綜采工作面過斷層期間自然發(fā)火防治技術(shù)研究

馬莉萍

（1.河南理工大學(xué)安全學(xué)院，河南 焦作 454000；

2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦，河南 平頂山 467000）

平煤股份二礦庚20 煤層為深部高硫突出煤層，開采深度已達(dá)800 m，煤層含硫高（3.60%～6.52%），庚組煤層賦存的正、逆斷層等地質(zhì)構(gòu)造較多，這些因素的綜合疊加，使得庚組煤層開采過程中面臨的內(nèi)因火災(zāi)防治壓力較大，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。研究庚20 煤層工作面過斷層期間采空區(qū)自然發(fā)火防治技術(shù)，對預(yù)防采煤工作面自然發(fā)火、提高礦井安全保障能力具有重要意義。

1 工程概況

平煤股份二礦目前主要開采己15、16 和 庚20煤層。庚20 煤層厚0.26～3.9 m，平均厚度1.52 m，屬較穩(wěn)定大部分可采煤層。煤質(zhì)屬于低～中灰，特高硫、高揮發(fā)分、特高發(fā)熱量的肥煤，但有機(jī)硫含量高，洗選脫硫效果不佳，利用上受限制。庚20 煤層的自然發(fā)火期為3～6 個(gè)月，屬自然發(fā)火煤層，煤層煤塵爆炸指數(shù)20.93%～28.23%，有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

2 技術(shù)方案

當(dāng)工作面遇到斷層時(shí)，工作面的推進(jìn)速度會變慢，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的浮煤有較長時(shí)間氧化升溫，升溫時(shí)間超過煤的自然發(fā)火期后，采空區(qū)浮煤就會自燃。由于從工作面向采空區(qū)深部注防火材料難度較高，尤其難以使防火材料控制采空區(qū)中部浮煤氧化自燃，因此，為了防止過斷層時(shí)采空區(qū)自燃，除了采取正?；夭蓵r(shí)的自燃預(yù)防技術(shù)外，還需在遇到斷層前提前對氧化帶內(nèi)庚19 煤中部、庚20 斷層區(qū)域的煤體采取防火措施，從而使得浮煤進(jìn)入氧化帶后氧化速度降低，預(yù)防采空區(qū)自燃。

3 庚20 工作面正?；夭蓵r(shí)采空區(qū)自燃預(yù)防技術(shù)

3.1 采空區(qū)堵漏風(fēng)技術(shù)

在工作面推進(jìn)初期，兩巷被甩入采空區(qū)后部時(shí)，由于無老頂來壓，采空區(qū)后部漏風(fēng)空間非常大，尤其是距開切眼0～20 m 范圍內(nèi)，兩巷漏風(fēng)通道可能直達(dá)開切眼，加之開切眼形成后處于風(fēng)流的氧化時(shí)間比較長，氧化條件好，因此當(dāng)工作面形成后，必須先對開切眼進(jìn)行阻化處理，推進(jìn)一定的距離后，再進(jìn)行兩巷的充填與堵漏[1]。以庚20-23190 工作面為例，隨著工作面的回采，在上下順槽堆砌堵漏墻，堵漏墻可用袋子裝填沙土進(jìn)行堆砌，袋子之間用沙土充填。每間隔5 m 堆砌一座，厚度0.6 m，寬度為巷道寬度，從而增加采空區(qū)后部漏風(fēng)風(fēng)阻。

3.2 噴灑阻化劑防滅火

選用在水中有較高的溶解度、來源廣泛、經(jīng)濟(jì)成本低的MgCl2或者Na2CO3，作為注入高硫煤體用的阻化劑。噴灑阻化液所用的攪拌水箱放在工作面進(jìn)風(fēng)巷適當(dāng)位置,從工作面上隅角到下隅角接一趟8′高壓軟管，每隔12 m 留一個(gè)三通（帶閥門），并將高壓管吊掛在工作面液壓支架支柱上，高壓管隨工作面推進(jìn)前移。工作面支架每推進(jìn)一排，對工作面采空區(qū)側(cè)浮煤進(jìn)行一次全斷面噴灑阻化液，根據(jù)現(xiàn)場情況可以調(diào)整工作面噴灑次數(shù)。阻化劑溶液的濃度要保持在20%左右，以達(dá)到最佳防滅火效果.

3.3 注惰防滅火

結(jié)合平煤二礦的實(shí)際情況，進(jìn)行間歇性注氮。根據(jù)庚20 煤層自然發(fā)火特點(diǎn)，在下述條件下注氮：一是當(dāng)工作面上隅角一氧化碳含量遞增達(dá)到24 ppm時(shí)，或者含量波動，但最高達(dá)到30 ppm 時(shí)，要立即注氮防火；二是未達(dá)到合理防火推進(jìn)度時(shí)，即工作面旬推進(jìn)度＜15 m，必須及時(shí)注氮；三是工作面45 ℃≤采空區(qū)溫度＜70 ℃，或40 ℃≤上隅角溫度＜45 ℃時(shí)，必須及時(shí)注氮；四是在撤架時(shí)，當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達(dá)到發(fā)火期，必須及時(shí)注氮防火；五是巷道高溫煤炭進(jìn)入到采空區(qū)時(shí)，必須立即注氮[2-3]。

根據(jù)實(shí)際情況，庚20 煤23190 工作面回采過程中采煤工作面風(fēng)量為1900～2000 m3/min，在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面40 m、45 m、50 m 處分別設(shè)置注氮口進(jìn)行模擬。氮?dú)獬隹诰o貼底板和煤壁，注氮量采用該面注氮流量15 m3/min。當(dāng)風(fēng)量為2000 m3/min、注氮口為40 m 和45 m 時(shí)注氮效果較好，注氮口為50 m 時(shí)注氮效果較差。考慮到注氮口為40 m 時(shí)可以較好地使回風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度變窄，且回風(fēng)側(cè)氧化區(qū)域溫度較高和回風(fēng)側(cè)有高位鉆孔抽放，選用注氮口為進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面40 m。

4 遇到斷層前庚組煤層自燃防火技術(shù)

4.1 遇斷層前19 煤中部預(yù)注阻化液抑制煤自燃

4.1.1 預(yù)注阻化液區(qū)域選擇

由于庚19 煤距離庚20 有一定的距離，觀測數(shù)據(jù)顯示，庚19 煤氧化帶寬度小于庚20 氧化帶寬度。為了防止過斷層時(shí)采空區(qū)發(fā)生自燃，庚19 煤預(yù)注液區(qū)域按照庚20 氧化帶寬度進(jìn)行預(yù)注，即過斷層前，庚19煤按照圖1 所示的預(yù)注阻化液范圍進(jìn)行預(yù)注。

圖1 遇到斷層前19 煤預(yù)注阻化液區(qū)域

4.1.2 鉆孔布置及技術(shù)參數(shù)

庚19 煤在傾向上被劃分成三個(gè)區(qū)域：A 區(qū)為利用回風(fēng)側(cè)的高位抽放鉆孔進(jìn)行提前預(yù)注阻化液，有4 個(gè)鉆孔，鉆孔參數(shù)同前；在遇到斷層前，在進(jìn)風(fēng)側(cè)打高位抽放鉆孔對C 區(qū)進(jìn)行預(yù)注阻化液，其鉆孔參數(shù)與A 區(qū)對稱；對于B 區(qū)，共有12 個(gè)鉆孔，其中1#～6#鉆孔從回風(fēng)側(cè)打鉆，7#～12#鉆孔從進(jìn)風(fēng)側(cè)打鉆。根據(jù)需要預(yù)注阻化液的區(qū)域大小選取鉆孔的組數(shù)，其詳細(xì)參數(shù)如圖2 所示，其影響半徑為5 m。為了避免鉆孔偏差相互影響，每次打鉆起點(diǎn)都向遠(yuǎn)離工作面方向運(yùn)移1 m。從中可以看出，鉆孔最深85.5 m，工作面較大，根據(jù)現(xiàn)場預(yù)注效果，可以調(diào)整鉆孔組數(shù)，從而減少工作量。

4.1.3 注液工藝及時(shí)間

為了在進(jìn)回風(fēng)側(cè)同時(shí)進(jìn)行預(yù)注阻化液，需要在進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷分別制作一套注液系統(tǒng)，且加工一個(gè)多通，每個(gè)鉆孔上安裝閥門，根據(jù)需要選擇部分或全部鉆孔進(jìn)行注液。在提前預(yù)注阻化液時(shí)，如果發(fā)現(xiàn)鉆孔或周圍有阻化液滲出，先暫停注液，等恢復(fù)正常后繼續(xù)注阻化液。

當(dāng)鉆孔終孔到達(dá)采空區(qū)后，由于浮煤冒落后變得松散，使得注液量增加，且多余的阻化液會從采空區(qū)流向工作面，從而難以起到作用，因此，發(fā)現(xiàn)有阻化液流出采空區(qū)時(shí)應(yīng)該立刻停止對應(yīng)鉆孔的注液。

圖2 19 煤中部鉆孔參數(shù)布置示意圖

4.2 遇斷層前庚20 短孔預(yù)注阻化液抑制煤自燃

當(dāng)工作面過斷層時(shí)，一方面工作面推進(jìn)速度變得很慢，另一方面斷層區(qū)域丟入采空區(qū)的浮煤較多，利用噴灑阻化液工藝對斷層區(qū)域的浮煤進(jìn)行惰化效果較差。為了對較厚浮煤進(jìn)行惰化，采用短孔注入技術(shù)對庚20 工作面斷層區(qū)域的煤體進(jìn)行預(yù)注阻化液。短孔預(yù)注阻化液技術(shù)原理：在煤體開采前，利用煤層高壓注水工藝將阻化液注入煤體，一定時(shí)間后，阻化液逐步浸入煤的層理、節(jié)理、裂隙和孔隙中。當(dāng)煤體被開采后，破碎的煤體與外界空氣的接觸面上會存在一層阻化液膜，可以起到阻止煤與氧接觸，達(dá)到防止氧化自燃的作用[4]。該方法與向空區(qū)內(nèi)的浮煤噴灑或灌注阻化物相比較，阻化效率高，阻化時(shí)間長，能夠更好地防治采空區(qū)浮煤自燃。

4.2.1 鉆孔布置及施工

工作面注液孔的總數(shù)設(shè)計(jì)為42個(gè)，鉆孔高1.5 m，孔徑42 mm，孔深大約6 m，孔間距4 m。為了節(jié)省時(shí)間和成本，根據(jù)斷層影響范圍進(jìn)行打孔預(yù)注阻化液，工作面兩個(gè)端頭0～10 m 范圍內(nèi)不打孔注液，以減少工作面兩端煤壁片幫的可能性。

4.2.2 注液時(shí)間及系統(tǒng)

封孔采用橡膠快速封孔器封孔，如圖3 所示。工作面鉆孔共分3 組，每14 個(gè)鉆孔為一組，1～14#鉆孔為第一組，15～28#鉆孔為第二組，29～42#鉆孔為第三組，采用BRW-200/31.5 乳化液泵注液。在檢修班一部煤電鉆機(jī)1 個(gè)組打注液孔，保證每個(gè)注液孔凈注液時(shí)間不低于35 min。

圖3 封孔器

4.3 遇斷層前阻化液霧化抑制采空區(qū)浮煤自燃

當(dāng)霧化的阻化液進(jìn)入采空區(qū)后，一方面可以降低采空區(qū)內(nèi)部的氧氣濃度；另一方面阻化液附著在浮煤上后，可以在浮煤上形成一個(gè)阻化液膜，阻止浮煤氧化升溫；最后，當(dāng)阻化液中的水分汽化時(shí)，可以吸收大量的熱，從而降低采空區(qū)內(nèi)部的溫度。

4.3.1 工作面霧化噴頭安裝

霧化噴頭安裝如圖4 所示。在進(jìn)風(fēng)隅角設(shè)置3個(gè)噴頭，位于堵漏墻和支架后側(cè)。阻化液被霧化后隨風(fēng)流進(jìn)入空氣，從而在采空區(qū)凝結(jié)惰化采空區(qū)浮煤。

圖4 霧化噴頭安裝示意圖

4.3.2 工作面日噴霧量

V=（1-a）KdLhS/R （1）

式中：V 為日噴霧量，m3；R 為霧化率，取80%；K 為每噸浮煤用液量，取0.02 m3/t；d 為實(shí)體煤的密度，t/m3；L 為工作面長度，200 m；h 為采高，工作面采高為2.5 m；S 為日進(jìn)尺，m；a 為工作面回采率，%。

5 效果分析

庚20-23190 綜采工作面過斷層期間，采面上隅角CO 濃度維持在75～120 ppm 間，回風(fēng)流CO 濃度維持在11～18 ppm 間。采空區(qū)自燃隱患區(qū)域已得到有效的控制，防止了采空區(qū)自燃，確保了庚20 煤層工作面過斷層期間的安全生產(chǎn)。