馬道頭煤礦8103采面采空區(qū)防滅火技術(shù)

（孝義市應(yīng)急管理局，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西同煤集團(tuán)馬道頭煤礦8103工作面位于1070水平北一盤區(qū)，工作面開采3#～5#煤層，工作面處于3#～5#合并區(qū)，煤層平均厚度為18.12m，平均傾角為3.7°，煤層上方頂板巖層為細(xì)砂巖和粗砂巖，底板巖層為泥巖、粉砂巖和中細(xì)砂巖。工作面采用綜放開采，采高為3.9m，放煤高度11.7m，采放比約為1:3，工作面采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)礦井地質(zhì)報(bào)告可知，3#～5#煤層煤自燃傾向性為Ⅱ類，自然發(fā)火期最短約為83天，由于開采煤層厚度較大，采用綜放開采會(huì)遺留大量浮煤于采空區(qū)內(nèi)，現(xiàn)為防止采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，進(jìn)行采空區(qū)防滅火技術(shù)設(shè)計(jì)。

2 采空區(qū)防滅火方案

2.1 采空區(qū)束管監(jiān)測系數(shù)

在8103工作面建立KSS200C型自燃火災(zāi)束管監(jiān)測系統(tǒng)，在回采工作面兩順槽距離開切眼不同位置處布置監(jiān)測點(diǎn)，主要監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)自燃指標(biāo)氣體，如一氧化碳（CO）、氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）、及氮?dú)猓∟2）等氣體的含量，束管監(jiān)測系統(tǒng)各個(gè)測點(diǎn)布置位置見表1。

表1 8103工作面采空區(qū)束管測點(diǎn)布置位置

在束管監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，同時(shí)補(bǔ)充人工監(jiān)測，人工觀測時(shí)主要在工作面液壓支架間的采空區(qū)后部進(jìn)行，具體人工觀測點(diǎn)布置測點(diǎn)見表2。人工測點(diǎn)主要測量CO2、CH4、O2、CO和溫度T，人工監(jiān)測一天進(jìn)行9次，每班進(jìn)行三次，每次測試時(shí)間間隔控制在3h。

表2 采空區(qū)氣體人工監(jiān)測測點(diǎn)布置位置

2.2 防滅火技術(shù)

根據(jù)8103工作面的具體特征，結(jié)合煤層的自燃等級及特點(diǎn)，確定工作面回采期間采用上下隅角端頭設(shè)封堵墻，采空區(qū)注氮及噴灑阻化劑相結(jié)合，具體采空區(qū)防滅火技術(shù)如下：

（1）上下隅角堆垛封堵墻

8103工作面回采期間，兩回采順槽端頭位置不進(jìn)行放煤作業(yè)，會(huì)致使兩順槽位置處約有14m的頂煤會(huì)遺留在采空區(qū)內(nèi)，結(jié)合采空區(qū)自燃“三帶”理論可知[1-2]，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)內(nèi)遺煤會(huì)逐漸氧化，致使氧化范圍變寬，采空區(qū)內(nèi)的氧化帶距離工作面的距離也逐漸增大，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)存在著較大的自燃危險(xiǎn)性。

基于上述分析，確定采用粉煤灰在工作面上下隅角端頭進(jìn)行堆垛設(shè)置封堵墻，在兩回采順槽內(nèi)每間隔15 m設(shè)置一道，封堵墻設(shè)置在煤幫到后溜位置處，封堵墻厚度為1.8 m。堆垛材料采用粉煤灰，構(gòu)造時(shí)在每放置一層粉煤灰袋后，即進(jìn)行一次粉煤灰固化材料的鋪灑，確保構(gòu)筑的墻體嚴(yán)密不漏風(fēng)，具體布置方式見圖1。

（2）采空區(qū)注氮

采空區(qū)注氮是工作面防滅火的一種有效手段，由于氮?dú)鉃槎栊詺怏w，其注入工作面采空區(qū)內(nèi)后，會(huì)降低采空區(qū)內(nèi)氧氣的濃度，使得氧氣的濃度處于遺煤自然發(fā)火臨界濃度以下，以此有效防止采空區(qū)內(nèi)遺煤出現(xiàn)自燃現(xiàn)象?；诒姸嗬碚撛囼?yàn)分析與工程實(shí)踐結(jié)果可知[3-4]：當(dāng)空氣中氧含量降到7%～10%時(shí)煤就不易被氧化。因此將采空區(qū)防火惰化指標(biāo)定為10%以下是合理的，并將其指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)，具體注氮防滅火原理見圖2。

圖1 工作面上下端頭封堵

圖2 注氮防滅火原理框架

①注氮量設(shè)計(jì)

為降低采空區(qū)內(nèi)氧化的濃度，針對采空區(qū)進(jìn)行注氮作業(yè)，注氮方案中主要包括注氮流量、注氮工藝及方法，具體方案如下：

根據(jù)《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》中關(guān)于注氮流量的計(jì)算方法可知，當(dāng)注氮量將采空區(qū)氧化帶內(nèi)的氧含量降低至氮?dú)夂恳韵聲r(shí)，即可認(rèn)為達(dá)到了注氮要求[5-6]，具體注氮流量的表達(dá)式為：

式中：QN為注氮流量；k為備用系數(shù)，取值范圍1.2～1.5；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量；CN為注入氮?dú)庵械牡獨(dú)鉂舛?；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，20%～10%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)。

根據(jù)8103工作面的特征，取Q0=20 mm3/min，C1=15%，C2=7%，CN=99%，K=1.3，將上述數(shù)據(jù)代入式（1）中計(jì)算得出QN=2080 Nm3/h，基于此初步將8103工作面防滅火注氮流量定為2080 Nm3/h。8103回采期間，根據(jù)相鄰開采的8105 等工作面氮?dú)夥罍缁鸾?jīng)驗(yàn)，結(jié)合8103采空區(qū)氣體成分變化情況，可隨時(shí)對注氮量進(jìn)行調(diào)整。

②注氮工藝和方法

本次采空區(qū)注氮采用預(yù)埋三管的注氮工藝。工作面回采期間將注氮管路末端埋入采空區(qū)內(nèi)，一趟注氮管路長度為40m，另一趟注氮管路長度為70m，注氮管路與煤幫平行布置，設(shè)置注氮管路步距定為50m，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；距停采線100m時(shí)，在回風(fēng)順槽布置兩趟注氮管路，進(jìn)“古塘”位置初步定為50m、90 m；運(yùn)輸順槽注氮管路進(jìn)“古塘”位置進(jìn)行逐步調(diào)整，距停采線位置分別為25m、55m、85 m。8103綜放工作面回采期間采取開放式注氮；工作面封閉后采取封閉式注氮。

（3）阻化劑噴灑

工作面回采期間采用移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)，采用Φ19高壓液管從阻化泵接設(shè)到工作面支架和放煤孔處，由于最易發(fā)生自燃的部位是工作面采空區(qū)的上、中部，所以用噴頭在上、中部出口處噴灑，采用17.25%濃度的MgCl2溶液，在工作面220m的范圍內(nèi)一共設(shè)置2組噴頭用于噴灑阻化劑，第一組位于1#～2#支架間，第二組位于36#支架處，每天檢修班期間噴灑一次，經(jīng)過計(jì)算分析，確定每次噴灑量為1478.4kg，使阻化劑通過風(fēng)流擴(kuò)散，在裸露煤體表面形成一層保護(hù)層，隔絕煤體與空氣接觸，有效減少煤體氧化速度，降低古塘溫度，提高防滅火效果。

3 防滅火效果分析

現(xiàn)為分析8103工作面采空區(qū)的防滅火技術(shù)的應(yīng)用效果，根據(jù)工作面回采期間束管監(jiān)測系統(tǒng)的長期監(jiān)測結(jié)果，現(xiàn)具體以工作面回采期間8#測點(diǎn)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷CO和O2的濃度進(jìn)行分析，濃度曲線見圖3。

圖3 工作面8#束管監(jiān)測CO和O2含量曲線

通過分析圖3可知，工作面回采期間，采空區(qū)采取有效的防滅火措施后，抑制了采空區(qū)內(nèi)遺煤的自燃氧化，隨著測點(diǎn)采空區(qū)內(nèi)埋深的逐漸增大，采空區(qū)內(nèi)部CO濃度出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，進(jìn)風(fēng)巷束管CO的濃度最大值在進(jìn)入采空區(qū)70m的位置處取得，最大值為21 ppm，回風(fēng)巷束管CO濃度最大值在進(jìn)入采空區(qū)55m的位置處取得，最大值為71 ppm，即工作面采空區(qū)內(nèi)的CO濃度最大值小于80 ppm；根據(jù)氧氣濃度曲線可知，隨著進(jìn)入采空區(qū)深度的增大，氧氣濃度逐漸減小，抑制了采空區(qū)遺煤的氧化，據(jù)此可知8103工作面防滅火技術(shù)應(yīng)用效果顯著。

4 結(jié)語

根據(jù)3#～5#煤層自燃特性及8103工作面特征，確定采空區(qū)采用上下隅角端頭設(shè)封堵墻，采空區(qū)注氮及噴灑阻化劑相結(jié)合的防滅火技術(shù)，結(jié)合工作面具體情況，進(jìn)行各項(xiàng)防滅火措施的具體設(shè)計(jì)，根據(jù)防滅火技術(shù)實(shí)施后的束管監(jiān)測結(jié)果可知，工作面防滅火技術(shù)應(yīng)用效果顯著。