利用干冰吸收采空區(qū)內(nèi)熱量,降低采空區(qū)內(nèi)溫度,延緩煤炭氧化聚熱。

2)將上下隅角閉墻改為密集布置,不留間距,杜絕上下隅角出現(xiàn)空區(qū),并用阻燃帆布覆蓋袋墻,帆布邊角向袋墻內(nèi)壓實,減少向采空區(qū)漏風(fēng)。

3)加大阻化劑噴灑次數(shù)和噴灑量。每班全工作面噴灑兩次,噴灑量翻倍。

4)降低工作面配風(fēng)量。工作面停產(chǎn)后,調(diào)整工作面風(fēng)量為660 m3/min。

5)加大煤層注水。加大對工作面兩巷噴霧灑水,降低煤體表面溫度,在回風(fēng)上隅角加設(shè)風(fēng)水射流器,噴射出的風(fēng)霧稀釋帶走氣體,同時降低上隅角溫度。

6)每日24 h連續(xù)向采空區(qū)進行黃泥灌漿工作。

7)每班連續(xù)對采空區(qū)注氮。

5 結(jié)束語

太原東山五龍煤業(yè)有限公司15101綜放工作面在聯(lián)合試運轉(zhuǎn)及初采期間,由于生產(chǎn)管理不善,長時間停工,導(dǎo)致綜放工作面采空區(qū)CO濃度升高,公司通風(fēng)部及調(diào)度中心根據(jù)實際情況,制定了專項綜合防滅火方案,采取了合理調(diào)整工作面配風(fēng)、黃泥灌漿、注氮及埋設(shè)干冰、砌筑袋墻等專項安全技術(shù)措施,同時配合束管和瓦斯連續(xù)監(jiān)控,加強管理,嚴格考核。15101綜放工作面在第1階段采取治理措施后保持了CO含量的穩(wěn)定,保證了工作面正常生產(chǎn)。在第2階段采取了24 h連續(xù)黃泥灌漿以及注氮等綜合措施后,保證了停產(chǎn)一個月后工作面CO含量穩(wěn)定,CO體積分數(shù)為(8～15)×10-6,沒有發(fā)現(xiàn)明顯升高現(xiàn)象,現(xiàn)工作面恢復(fù)生產(chǎn)正常推進,實現(xiàn)了15101綜放工作面安全生產(chǎn)。

采取第一、二階段綜合防滅火措施后,確保了15101綜放工作面正常生產(chǎn),特別是停產(chǎn)一個月安全無事故,實現(xiàn)了礦井聯(lián)合試運轉(zhuǎn)的安全運營,為五龍煤業(yè)今后正式投產(chǎn)及其他類似礦井提供了借鑒。