慈林山煤礦15102沿空留巷工作面綜合防滅火技術(shù)研究

杜艷奎

（潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦，山西 長治046600）

1 工程概況

潞安化工集團(tuán)慈林山煤業(yè)公司慈林山煤礦15102工作面走向長度1120m，傾斜長度230m，工作面開采15#煤層，平均厚度3.6m，煤層頂板巖層為K2灰?guī)r，底板巖層為泥巖。15#煤層自燃傾向性等級Ⅱ，屬自燃煤層，最短發(fā)火期天數(shù)89d。15102工作面采用切頂卸壓自動(dòng)成巷無煤柱開采技術(shù)，工作面采用該技術(shù)后，因切頂卸壓成巷時(shí)墻體接頂不實(shí)、墻體局部壓裂等問題造成采空區(qū)及停采線等地段遺煤自燃發(fā)火，現(xiàn)為保障需針對'110工法'的漏風(fēng)大的特征，進(jìn)行采空區(qū)防滅火方案的設(shè)計(jì)與研究。

2 “110”工法防滅火問題及對策

2.1 防滅火問題

根據(jù)15102工作面的地質(zhì)條件，工作面采用無煤柱自成巷技術(shù)時(shí)，采空區(qū)除和工作面連通外，還和切頂卸壓新形成的墻體及地表裂隙相聯(lián)通，新形成的墻體由于接頂不實(shí)，會(huì)造成采空區(qū)大量漏風(fēng)。當(dāng)漏風(fēng)量及風(fēng)速達(dá)到一定條件是會(huì)造成采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)。由于采空區(qū)漏風(fēng)通道多、漏風(fēng)來源復(fù)雜，造成采空區(qū)漏風(fēng)不穩(wěn)定，從而給防滅火工作帶來了極大的困難[1-3]。

2.2 防滅火對策

15102工作面采用無煤柱自成巷“110工法”工作面回采過程中，針對回采工作面采空區(qū)遺煤自燃，除針對采空區(qū)采區(qū)正常的防滅火措施外，還需重點(diǎn)針對工作面留巷內(nèi)靠工作面碎石幫漏風(fēng)問題，采用了綜合預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃方案，結(jié)合無煤柱自成巷通風(fēng)特征，確定采取以下措施：

1）對工作面留巷區(qū)域成巷段墻體及接頂處進(jìn)風(fēng)噴漿封閉，加大地表裂隙的充填力度。

2）完善回采工作面煤層自燃監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，利用人工監(jiān)測手段，強(qiáng)化管理人員現(xiàn)場檢查的閉合管理，最終確保切頂卸壓成巷期間工作面的安全回采[4]。

3）回采工作面采空區(qū)預(yù)埋注氮管路，當(dāng)監(jiān)測到工作面留巷段采空區(qū)出現(xiàn)煤層自然發(fā)火征兆時(shí)，對發(fā)現(xiàn)的自燃隱患區(qū)域?qū)嵤┓忾]注氮滅火，確保礦井的安全生產(chǎn)。

3 綜合防滅火方案

3.1 防滅火方案

根據(jù)15102工作面采用無煤柱自成巷技術(shù)時(shí)，采空區(qū)遺煤易自燃的原因分析，基于防滅火控制對策，確定工作面防滅火方案為：束管監(jiān)測+噴灑阻化劑+噴漿封堵+采空區(qū)注氮的綜合防滅火方案，具體各項(xiàng)防滅火措施如下：

3.1.1 束管監(jiān)測系統(tǒng)

工作面回風(fēng)巷采空區(qū)布置3個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距50 m，1個(gè)束管采樣器連接1個(gè)束管，隨著工作面的推進(jìn)，1、2、3號束管采樣器依次進(jìn)入采空區(qū)，在推至過3號點(diǎn)約50 m時(shí)，把1號點(diǎn)截開，重新布點(diǎn)，依次循環(huán)，直至整個(gè)工作面采煤過程結(jié)束[5-6]，測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 15102工作面束管監(jiān)測測點(diǎn)布置圖

3.1.2 噴灑阻化劑

阻化劑噴灑系統(tǒng)由阻化液儲(chǔ)液箱、阻化劑輸送管路、加壓泵、噴頭組成。在工作面進(jìn)風(fēng)順槽泵站硐室處，硐室內(nèi)置平板車、阻化泵、液箱和阻化劑，按所需濃度（15%）將工業(yè)CaCl2倒入儲(chǔ)液箱，供水管路嚴(yán)格按比例加足清水配成溶液攪拌均勻后，礦用阻化泵通過φ19 mm膠管吸液和φ19 mm的高壓膠管連通至工作面（工作面管路從機(jī)頭到機(jī)尾沿支架后立柱布置），具體工作面移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)工藝見圖3。每10個(gè)架接1個(gè)三通帶截止閥，用1根10 m長φ19 mm的高壓膠管噴槍相連，工作面正常回采期間采空區(qū)每天噴灑1次，噴灑寬度為4 m，從刮板輸送機(jī)機(jī)頭向機(jī)尾沿支架間隙向采空區(qū)噴灑。

圖3 阻化劑移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)工藝圖

3.1.3 噴漿封堵

工作面留巷內(nèi)靠工作面碎石幫側(cè)安裝的檔矸網(wǎng)由鋼筋網(wǎng)和菱形鐵絲網(wǎng)組成，為了防止采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象發(fā)生，采取在工作面留巷內(nèi)架后支護(hù)的鋼筋網(wǎng)靠工作面碎石幫側(cè)鋪設(shè)風(fēng)筒布，高度取3 000 mm上下各超出150 mm，風(fēng)筒布搭縫處寬度300 mm，待頂板垮落并穩(wěn)定后，對巷道上部切縫處和垮落不充分的區(qū)域進(jìn)行噴漿填充，噴漿厚度不小于100 mm，噴漿范圍為整個(gè)墻體表面及墻體與頂板接茬處。

3.1.4 采空區(qū)注氮

1）注氮工藝。工作面順槽巷采用切頂卸壓自動(dòng)成巷技術(shù)，待留巷50 m后，在切頂成巷的墻體上向采空區(qū)埋設(shè)第一根注氮管，然后沿走向每50 m埋1根長度1 500 mm、φ159 mm×4.5 mm帶堵頭無縫鋼管，安裝高度距底板300 mm左右，以便每成巷100 m就在后方50 m注氮惰化采空區(qū)，防止采空區(qū)內(nèi)殘煤自燃以及瓦斯、C O等有害氣體超限，注氮管路釋放口位置見圖4。

圖4 采空區(qū)注氮管路布置方式示意圖

2）注氮流量。為保障注氮效果，保障注入的氮?dú)饽軌蛴行錅绮煽諈^(qū)火災(zāi)，滅火所需的注氮量的計(jì)算公式如下：

式中：QN為注氮量，m3；W0為火區(qū)體積m3；C1為火區(qū)原始氧濃度，20.5%；C2為注氮區(qū)欲達(dá)到的氧濃度，取3%。根據(jù)眾多理論研究和工程實(shí)踐可知，一般按滅火時(shí)間5～10 d確定滅火注氮流量，井下留巷的最大寬度按50 m計(jì)算，工作面采高2.62 m，長度200 m，按撲滅火10 d確定注氮流量為746 m3/h。

本次注氮作業(yè)采用井下移動(dòng)式制氮設(shè)備，通過上述計(jì)算，需要注氮流量746 m3/h，結(jié)合煤礦具體情況考慮1.3的富余系數(shù)，需要注氮流量969.8 m3/h，確定注氮滅火流量1 000 m3/h。

3）注氮條件及時(shí)機(jī)：本次采空區(qū)采取間歇式注氮措施，根據(jù)工作面自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)分析結(jié)果，當(dāng)自然發(fā)火指標(biāo)氣體出現(xiàn)異常時(shí)，采取相應(yīng)的注氮方法，具體如下：①當(dāng)工作面回風(fēng)隅角C O濃度大于70×10-6或回風(fēng)流中C0濃度大于24×10-6且有持續(xù)升高的跡象時(shí)，對采空區(qū)進(jìn)行封閉注氮。只有工作面上隅角及回風(fēng)流中C O濃度小于24×10-6時(shí)，方可停止注氮；②當(dāng)工作面溫度達(dá)到26℃并持續(xù)升高時(shí)，對采空區(qū)進(jìn)行封閉注氮。溫度恢復(fù)到之前正常數(shù)據(jù)時(shí)，方可停止注氮；③當(dāng)束管監(jiān)測或人工監(jiān)測采空區(qū)局部區(qū)域出現(xiàn)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，且出現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定上升趨勢，有發(fā)火跡象，需對局部區(qū)域封閉注氮；只有局部區(qū)域標(biāo)志性氣體消失且工作面上隅角、回風(fēng)流中C O濃度小于24×10-6時(shí)，方可停止注氮。

3.2 效果分析

為有效驗(yàn)證15102工作面采用防滅火方案的應(yīng)用效果，在工作面留巷時(shí)，采空區(qū)采用防滅火措施后，通過束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)50 m處的C O濃度和O2的監(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出如圖5所示的曲線圖

圖5 采空區(qū)內(nèi)C O和O2濃度曲線圖

分析圖5可知，15102工作面采用無煤柱自成巷期間采用上述防滅火方案后，采空區(qū)內(nèi)C O濃度最大為87×10-6，工作面回風(fēng)流中的C O濃度始終小于14×10-6，工作面回采留巷期間，采空區(qū)內(nèi)無嚴(yán)重的遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，為安全高效回采提供了保障。

4 結(jié)論

根據(jù)15102工作面地質(zhì)條件及煤層自燃條件，通過具體分析“110”工法下防滅火問題及對策，提出針對工作面留巷內(nèi)靠工作面碎石幫漏風(fēng)問題重點(diǎn)采區(qū)防滅火措施，確定工作面采空區(qū)采用束管監(jiān)測+噴灑阻化劑+噴漿封堵+采空區(qū)注氮的綜合防滅火方案，根據(jù)防滅火方案實(shí)施后的效果分析可知，防滅火措施有效解決了無煤柱自成巷下采空區(qū)遺煤易自燃的問題。