佳瑞煤礦15101工作面采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)研究

郭建明

（山西潞安化工集團(tuán)左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司15101工作面位于一采區(qū)，工作面開采15號煤層，煤層平均厚度為5.50 m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一般含1～3層夾矸，單層夾矸最大厚度可達(dá)0.41 m。煤層頂板為砂質(zhì)泥巖，底板為泥巖。工作面采用綜采放頂煤開采方法，全部垮落法管理頂板。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，15號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬于自燃煤層，煤塵具有爆炸性，由于工作面采用綜放開采，放煤作業(yè)時會遺留大量煤炭在采空區(qū)內(nèi)，現(xiàn)為防止采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)自燃三帶及防滅火方案的分析與設(shè)計。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布

為掌握15101工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，采用現(xiàn)場觀測的方式進(jìn)行采空區(qū)觀測分析，具體觀測方案及結(jié)果分析如下：

2.1 觀測方案

對于煤層的自然發(fā)火，在煤的氧化放熱性能一定是，當(dāng)浮煤的粒度和厚度一定時，此時若采空區(qū)內(nèi)的供養(yǎng)充分時，若在煤的自然發(fā)火期內(nèi)，當(dāng)工作面的回采推進(jìn)距離小于氧化帶的寬度時，此時則可能會在采空區(qū)后方出現(xiàn)浮煤自燃的現(xiàn)象，因此若想要掌握采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃規(guī)律，則必須掌握采空區(qū)氧化帶的原始溫度和范圍，還需掌握與遺煤自燃相關(guān)的指標(biāo)氣體濃度，當(dāng)掌握這些參數(shù)時，即能夠有效預(yù)測采空區(qū)內(nèi)部浮煤自燃的危險程度[1-2]。

基于上述原則，確定15101工作面主要通過采空區(qū)預(yù)埋管路的方式進(jìn)行采空區(qū)氣樣分析及溫度測定，并對采空區(qū)內(nèi)部的氣體濃度和溫度進(jìn)行測定，同時為形成對比分析，進(jìn)一步對工作面氣體濃度、溫度及風(fēng)量進(jìn)行測定，測定作業(yè)時主要使用到的儀器為：秒表、風(fēng)表、便攜式CO、O2、CO2、CH4測定儀，小型真空抽氣泵、礦用氣相色譜儀[3-4]。采空區(qū)氣體成分觀測時采用真空泵抽氣法，采空區(qū)溫度觀測采用埋設(shè)熱電阻測定法，埋管觀測點的布置形式如圖1所示。

圖1 采空區(qū)埋管測點布置形式示意圖

采空區(qū)氣體成分測定在距工作面150～200 m范圍內(nèi)進(jìn)行，每間隔50 m設(shè)置1個探頭，共計在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)設(shè)置4個探頭，在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)設(shè)置3個探頭，在工作面回采作業(yè)時，同時進(jìn)行觀測作業(yè)；預(yù)埋管路采用2英寸的鋼管，并將直徑為8 mm不同顏色的束管插入采空區(qū)內(nèi)，每根束管監(jiān)測一種氣體；另外為防止采空區(qū)積水堵塞束管，將每個探頭抬高0.5 m，端頭采用三通連接。

2.2 觀測結(jié)果分析

1）浮煤厚度分布：采空區(qū)自燃危險區(qū)域基本均在浮煤厚度相對較大的區(qū)域，因此浮煤厚度是劃分自燃危險區(qū)的一項重要指標(biāo)，根據(jù)工作面的回采工藝及礦井地質(zhì)資料，可預(yù)測繪制出采空區(qū)內(nèi)浮煤厚度的等值線圖如圖2所示。

圖2 采空區(qū)浮煤厚度等值線圖

2）采空區(qū)氧濃度分布：在進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)氧濃度的觀測過程中，可知隨著采空區(qū)深度的加大，采空區(qū)內(nèi)部的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律也逐漸增大，通過對采空區(qū)埋管測點監(jiān)測結(jié)果的分析，得出工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)氧濃度曲線如圖3所示。

圖3 采空區(qū)氧濃度分布曲線圖

分析圖4可知，隨著15101工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)內(nèi)測點的氧氣濃度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢，其中采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧氣濃度的下降趨勢與進(jìn)風(fēng)側(cè)相比較快，在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)28 m的深度處，此時采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度已下降至8%，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)53 m處，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度降低至8%左右；另外從圖中能夠看出采空區(qū)中部的氧氣濃度分布呈現(xiàn)出從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸遞減的趨勢，在相同埋入深度處，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度比回風(fēng)側(cè)氧氣濃度大。

3）采空區(qū)自燃“三帶”劃分：根據(jù)相關(guān)計算理論及工程實踐結(jié)果[1-2]，計算得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)51 m處氧氣濃度為7.2%，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)42 m處，氧氣下限濃度為7%左右，另外基于滲流理論[3-4]，結(jié)合工作面特征可計算得出在距離工作面15 m的位置處，采空區(qū)兩道處滲流速度為1.0×10-3m/s，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面23 m位置處，滲流速度為1.1×10-3m/s，基于上述數(shù)據(jù)可繪制出采空區(qū)“三帶”分布形式如圖4所示。

圖4 采空區(qū)自燃“三帶”分布形態(tài)圖

分析圖4可知，工作面采空區(qū)“自燃”三帶分布特征如下：進(jìn)風(fēng)側(cè)0～23 m為散熱帶，23～57 m為氧化升溫帶，大于57 m為窒息帶；回風(fēng)側(cè)0～15m為散熱帶，15～45 m為氧化升溫帶，大于45 m為窒息帶；基于上述數(shù)據(jù)可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的寬度大于回風(fēng)側(cè)，且與工作面距離相對較遠(yuǎn)。

3 防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

根據(jù)15101工作面的特征，結(jié)合上述采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，確定工作面防滅火方案為：上下隅角堆垛封堵+采空區(qū)注氮+采空區(qū)注膠；具體防滅火方案如下：

1）上下隅角堆垛封堵：在工作面兩端頭每間隔12m構(gòu)筑一道堆垛封堵墻，墻體厚1.8m，墻體從煤幫構(gòu)筑到后溜處，墻體在高度方向上接頂接底嚴(yán)實；堆垛材料采用粉煤灰，粉煤灰筑墻完畢后對墻體進(jìn)行抹面以確保墻體密不漏風(fēng)，具體布置形式見圖5。

圖5 上、下隅角端頭封堵示意圖

封堵用粉煤灰量的計算公式如下：

式中：V為粉煤灰體積量；d為h/2高度位置巷道寬度；w為封堵墻墻體厚度；h為巷道頂?shù)装彘g距；α為粉煤灰的耗散系數(shù)；根據(jù)回風(fēng)巷道的斷面為5.5 m×3.2 m的矩形斷面，取消耗系數(shù)為0.8，可計算得出一堵密封墻所用的粉煤灰量為44 m3。

2）采空區(qū)注氮防滅火：15101工作面采空區(qū)注氮口設(shè)置進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，注氮口的位置為進(jìn)風(fēng)側(cè)28.4～42.4 m，基于相關(guān)理論研究及工程實踐結(jié)果可知[5-6]，采空區(qū)氮氣釋放口的有效擴(kuò)散半徑約為15～20 m，另外考慮到5號煤層的自然發(fā)火期相對較短，進(jìn)而設(shè)置注氮口的間距為30 m；注氮支管經(jīng)順風(fēng)槽埋入采空區(qū)中，并在前端連接0.5 m左右的堵頭花管，實現(xiàn)花管傾斜向上指向采空區(qū)中。

回采期間，當(dāng)注氮管路埋入采空區(qū)20 m后，即可開始注氮作業(yè)，在注氮管路埋入40 m時，鋪設(shè)第2趟注氮管路，并當(dāng)?shù)?趟注氮管路深入采空區(qū)10 m時開啟第2趟注氮管路進(jìn)行注氮作業(yè)，并停止第1趟注氮管路，如此循環(huán)，直至工作面回采完畢。

3）采空區(qū)注膠防滅火：本次使用的膠體材料由黃土材料+水+懸浮劑+膠體添加劑制備而成，膠體添加劑用量為0.6 kg/m3，成膠時間為1.0～1.5 min，該種膠體材料具有堵漏、降溫、阻化和固結(jié)水的功能，制膠和注膠工藝流程如圖6所示；制備成的膠體材料通過注膠管輸送到距離注膠口10 m的位置處，通過預(yù)埋管路灌注到采空區(qū)內(nèi)。

圖6 注膠工藝系統(tǒng)流程圖

3.2 效果分析

在工作面回采期間，通過束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)內(nèi)的氧氣及一氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)CO、O2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線如圖7。

圖7 O2和CO濃度變化曲線圖

分析圖7可知，15101工作面回采期間，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度最大值未超過80×10-6，采空區(qū)內(nèi)無遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，隨著埋入采空區(qū)深度的增大，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度呈現(xiàn)出大幅下降的趨勢。

4 結(jié)論

根據(jù)15101工作面的地質(zhì)條件，通過現(xiàn)場測試的方式對采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律進(jìn)行分析，得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)散熱帶、氧化帶和窒息帶的分布規(guī)律，結(jié)合采空區(qū)特征，設(shè)計采用上下隅角堆垛封堵+采空區(qū)注氮+采空區(qū)注膠的防滅火方案，根據(jù)防滅火方案實施后采空區(qū)內(nèi)CO和O2濃度的監(jiān)測分析可知，防滅火方案有效阻止了采空區(qū)內(nèi)遺煤的自燃氧化，為工作面的安全回采提供了保障。