易自燃煤層大采高綜采工作面防滅火技術(shù)研究

王春森， 程兆輝

(內(nèi)蒙古黃陶勒蓋煤炭有限責(zé)任公司巴彥高勒煤礦， 內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300)

1 前言

1.1 地質(zhì)概況

某礦3102工作面為盤區(qū)第二個(gè)工作面，工作面長299 m，巷道長度為3 311 m。開采的3- 1煤賦存穩(wěn)定，煤厚度平均5.25 m，瓦斯含量低、自然發(fā)火傾向性為Ⅰ類。根據(jù)地質(zhì)勘探資料顯示，3102工作面回采至3 009 m處會(huì)揭露DF19斷層(H=6.5, 26°∠49°)。

3102工作面回風(fēng)巷道與鄰近的31101采空區(qū)間有6 m護(hù)巷煤柱，具體工作面位置關(guān)系如圖1所示。

圖1 3102工作面位置關(guān)系

[作者簡介] 王春森(1988-)，男，漢族，山東濟(jì)南人，工程師，本科，從事礦井生產(chǎn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、工程管理工作。

[引用格式] 王春森，程兆輝.易自燃煤層大采高綜采工作面防滅火技術(shù)研究[J].中國礦山工程，2021，50(5)：75-78.

1.2 工作面煤層自燃災(zāi)害分析

3102工作面情況較為復(fù)雜，可能造成遺煤自燃，生產(chǎn)過程中面臨的問題有[1-3]:回采擾動(dòng)使得窄煤柱裂隙進(jìn)一步發(fā)育、漏風(fēng)加劇，大斷面長距離使得采空區(qū)面積太大難以控制，鄰近采空區(qū)水位下降使得浸水遺煤再次暴露在空氣中更容易氧化自燃，過斷層期間遺煤量增加、推進(jìn)速度減慢、自燃危險(xiǎn)大大增加。

2 工作面防滅火技術(shù)

2.1 正常回采期間防滅火技術(shù)

1)確保工作面推進(jìn)速度

加快工作面的推進(jìn)速度是防治煤層自然發(fā)火一個(gè)重要措施[4]。3102工作面的最小推進(jìn)速度為

(1)

式中：V——工作面最小推進(jìn)速度，m/d；

K——安全系數(shù)；

L氧——采空區(qū)中氧化帶長度，m；

Tmin——煤層最短自然發(fā)火期，d。

根據(jù)工作面實(shí)際情況，取K=2.71、L氧=51 m、Tmin=49 d，帶入式(1)求得V=1.67 m/d。因此，3102工作面在斜長299 m、采高5.1 m時(shí)正常生產(chǎn)條件下的最小推進(jìn)速度為1.67 m/d。

2)采空區(qū)注氮

煤礦井下有DM- 1200型膜分離移動(dòng)式制氮機(jī)，產(chǎn)氮量、輸?shù)獕毫Ψ謩e為1 200 m3/h、0.6 MPa，氮?dú)饧兌取?7%。制氮設(shè)備裝機(jī)功率約370 kW(10 kV)。制氮設(shè)備置于11盤區(qū)注氮機(jī)硐室。

對(duì)于3102工作面采空區(qū)防滅火，注氮管路全程選用φ108PE管，注氮口氮?dú)鈹U(kuò)散半徑為15～20 m。

3)采空區(qū)注漿

選用2套MDZ- 60灌漿系統(tǒng)，灌漿能力120 m3/h，通過已鋪設(shè)的D159 mm×14 mm鋼管灌注，漿液灰水比控制為1∶1.5～1∶3。對(duì)于3102工作面經(jīng)3102運(yùn)輸巷道到達(dá)3102工作面采空區(qū)，工作面推過30～40 m時(shí)開預(yù)埋管路。萬噸煤注漿量不少于100 m3。

2.2 過斷層期間防滅火技術(shù)

受DF19斷層影響工作面煤巖體破碎，工作面推進(jìn)緩慢、采空區(qū)遺煤增加。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，工作面此時(shí)整體處于俯采階段，使用注漿以及水淹方法效果不佳，因此采用以注氮惰化為主，噴灑阻化劑減少風(fēng)量為輔的措施[5-7]。

1)注氮惰化

工作面開始割底找煤前20 m，在運(yùn)輸巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)預(yù)埋注氮管路，通過束管監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)有自然發(fā)火跡象(CO明顯升高)即開始注氮，考慮到采空區(qū)面積較大，注氮速度不得小于600 m3/h。

2)噴灑阻化劑

3102運(yùn)輸巷道安設(shè)汽霧阻化泵，工作面生產(chǎn)不正常時(shí)，加大汽霧阻化量。噴灑阻化劑(MgCl2)量≥100 kg/d。

3)臨時(shí)擋風(fēng)墻

進(jìn)入斷層后，在進(jìn)回風(fēng)側(cè)與采空區(qū)相通位置以及過斷層導(dǎo)硐與工作面相通位置，每隔30～40 m，用錨網(wǎng)和風(fēng)筒布構(gòu)建一道臨時(shí)隔離墻，并用防火密閉材料噴涂四周，減小向采空區(qū)的漏風(fēng)。進(jìn)風(fēng)側(cè)臨時(shí)隔離墻全密封，懸掛危險(xiǎn)警示牌，回風(fēng)側(cè)臨時(shí)巷道距離頂板60 cm范圍內(nèi)留缺口，懸掛CO、CH4等氣體監(jiān)測儀，便于實(shí)時(shí)了解采空區(qū)內(nèi)情況，具體不同位置施工的臨時(shí)擋風(fēng)墻如圖2、3所示。

圖2 進(jìn)風(fēng)側(cè)臨時(shí)擋風(fēng)墻

圖3 回風(fēng)側(cè)臨時(shí)擋風(fēng)墻

具體工作面在過斷層期間采用的防滅火措施布置情況如圖4所示。

圖4 過斷層期間防滅火措施示意圖

2.3 相鄰采空區(qū)防滅火技術(shù)

在3102回風(fēng)巷道沿空掘巷階段，通過向窄煤柱內(nèi)鉆孔抽取氣體，發(fā)現(xiàn)相鄰已封閉的3101采空區(qū)內(nèi)存在危險(xiǎn)區(qū)域，氧氣含量維持在12%，利于遺煤的氧化。因此，工作面生產(chǎn)時(shí)需通過鉆孔檢測探頭檢測預(yù)防相鄰已封閉的3101工作面采空區(qū)自然發(fā)火情況， 如果發(fā)現(xiàn)有自然發(fā)火跡象，應(yīng)對(duì)3101采空區(qū)進(jìn)行旁路注氮、注漿等防滅火措施。

1)鉆孔束管監(jiān)測系統(tǒng)

由于3101工作面整體為仰采，采空區(qū)頂板水及3101工作面涌水會(huì)流入3101工作面采空區(qū)，采空區(qū)存在大量積水。由于礦井提前施工排水巷。經(jīng)過排水作業(yè)，采空區(qū)內(nèi)水位下降。根據(jù)錨桿漏水及排水情況，大約估計(jì)3101工作面采空區(qū)水位為633.5 m。因此，在633.5 m以下位置由于被水浸沒，自然發(fā)火可能性極大降低，而且在這些地方由于水會(huì)淹沒檢測頭，所以不必要也難以進(jìn)行鉆孔布置束管。

根據(jù)3101采空區(qū)水量分布及礦壓分布情況，鉆孔施工地點(diǎn)定在3102回風(fēng)巷道，在距巷道底板1.6 m高位置向窄煤柱施工監(jiān)測鉆孔，具體鉆孔結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 監(jiān)測鉆孔結(jié)構(gòu)圖

2)相鄰采空區(qū)防滅火措施

(1)窄煤柱噴涂密閉材料。相鄰采空區(qū)自然發(fā)火的原因是窄煤柱產(chǎn)生了漏風(fēng)通道，為采空區(qū)提供氧氣，因此，相鄰采空區(qū)防滅火應(yīng)先從堵漏入手。在超前工作面30 m范圍內(nèi)的窄煤柱進(jìn)行重點(diǎn)噴涂，同時(shí)對(duì)有明顯裂隙變形產(chǎn)生的窄煤柱也進(jìn)行噴涂作業(yè)，切斷漏風(fēng)通道。

(2)注惰性氣體防滅火技術(shù)。當(dāng)相鄰工作面的采空區(qū)有遺煤自燃風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，由回風(fēng)巷道向相鄰采空區(qū)注氮，注氮管路全程選用φ108PE管，由3102回風(fēng)巷道向3101采空區(qū)內(nèi)鉆孔注氮，氮?dú)忉尫陪@孔之間距離一般為20～30 m，特殊點(diǎn)間距10 m；注氮鉆孔孔深8～10 m，下1寸套管；注氮期間對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體保持持久檢測，最終目標(biāo)為達(dá)到3101采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度≤10%。

(3)鉆孔注漿防滅火。如果發(fā)現(xiàn)3101采空區(qū)存在高溫或者危險(xiǎn)區(qū)域，可以通過向危險(xiǎn)區(qū)域打鉆孔注漿等方式滅火。鉆孔間距一般為20～30 m，特殊點(diǎn)間距10 m；注漿鉆孔深度8～10 m。

2.4 窄煤柱防滅火技術(shù)

1)窄煤柱自然發(fā)火觀測

對(duì)于窄煤自然發(fā)火的現(xiàn)場觀測方法較為簡單，可以采用便攜式紅外測溫儀定時(shí)對(duì)窄煤柱進(jìn)行掃描，如發(fā)現(xiàn)異常區(qū)域，可以通過向窄煤柱中部打3 m鉆孔敷設(shè)測溫線和束管的方式對(duì)窄煤柱內(nèi)部的溫度和氣體進(jìn)行分析。

2)超前工作面窄煤柱防滅火措施

(1)密閉防火材料噴涂。噴涂密閉防火材料，封閉其中裂隙產(chǎn)生的漏風(fēng)通道，針對(duì)自然發(fā)火危險(xiǎn)性大的區(qū)域，進(jìn)行重點(diǎn)噴涂。

選用SPA- 3快速密閉材料進(jìn)行噴涂，在噴涂之前，需要預(yù)先確定噴涂區(qū)域，安全區(qū)域無需噴涂，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)噴涂可以大大提高噴涂效率。

由于本礦井煤層含水量大，使得一些低洼地帶一直被水浸沒，不會(huì)產(chǎn)生自然發(fā)火危害，為安全區(qū)域。但傾角較大，地勢較高處，由于剛開始被水浸濕，隨著排水，水位下降，重新露出水面的位置，浸水煤具容易自然發(fā)火，因此這些地方是危險(xiǎn)區(qū)域所在。根據(jù)3101工作面運(yùn)輸巷道剖面圖，預(yù)測3101采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域，具體見表1，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域?qū)?yīng)的煤柱進(jìn)行重點(diǎn)噴涂。

表1 危險(xiǎn)區(qū)域預(yù)測

(2)注漿加固。在3102回風(fēng)巷道超前工作面30 m范圍內(nèi)，每隔1.5 m從煤柱頂部向煤柱內(nèi)打3 m鉆孔進(jìn)行煤柱注漿工作，至煤柱底部滲出漿液為止。具體注漿量及注漿間距可根據(jù)現(xiàn)場具體情況進(jìn)行調(diào)整。

3 實(shí)施效果評(píng)價(jià)

3102工作面在正?；夭善陂g，處于較高的推進(jìn)速度之下，每天推進(jìn)距離保持在6 m以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于安全推進(jìn)速度，束管監(jiān)測3102采空區(qū)內(nèi)30 m處以及回風(fēng)隅角處CO、CH4等指標(biāo)氣體也都處于正常狀態(tài)。由于回采期間推進(jìn)速度基本保持在安全推進(jìn)速度以上，指標(biāo)氣體基本正常，只有在過斷層停采期間，由于遺煤增多以及推進(jìn)速度變慢，出現(xiàn)了指標(biāo)氣體異常情況，并及時(shí)根據(jù)預(yù)定方案采取了措施，根據(jù)現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)顯示，防滅火措施取得了很好地效果。

3102工作面于7月末進(jìn)入斷層， 工作面上隅角、采空區(qū)內(nèi)CO濃度最大為30.3×10-6、45.3×10-6，及時(shí)采取防滅火技術(shù)措施后，CO濃度開始下降。直到十月中下旬，工作面過斷層結(jié)束，導(dǎo)硐對(duì)采空區(qū)的漏風(fēng)消失，CO回落到正常值。

在工作面回采期間對(duì)鄰近工作面采空區(qū)CO、氧氣濃度進(jìn)行監(jiān)測，具體如圖6所示。從監(jiān)測結(jié)果看出，工作面回采期間鄰近工作面采空區(qū)內(nèi)CO、氧氣濃度始終在安全值范圍內(nèi)。

圖6 正?；夭善陂g相鄰老空區(qū)CO及氧氣濃度變化圖

4 結(jié)論

對(duì)回采期間不同地點(diǎn)、不同階段所面臨的自然發(fā)火危險(xiǎn)進(jìn)行了分析，根據(jù)劃分出的危險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室優(yōu)選出的自然發(fā)火指標(biāo)氣體，依據(jù)現(xiàn)場具備的防滅火條件，針對(duì)不同地點(diǎn)不同階段防滅火所面臨的不同情況，分別對(duì)3102工作面采空區(qū)、3101工作面采空區(qū)、窄煤柱區(qū)域以及正?；夭善陂g、過斷層期間提出了適應(yīng)其特征和需要的防滅火技術(shù)措施。

對(duì)于正?；夭善陂g，采取以保證安全推進(jìn)速度，實(shí)時(shí)觀測，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)即采取注氮注漿的措施；對(duì)于過斷層期間，以注氮惰化為主，噴灑阻化劑和降低風(fēng)量為輔的防滅火措施；對(duì)于相鄰采空區(qū)防滅火技術(shù)，主要采用鉆孔束管監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)采取旁路注氮、注漿等方法滅火；對(duì)于窄煤柱內(nèi)部發(fā)生的自燃，采取煤柱表面噴涂防火密閉材料，煤柱內(nèi)部注漿加固相結(jié)合的方法。通過對(duì)現(xiàn)場防滅火措施的運(yùn)用，保證了沿空掘巷及回采的安全高效進(jìn)行。