三交河煤礦2-502工作面采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

巨 濤

(霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤公司 三交河煤礦，山西 洪洞 041600)

1 工程概況

山西汾河焦煤股份有限公司三交河煤礦2-502工作面井下位于五采區(qū)，工作面開采2號煤層，煤層平均厚度4.2 m，平均傾角10°，煤層內(nèi)部含有1層夾矸，厚度為0.5 m，煤層頂板巖層為泥巖、砂質(zhì)泥巖和粉砂巖，底板巖層為泥巖和中砂巖，工作面采用大采高一次采全高采煤方法，“U”型通風(fēng)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2號煤層自燃等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。由于工作面區(qū)域內(nèi)煤層厚度存在變化，采用大采高采煤工藝會存在一定的煤炭遺留在采空區(qū)內(nèi)，現(xiàn)為防止2-502工作面采空區(qū)出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)的研究。

2 采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)

為掌握2-502工作面采空區(qū)內(nèi)情況，工作面回采期間采用KJ95N束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體的實(shí)時監(jiān)測，監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測管主要布置在工作面的兩側(cè)區(qū)域，具體工作面監(jiān)測方案如下：

1) 監(jiān)測束管由+1 050 m西大巷管路中引出，接引2路束管，束管布置在運(yùn)輸巷內(nèi)。在束管埋設(shè)時，為防止采空區(qū)內(nèi)部存在積水現(xiàn)象而導(dǎo)致管路內(nèi)氣體不流通，預(yù)埋管路須高于巷道底板0.5 m以上[1-2]，具體束管布置方式如圖1所示。

圖1 2-502工作面采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)示意

束管監(jiān)測系統(tǒng)不僅能對采空區(qū)內(nèi)的指標(biāo)氣體實(shí)施監(jiān)測，同時還能夠?qū)Σ煽諈^(qū)內(nèi)的溫度情況進(jìn)行測量，采空區(qū)溫度的測量主要通過萬用表換算成熱敏電阻阻值，再通過相關(guān)公式換算為采空區(qū)溫度數(shù)值[3-4]。

2) 工作面上隅角區(qū)域采用編織袋裝煤渣搭設(shè)氣室，并在氣室的上部分別懸掛甲烷、一氧化碳和氧氣濃度傳感器，以實(shí)現(xiàn)對工作面上隅角區(qū)域指標(biāo)氣體的實(shí)時監(jiān)測。

3) 每間隔50架液壓支架布置1趟MJ-8煤層火災(zāi)監(jiān)測管路，該管路插到液壓支架之間和架后區(qū)域，監(jiān)測作業(yè)每天進(jìn)行1次，以此實(shí)現(xiàn)對工作面架后區(qū)域溫度和氣體的實(shí)時監(jiān)測。

3 防滅火方案與效果

3.1 防滅火方案

2-502工作面的回采階段可將工作面劃分為3個回采階段：初采期間、正?；夭善陂g和回撤期間。工作面在不同的回采階段采空區(qū)內(nèi)的浮煤厚度、漏風(fēng)強(qiáng)度、推進(jìn)速度和氧氣濃度等參數(shù)均會發(fā)生變化，采空區(qū)內(nèi)自燃危險區(qū)域也會隨之發(fā)生變化。根據(jù)2-502工作面的煤層賦存及條件，設(shè)計(jì)工作面初采期間采用插管注漿+多輪注氮為主的防滅火措施[5-6]，工作面在正常回采期間采用黃泥灌漿+注氮為主的防滅火措施，工作面回撤期間采用注氮+注膠為主防滅火措施。

3.1.1 初采期間防滅火措施

1) 工作面上下端頭分別布置兩個防滅火鉆孔，鉆孔參數(shù)為D75 mm×3 000 mm，鉆孔由工作面向上3 m布置，回風(fēng)巷鉆孔向采空區(qū)內(nèi)實(shí)施間歇多輪灌漿作業(yè)，運(yùn)輸巷鉆孔向采空區(qū)內(nèi)實(shí)施間斷注氮作業(yè)。工作面回采推進(jìn)10 m時，即可開始灌漿和注氮作業(yè)，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，持續(xù)進(jìn)行灌漿和注氮作業(yè)。

2) 在工作面開切眼內(nèi)噴灑阻化劑，共計(jì)布置2組噴頭，第一組位于1～2號支架間，第二組位于36號支架處，阻化材料為MgCL2，阻化劑濃度為37%，其所能達(dá)到的阻化率為81%[7-8]，初采期間每天噴灑1次，每次噴灑量為1 450.3 kg。

3) 在開切眼煤體上進(jìn)行噴漿作業(yè)，設(shè)置噴漿層的厚度為50～80 mm，以防止從煤體裂隙向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)。

3.1.2 工作面正?；夭善陂g防滅火措施

工作面正?；夭善陂g，防滅火措施以黃泥灌漿+采空區(qū)注氮為主，工作面上下隅角注膠、加快回采推進(jìn)速度為輔的防滅火措施，具體如下：

1) 采空區(qū)注氮：注氮管路布置在運(yùn)輸巷內(nèi)，具體注氮管路布置見圖2。注氮純度>97%，注氮流量為400～450 m3/h，注氮采用交替邁步式，步距為25 m，注氮壓力為0.3～0.6 MPa，注氮時每次必須連續(xù)進(jìn)行4 d以上。當(dāng)工作面上隅角CO濃度>40×10-6時，需保持注氮流量為1 000 m3/h連續(xù)進(jìn)行10 d注氮作業(yè)。

圖2 注氮管路布置方式示意

2) 黃泥灌漿：采空區(qū)灌漿采用隨采隨灌漿的方式，灌漿管路布置在回采巷內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋灌漿管路長20 m，隨著回采作業(yè)進(jìn)行，持續(xù)進(jìn)行灌漿作業(yè)，當(dāng)灌漿管路外漏小于10 m時，通過回柱絞車進(jìn)行灌漿管路的牽引，灌漿管路每牽引作業(yè)1次，同時需進(jìn)行1次灌漿作業(yè)，具體灌漿工藝見圖3。

圖3 埋管灌漿示意

3) 上下隅角鉆孔注膠：在上下隅角上方通過木背板進(jìn)行冒頂區(qū)域的密實(shí)填充，根據(jù)束管監(jiān)測系統(tǒng)，對監(jiān)測得出的高溫區(qū)域進(jìn)行打鉆注凝膠作業(yè)。

4) 加快工作面回采作業(yè)：根據(jù)2號煤層的自燃發(fā)火特征可知，2號煤層最短自燃發(fā)火期為42 d，采動作用下超前支承壓力會使前方30 m煤體易產(chǎn)生裂隙氧化，結(jié)合采空區(qū)自燃“三帶”分布可知，采空區(qū)40 m深度處達(dá)到窒息帶?；谏鲜龇治?，設(shè)置工作面每月推進(jìn)距離須大于70 m，以降低采空區(qū)氧化發(fā)火的概率。

3.1.3 工作面回撤期間防滅火措施

工作面回撤期間采用注氮+注膠+降低工作面風(fēng)量的防滅火措施；撤架期間注氮流量為300 m3/h，注氮區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婧蠓?0 m的范圍，其余注氮各項(xiàng)參數(shù)均同上；撤架期間注膠時，注膠重點(diǎn)區(qū)域同樣為工作面后方30 m，注膠鉆孔共計(jì)布置5組，每組內(nèi)布置鉆孔3個，注膠鉆孔開孔高度為2 m，深入采空區(qū)的長度為4 m，鉆孔傾角為45°，終孔高度為4 m。注膠作業(yè)時，每個注膠鉆孔注入的膠體量約為5.4 m3，具體工作面注膠鉆孔布置方式見圖4。

圖4 回撤期間注膠鉆孔布置方式示意

3.2 效果分析

2-502工作面采空區(qū)防滅火方案實(shí)施后，工作面回采期間，通過束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)內(nèi)的CO濃度進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測分析。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，回采期間采空區(qū)內(nèi)的CO濃度始終在0～10×10-6的范圍內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的O2濃度穩(wěn)定在0%～20%的范圍內(nèi)。據(jù)此可知采空區(qū)防滅火方案實(shí)施后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度無超限現(xiàn)象，O2濃度也處于合理范圍內(nèi)，防滅火方案實(shí)施效果顯著。

4 結(jié) 語

根據(jù)2-502工作面的地質(zhì)條件，通過布置束管監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體的實(shí)施監(jiān)測，結(jié)合2號煤層自燃發(fā)火特征及開采條件，分別對工作面初采期間、正常回采期間和撤架期間的防滅火方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)防滅火方案實(shí)施后采空區(qū)內(nèi)的束管監(jiān)測結(jié)果可知，回采期間采空區(qū)內(nèi)的CO濃度和O2濃度均在合理范圍內(nèi)，防滅火方案有效解決了采空區(qū)遺煤易自燃的問題，為工作面的安全高效開采提供了保障。