4302工作面采空區(qū)自燃發(fā)火條件及應(yīng)對措施分析

孔維一,趙和平

(華晉焦煤有限公司沙曲二礦，山西 呂梁 033000)

1 工作面概況

1.1 位置與煤層賦存

4302綜采工作面(前部)為三采區(qū)第二個4#煤層工作面,東面為已采完的4302工作面(后部),南面為已形成的4303工作面,西面為三采區(qū)集中巷道,北面為已回采完的4301工作面。工作面布置圖如圖1所示。

圖1 工作面布置圖Fig.1 Layout of working face

4302綜采工作面傾斜長1 288 m,走向長220 m。工作面整體為一單斜構(gòu)造,煤層傾向SW,傾角3°～6°,平均為5°,地質(zhì)條件相對簡單[1]。鑒于3#煤層與4#煤層間距在0.4～9.2 m之間,且由西向東層間距逐漸變小,故工作面分兩段回采。前部工作面走向長度為740 m,4#煤層平均厚度2.2 m,僅采4#煤層。目前4302綜采工作面(前部)已經(jīng)回采286 m,3#與4#煤層間距在3.0 m左右。工作面綜合柱狀圖見圖2。

圖2 工作面綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of working face

1.2 瓦斯治理措施

4302工作面采取本煤層抽采、下鄰近5#煤層抽采、三采區(qū)1#底抽巷穿層鉆孔抽采、裂隙帶鉆孔抽采和沿空留巷埋管抽采等瓦斯綜合治理措施。

1.3 自燃傾向性及等級

根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心2018年3月出具的鑒定報告,3#煤層自燃傾向性等級均為Ⅱ類,屬于自燃煤層,最短自然發(fā)火期為90 d。4#煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類,屬不易自燃煤層。

2 工作面采空區(qū)煤體氧化情況及應(yīng)對措施

2.1 煤體氧化情況

2018年5月30日,在4302綜采工作面(前部)采空區(qū)人工取氣化驗中,檢測出了CO氣體,平均體積分數(shù)為0.003%,說明采空區(qū)內(nèi)部煤體已經(jīng)發(fā)生氧化,如繼續(xù)發(fā)展存在自燃的風(fēng)險。

2.2 應(yīng)對措施

為防止采空區(qū)自燃發(fā)火,礦井采取了人工取氣化驗、束管監(jiān)測、現(xiàn)場人工檢測的預(yù)測預(yù)報措施,同時采取了采空區(qū)注氮、堵漏、調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)和抽采負壓等防滅火措施,并加快了工作面推進速度[2]。具體措施如下:

1)對4302沿空留巷和可能連通采空區(qū)的裂隙進行堵漏,減少采空區(qū)漏風(fēng)。

2)對4302工作面采取了采空區(qū)注氮的防滅火措施,通過4302沿空留巷埋管進行注氮,注氮泵注氮能力為900 m3/h,并于8月30日增加了1臺同等能力的注氮泵,自4302上部的3301軌道巷進行注氮。

3)為監(jiān)測采空區(qū)的溫度變化情況,在采空區(qū)鋪設(shè)了兩組穩(wěn)定導(dǎo)線,測得采空區(qū)的溫度在26～27 ℃。

4)為降低4302沿空留巷的漏風(fēng),礦井對4302工作面通風(fēng)系統(tǒng)進行了調(diào)整。7月16日早班,對4302工作面的風(fēng)量進行調(diào)整,將4302膠帶巷的風(fēng)量由840 m3/min增加至1 020 m3/min,4302軌道巷的風(fēng)量由1 353 m3/min調(diào)整到1 300 m3/min；7月19日早班,對4302工作面通風(fēng)系統(tǒng)進行調(diào)整,增大了3302軌道巷的回風(fēng)量,減小了4303軌道巷的回風(fēng)量。調(diào)整后,3302軌道巷回風(fēng)量為910 m3/min,4303軌道巷回風(fēng)量為1 400 m3/min。

5)為降低4302沿空留巷的漏風(fēng),礦井對4302工作面抽采系統(tǒng)進行調(diào)整。7月14日中班,全部關(guān)閉3302軌道巷裂隙帶鉆孔及4302沿空留巷前部采空區(qū)壓埋管的抽采負壓；但在關(guān)閉3302軌道巷的裂隙帶鉆孔后,沿空留巷瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)一定幅度的升高。關(guān)閉三采區(qū)1#底抽巷穿層鉆孔的抽采負壓。

6)加快工作面推進速度,要求圓班推進不小于6刀,即不少于3.6 m/d。

7)對4302采空區(qū)進回風(fēng)隅角進行封堵,減少向采空區(qū)的漏風(fēng)量。

2.3 措施效果

通過采取以上措施,4302采空區(qū)內(nèi)CO含量得到了有效的控制。7月20日最高含量(體積分數(shù))達到12×10-5后,采空區(qū)內(nèi)CO含量便持續(xù)下降,并于12月30日測得CO含量為0;O2含量也隨之由19%(體積分數(shù))降低到15%左右。在檢測不到CO后,考慮到兩臺注氮泵持續(xù)運轉(zhuǎn)近4個月,需要進行檢修,故于2018年12月30日停止運轉(zhuǎn)注氮泵,停泵后直至1月20日采空區(qū)又出現(xiàn)了CO,平均含量(體積分數(shù))為8×10-6,同時出現(xiàn)體積分數(shù)為3×10-8的乙烯。由于CO重新出現(xiàn),又在工作面恢復(fù)注氮,采空區(qū)CO含量未繼續(xù)上升,平均含量穩(wěn)定在2×10-5。

3 采空區(qū)自燃三帶分析

3.1 U型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)自燃三帶分析

煤炭自燃可分為三個發(fā)展階段。

1)潛伏期。煤在低溫情況下能吸收熱量,生成不穩(wěn)定的化合物,放出少量的熱。

2)自熱期。煤的氧化程度加快,發(fā)熱量急劇增加。

3)燃燒期。如果煤的自熱程度繼續(xù)上升,達到臨界溫度(一般為70～80 ℃)以上,氧化速度急劇加快,煤的溫度迅速升高,當溫度達到300～500 ℃時,就會發(fā)生燃燒現(xiàn)象[3]。在井工礦井中,煤炭開采后形成的空間稱為采空區(qū)?，F(xiàn)階段大部分煤礦均采用垮落法處理采空區(qū)頂板,但因為工藝原因會將一定量的遺煤留在采空區(qū)。

傳統(tǒng)的U型通風(fēng)工作面,隨著采煤工作面的推進,采空區(qū)內(nèi)的遺煤氧化形成了不斷變化的自燃三帶,即:散熱帶、氧化帶、窒息帶(詳見圖3)。散熱帶浮煤較厚,由于接近通風(fēng)巷道,大部分氧化產(chǎn)生的熱量都能夠被釋放,不易形成熱量積聚;氧化帶位于采空區(qū)中部,風(fēng)速較小,氧化產(chǎn)生的熱量無法快速釋放,采空區(qū)中部破碎巖石逐步壓實,形成一個蓄熱環(huán)境,易發(fā)生自燃,又稱自燃帶;窒息帶的風(fēng)流速度很小,并且O2濃度很低,無法達到形成自燃的條件。

圖3 U型通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃三帶Fig.3 Three zones of spontaneous combustion in goaf under U-shaped ventilation

3.2 Y型通風(fēng)系統(tǒng)采空區(qū)自燃三帶分析

在Y型通風(fēng)系統(tǒng)中,因工藝原因沿空留巷墻體兩側(cè)的采空區(qū)與回風(fēng)巷必然存在裂隙導(dǎo)通,裂隙主要來源于以下兩方面。

1)如圖4所示,煤層往往存在自然傾角,而目前4302工作面沿空留巷采用柔模澆筑工藝,因充填材料為無壓充填,材料漿體固化前必然在自重和表面張力作用下頂面呈水平狀與頂板存在一條楔形裂隙。

2)沿空留巷形成過程中,頂板在墻體內(nèi)采空區(qū)側(cè)斷裂冒落,而因為斷裂過程受力不均,故多有裂隙從墻體上部發(fā)育至巷道頂板上方,如圖5和圖6所示[4]。

圖4 沿空留巷墻體與頂板間裂隙微觀結(jié)構(gòu)Fig.4 Microstructure of cracks between wall and roof with gob side entry retaining

圖5 沿空留巷頂部裂隙發(fā)育情況現(xiàn)場Fig.5 Crack development of roof with gob side entry retaining

圖6 頂板裂隙發(fā)育情況俯視圖Fig.6 Top view of roof crack development

因為上述裂隙的產(chǎn)生,在壓差的作用下采空區(qū)內(nèi)氣體通過裂隙涌入巷道,而采空區(qū)氣體的涌出,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)氣壓降低,工作面風(fēng)流向采空區(qū)的流動趨勢會增強,造成采空區(qū)漏風(fēng)量增大。所以Y型通風(fēng)條件下,采空區(qū)自燃三帶中氧化帶寬度自沿空留巷方向增加,造成采空區(qū)自燃發(fā)火危險性增加,如圖7所示。

圖7 Y型通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃三帶Fig.7 Three zones of spontaneous combustion in goaf under Y-shaped ventilation

從4302工作面來看,隨著4#煤層的回采,4#煤層頂板和3#煤層均冒落到采空區(qū)。這種情況下,一方面3#煤層破碎程度較高,煤層松散易發(fā)生氧化;另一方面3#煤層破碎,煤體上下的冒落巖塊形成了良好的供氧通道,如圖8所示。

圖8 4302采空區(qū)冒落情況Fig.8 Top coal caving in goaf of No.4302 working face

4 Y型通風(fēng)工作面防滅火措施分析

根據(jù)對Y型通風(fēng)工作面自燃三帶的分析可知,除傳統(tǒng)的注氮、上下隅角堵漏、采空區(qū)注漿、噴灑阻化劑等措施以外,最關(guān)鍵的就是對沿空留巷墻體裂隙的封堵,以減少氧化帶寬度,通過與其他措施結(jié)合,降低自燃發(fā)火的危險性[5]。若不能有效封堵裂隙,采取注氮措施將會在漏風(fēng)流作用下,無法將氮氣注入采空區(qū)深部,如圖9所示。

圖9 采空區(qū)注入氮氣氣流方向Fig.9 Flow direction of nitrogen injected into goaf

傳統(tǒng)封堵裂隙的方法主要是充填與噴漿。由于沿空留巷整條巷道均存在裂隙發(fā)育的情況,且裂隙均有體積小、面積大的特點,充填材料往往只適合于封堵體積大、面積小的裂隙,故而充填法在沿空留巷不適用。傳統(tǒng)的噴漿工藝多選用混凝土噴漿,而混凝土為剛性體,沿空留巷形成過程中不斷受到動壓影響,剛性體極易受壓力、剪切、拉伸等復(fù)合應(yīng)力作用發(fā)生破碎產(chǎn)生裂隙,無法長時間保證封閉效果,且混凝土噴漿還有勞動量大、成本高、粉塵危害作業(yè)人員等缺點。因此,需要找到一種柔性噴涂材料,在封閉沿空留巷裂隙的同時,能夠承受動壓作用。

根據(jù)以上分析,沙曲二礦選用巷道柔性噴涂材料進行了噴涂試驗。根據(jù)試驗效果可知,柔性噴涂材料能夠有效封堵巷道大面積裂隙,并具有速度快、勞動強度低、效果好等優(yōu)點。噴涂效果見圖10。

圖10 4302沿空留巷柔性噴涂材料應(yīng)用效果Fig.10 Application effect of flexible spraying material on 4302 working face with gob-side entry retaining

通過觀察柔性噴涂材料在長達300 m巷道的實際應(yīng)用效果可知,該材料能夠較好地與煤巖及水泥墻體結(jié)合,具有較好的粘結(jié)附著力。通過對噴涂墻體進行瓦斯檢查發(fā)現(xiàn),此段墻體未出現(xiàn)集中的瓦斯涌出點,證明了這種材料封堵的有效性。從施工角度分析,該材料具有水溶性,無毒無害,施工操作簡單,而且不會出現(xiàn)雙組份材料常常出現(xiàn)的噴槍堵塞等問題。

5 小結(jié)

通過對Y型通風(fēng)條件下自燃發(fā)火指標的分析,得出了以下結(jié)論:

1)相對于U型通風(fēng)系統(tǒng)的采空區(qū)自燃三帶分布,Y型通風(fēng)系統(tǒng)的三帶因為沿空留巷墻體漏風(fēng),氧化帶范圍擴大,形成了隨沿留巷墻體延伸的長條形氧化帶。

2)受礦壓及留巷墻體充填工藝的共同影響,墻體本身、墻體與頂板及頂板裂隙的形成會造成采空區(qū)漏風(fēng)增加、采空區(qū)瓦斯向巷道涌入、采空區(qū)煤體氧化等安全隱患。

3)傳統(tǒng)剛性封堵材料在沿空留巷墻體密封中受礦壓影響,極易產(chǎn)生裂隙,故應(yīng)用能產(chǎn)生一定形變的柔性材料對沿空留巷墻體進行封堵具有更高的可行性。