基于高瓦斯礦井采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

魏 華 張玉明

（陜西彬長(zhǎng)胡家河礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽(yáng) 713602）

0 引言

高瓦斯礦井具有一定的特殊性，在抽放高濃度瓦斯時(shí)受漏風(fēng)等因素的影響， 可能造成工作面隅角瓦斯積累，并遭遇采空區(qū)浮煤自燃情況，一旦引燃瓦斯將引發(fā)嚴(yán)重事故。 目前可以采用的防滅火技術(shù)較多，但為保證開(kāi)采作業(yè)的安全性和高效性，需要掌握煤體自燃發(fā)火規(guī)律，結(jié)合礦井作業(yè)情況制訂科學(xué)防滅火技術(shù)方案，有效降低事故發(fā)生概率，為煤礦開(kāi)采提供有力技術(shù)支撐。

1 工程概況

某煤礦綜采工作面走向長(zhǎng)610 m，傾斜長(zhǎng)206 m，采高2.2 m。 在南西和北西方向，工作面分別緊鄰回風(fēng)大巷和采空區(qū)，下層無(wú)采掘活動(dòng)，上層存在兩個(gè)采空區(qū)。沿著北西向南東方向，煤層厚度有所增加，總體維持穩(wěn)定，平均傾角為11°。盡管開(kāi)采結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但靠近煤層底板位置存在矸石層，瓦斯含量達(dá)到9.46 m3/t。 位于采區(qū)西翼的煤層采用炮采工藝，布置一條進(jìn)風(fēng)巷和兩條回風(fēng)巷，實(shí)施負(fù)壓通風(fēng)，采空區(qū)存在隱蔽火區(qū)，曾經(jīng)因出現(xiàn)明火封閉。

綜上所述，在工作面開(kāi)采期間，采空區(qū)處于瓦斯和自燃條件共存狀態(tài)，造成煤層開(kāi)采風(fēng)險(xiǎn)較大，需要采用防滅火技術(shù)科學(xué)處理自燃和瓦斯引燃問(wèn)題。

2 采空區(qū)防滅火技術(shù)分析

2.1 技術(shù)方案

在負(fù)壓作用下，風(fēng)流通過(guò)采空區(qū)裂隙在通道內(nèi)迅速擴(kuò)散，將造成立體風(fēng)流運(yùn)移問(wèn)題發(fā)生，導(dǎo)致漏風(fēng)加劇。 在適宜供氧條件下，采空區(qū)浮煤自燃的可能性有所增加，產(chǎn)生的熱量導(dǎo)致煤體溫度提升，引發(fā)漏風(fēng)通道兩端溫差和高差增加[1]。在慢速渦流作用下，熱量對(duì)流交換加劇，引發(fā)內(nèi)外煤體升溫，加劇浮煤氧化和自燃，給滅火帶來(lái)較大困難。 而高瓦斯礦井采空區(qū)發(fā)生自燃情況，將引發(fā)瓦斯燃燒乃至爆炸，造成安全事故。為防治上述問(wèn)題發(fā)生，首先應(yīng)在工作面覆巖裂隙帶布置高位鉆孔，完成采空區(qū)瓦斯高效率抽放。 鉆孔內(nèi)負(fù)壓較高，能夠促進(jìn)瓦斯氣體排放，減少回風(fēng)隅角瓦斯涌出量。 在工作面開(kāi)采期間，鉆孔終端將沿著冒落帶方向移動(dòng)，瓦斯?jié)舛鹊停黠@受漏風(fēng)風(fēng)流影響。 為避免資源浪費(fèi)或引發(fā)流場(chǎng)紊亂，鉆進(jìn)冒落帶后采用液態(tài)二氧化碳?jí)鹤⒖?，利用二氧化碳理化特性吸附和覆蓋采空區(qū)浮煤[2]。 發(fā)生吸熱反應(yīng)，可以降低煤體溫度。 發(fā)生氣化后，二氧化碳將成為“空氣墻”，減少工作面瓦斯流入。 在抽放瓦斯時(shí)，瓦斯容易向滯留帶移動(dòng)，在采空區(qū)深部積聚，影響抽放效率。 針對(duì)隅角需通過(guò)埋管加強(qiáng)瓦斯抽放，借助三通與采空區(qū)埋管連接，高效抽采瓦斯。 與此同時(shí)，需要加強(qiáng)有害氣體監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)超標(biāo)注入氮?dú)鈱?shí)施置換， 確保有害氣體含量不超安全閾值，并保證采空區(qū)氧氣含量在5%以內(nèi)，達(dá)到防滅火目標(biāo)。

2.2 自燃防治

在采空區(qū)浮煤自燃問(wèn)題防治上，通過(guò)監(jiān)控可以確認(rèn)來(lái)源本煤層瓦斯占比55%左右，來(lái)自下伏煤層占比約31%，其余來(lái)自上覆采空區(qū)。 工作面絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到30 m3/min，計(jì)劃排風(fēng)11.3 m3/min，其余瓦斯需要通過(guò)高位鉆孔和隅角埋管方式抽放。 在回采期，采空區(qū)自燃帶劃分為窒息帶、 氧化升溫帶和散熱帶，需要使氧化升溫帶范圍比散熱帶小， 降低自燃發(fā)生概率。 在采空區(qū)溫度和氣體監(jiān)測(cè)方面，需要在工作面布置束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每間隔10 個(gè)回采面液壓支架布置1個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于分析氣體組成成分和空氣溫度，為自燃預(yù)防提供可靠數(shù)據(jù)。 結(jié)合工程實(shí)際情況可知，甲烷平均達(dá)到9%，氧氣達(dá)到12%左右。 受抽放操作影響，采空區(qū)風(fēng)流速分布引發(fā)了自燃帶范圍變化，造成深部出現(xiàn)強(qiáng)漏風(fēng)。 為加強(qiáng)漏風(fēng)控制，需要調(diào)節(jié)漏風(fēng)風(fēng)阻和漏風(fēng)量，對(duì)工作面隅角進(jìn)行充填封堵，通過(guò)增強(qiáng)風(fēng)阻改變漏風(fēng)流場(chǎng)分布，減小氧化自燃帶范圍，降低氧氣含量。按照每隔15 m 距離進(jìn)行一次充填堵漏，做到兩端巷道處理，能夠?qū)⒀鯕夂拷档椭?%左右，能夠降低采空區(qū)發(fā)生自燃的風(fēng)險(xiǎn)。 采用隅角埋管方式抽放瓦斯，需要在距離工作面50 m 位置布置抽放管口，提高瓦斯抽放效率。 為加強(qiáng)漏風(fēng)控制，需要在距離首個(gè)抽放口2 m 位置布置1 m 厚密閉墻， 然后每隔10 m 布置一道，達(dá)到高效抽采效果。 從瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)效果來(lái)看， 抽放后隅角位置回風(fēng)流瓦斯?jié)舛冉档?8.7%，工作面下降至0.1%，能夠降低瓦斯災(zāi)害發(fā)生概率。

2.3 注氮防火

采用注氮方式防火， 能夠?qū)崿F(xiàn)采空區(qū)空間惰化，使煤炭和氧氣接觸被沖淡，避免煤炭自燃發(fā)火。 通過(guò)注氮提高采空區(qū)壓力，能夠阻礙周圍有毒有害氣體通過(guò)裂隙進(jìn)入采空區(qū)，同時(shí)有效稀釋漏風(fēng)，能夠取得較好防火效果。 在工程施工實(shí)踐中，結(jié)合采空區(qū)氧化升溫帶范圍變化情況可知，如上表1 所示，在注氮口深度從30 m 提升至40 m 時(shí)，帶寬增加15 m，深度提升至50 m 后帶寬有所減小。 在注氮口深度達(dá)到25 m時(shí)，采空區(qū)氧化升溫帶范圍最小，能夠取得較好惰化效果。在實(shí)踐操作中，需要采用埋管注氮方式，在采空區(qū)沿著進(jìn)風(fēng)順槽方向埋設(shè)70 mm 鋼管與注氮主管路連接，在管口進(jìn)入氧化帶后打開(kāi)閥門(mén)注氮。 放管口位于進(jìn)風(fēng)側(cè)， 距離工作面25～30 m， 出口可以承受0.2MPa 的注氮壓力。 在注氮期間，需要加強(qiáng)漏風(fēng)情況分析，漏風(fēng)強(qiáng)度提升應(yīng)將注氮口向深部移動(dòng)，改善注氮效果，確保采空區(qū)氣體分布狀態(tài)良好[3]。因?yàn)殡S著采空區(qū)氧化升溫帶分布變化， 在注氮有效半徑固定為25 m、釋放口間距為50 m 的情況下，需要通過(guò)調(diào)整注氮位置和間距確保氮?dú)獬錆M需惰化區(qū)域。 將氮?dú)膺B續(xù)、穩(wěn)定注入采空區(qū)，為取得良好置換效果，應(yīng)使液氮與瓦斯抽出量比值維持在1～1.2 之間，實(shí)際注氮時(shí)間每天約4.93 h， 強(qiáng)度需要達(dá)到600m3/h， 結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)， 利用三通節(jié)點(diǎn)連接500 mm 長(zhǎng)支管釋放氮?dú)?，可以避免管道被煤矸石堵塞?加強(qiáng)束管監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)一氧化碳濃度超標(biāo)且溫度升高，需及時(shí)注氮，通過(guò)漏風(fēng)使氮?dú)饩鶆驍U(kuò)散，直至氧化帶氧氣濃度在10%以下可以停止注氮。

表1 注氮口深度與采空區(qū)氧化升溫帶寬度關(guān)系（m）

2.4 滅火措施

在加強(qiáng)采空區(qū)防火技術(shù)運(yùn)用的同時(shí)，需要做好滅火準(zhǔn)備。在上回風(fēng)巷敷設(shè)注漿管路，根據(jù)監(jiān)測(cè)得到的氣體變化情況關(guān)注泥漿或凝膠等防火材料，能夠起到封堵裂隙、惰化遺煤等多種效果，避免采空區(qū)自燃給周圍煤層開(kāi)采帶來(lái)影響，保證工作面作業(yè)安全。采取該技術(shù)，需要在上風(fēng)巷布設(shè)觀測(cè)孔，發(fā)現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w應(yīng)加強(qiáng)火災(zāi)預(yù)判，及時(shí)補(bǔ)打注漿孔。采用凝膠材料滅火，使用粉末狀高分子材料與水接觸反應(yīng)得到凍膠狀物質(zhì)，機(jī)械強(qiáng)度接近零，但能夠通過(guò)凝結(jié)成固體將周圍裂隙填滿，將浮煤與表面氧氣隔絕，起到阻燃作用。凝膠主成分為水，反應(yīng)時(shí)可以吸收煤體前期氧化釋放的熱量，達(dá)到降溫滅火的效果。按照每隔5 個(gè)液壓支架預(yù)留埋設(shè)1 根高壓膠管，在回采作業(yè)每推進(jìn)3m 時(shí)注膠一次，能夠有效隔絕遺煤自燃情形。 按照200∶1 的配比，應(yīng)先注入水，然后注入膠體，形成的膠體隔離墻位于液壓支架后部。如果注入水時(shí)周圍溫度已經(jīng)超出1000℃，膠體將發(fā)生氣化，立刻封堵漏風(fēng)通道，減少空氣內(nèi)的氧氣含量。 合理搭配凝膠，能夠利用膠體和水的作用包裹煤炭，同時(shí)產(chǎn)生隔絕氧氣和降溫效果。 相較于其他滅火技術(shù)，應(yīng)用該技術(shù)具有較高安全性，并且不會(huì)給環(huán)境帶來(lái)污染。 從防滅火技術(shù)總體應(yīng)用效果來(lái)看， 采空區(qū)氧氣含量始終不超5%，杜絕了煤炭自燃問(wèn)題的發(fā)生，保證了回采作業(yè)安全。

3 結(jié)語(yǔ)

在高瓦斯礦井回采作業(yè)期間，采空區(qū)容易發(fā)生煤炭自燃問(wèn)題，未能有效防治將誘發(fā)瓦斯災(zāi)害，給人員生命安全帶來(lái)較大威脅。 應(yīng)用防滅火技術(shù)，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況采取多種防控措施，從瓦斯抽放、漏風(fēng)控制、注氮防火等多個(gè)角度著手，全面降低火災(zāi)、爆炸事故的發(fā)生概率， 在保證人員健康與安全的基礎(chǔ)上，為煤礦的可持續(xù)發(fā)展提供保障。