孟村礦首采面回撤期間綜合防滅火技術(shù)研究與實(shí)踐

馮俊超

(陜西彬長(zhǎng)孟村礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713600)

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在我國國有重點(diǎn)煤礦中，內(nèi)因火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%，歸屬于采空區(qū)煤自燃發(fā)火的內(nèi)因火災(zāi)問題尤為突出[1]。采面回撤期間是采空區(qū)防滅火的重要時(shí)間節(jié)點(diǎn)，孟村礦首采面為易燃巨厚煤層,采用分層開采，綜采放頂煤工藝。該條件下采空區(qū)遺留一定厚度的底煤和頂煤，末采期間工作面推進(jìn)緩慢，回撤期間工作面停止向前推進(jìn)，回撤周期較長(zhǎng)，該期間采空區(qū)遺煤極易發(fā)生自然發(fā)火事故，研究孟村礦首采面回撤期間綜合防滅火技術(shù)對(duì)指導(dǎo)后續(xù)采面的安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 礦井及工作面概況

孟村礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中西部，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為600萬t/a，所采4號(hào)煤層為單一可采煤層，層位穩(wěn)定，傾角小于8°，煤層全厚3.70～26.30 m，平均16.25 m，煤層普氏硬度系數(shù)為1.48，礦井采用上、下分層綜放開采工藝，初期采用中央并列式通風(fēng)。井田內(nèi)白堊系洛河組上段為主要賦水層段，目前礦井涌水量760 m3/h，礦井水文地質(zhì)類型復(fù)雜。煤層最大瓦斯含量為5.55 m3/t，沒有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性，煤塵具有爆炸性。4號(hào)煤層為Ⅰ類易自燃煤層，自然發(fā)火期最短為18 d。全井田區(qū)域具有一級(jí)、二級(jí)熱害區(qū)，經(jīng)實(shí)測(cè)采掘巷道夏季溫度最高可達(dá)30 ℃。礦井為沖擊地壓礦井，所采煤層沖擊傾向危險(xiǎn)性等級(jí)為強(qiáng)，煤層底板無沖擊，頂板為弱沖擊巖層。401101工作面為首采工作面，401101工作面所在401盤區(qū)開采的4號(hào)煤層厚度為16.0～25.92 m，平均厚度為22.08 m，401101工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度2 390 m，可采長(zhǎng)度2 090 m，傾向180 m，回采煤層厚度10.5～12.0 m，平均11.6 m，采用后退式走向長(zhǎng)壁采煤法，綜合放頂煤工藝，全部垮落法管理頂板，機(jī)采高度3.5 m，放煤高度7 m，采放比1∶2，該工作面回采至距離停采線30 m，開始不放頂煤，進(jìn)入末采。

2 自然發(fā)火理論分析

根據(jù)煤自燃發(fā)火理論，煤自燃發(fā)火需要同時(shí)滿足3個(gè)條件：①煤體持續(xù)接觸氧氣被氧化；②氧化過程中煤體升溫，溫度聚集；③溫度持續(xù)升高并達(dá)到煤體臨界發(fā)火點(diǎn)[2-3]。因此，切斷向采空區(qū)供氧條件、避免煤體溫度積聚及上升是預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火的重要途徑。

基于煤自燃發(fā)火理論及孟村礦工程實(shí)際，經(jīng)研究，孟村礦401101首采面回撤期間采空區(qū)防滅火可以從以下4個(gè)方面著手：①孟村礦煤層及頂板較為堅(jiān)硬，經(jīng)長(zhǎng)期對(duì)401101采煤工作面采空區(qū)頂板斷裂特征觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)液壓支架后方煤體能夠及時(shí)冒落，進(jìn)回風(fēng)隅角后方頂板經(jīng)常不易冒落或者冒落不嚴(yán)實(shí)，該區(qū)域是向采空區(qū)漏風(fēng)的主要通道。采取措施增加采煤工作面進(jìn)回風(fēng)隅角后方頂板的冒落性，使冒落更嚴(yán)實(shí)，或者對(duì)該漏風(fēng)區(qū)域進(jìn)行快速封堵，切斷向采空區(qū)漏風(fēng)的通道是采空區(qū)防滅火的有效途徑。②根據(jù)采空區(qū)煤體自燃發(fā)火“三帶”劃分理論，采空區(qū)從空間上由近到遠(yuǎn)依次被劃分為：冷卻帶、氧化帶、窒息帶，氧化帶是煤體自燃發(fā)火預(yù)防的重點(diǎn)區(qū)域，當(dāng)采面推進(jìn)速度大于某一臨界值時(shí)可以將氧化帶甩入窒息帶，從而有效避免氧化帶煤體的持續(xù)氧化和升溫[4-5]。孟村礦401101采煤工作面末采期間，工作面推進(jìn)速度慢，平均推進(jìn)速度約為1.6 m/d，小于防滅火設(shè)計(jì)最小推進(jìn)速度2.4 m/d，回撤期間停止推進(jìn)，推進(jìn)速度不足以將采空區(qū)氧化帶甩入窒息帶，氧化帶具備持續(xù)升溫條件，并且回撤期間采空區(qū)遺煤比正?；夭善陂g更多，更有利于煤體自燃發(fā)火。因此，提高回撤效率、縮短回撤時(shí)間更有利于采空區(qū)防滅火。③研究表明：采空區(qū)注惰氣防滅火、灌漿防滅火、阻化劑防滅火等技術(shù)也是常用的有效的防滅火技術(shù)手段，在采面回撤期間有選擇性地合理運(yùn)用這些技術(shù)，是采面回撤期間采空區(qū)防滅火的技術(shù)關(guān)鍵[6-9]。④采面回撤直至完成采面周圈封閉，這期間是煤體接觸氧氣被氧化產(chǎn)熱及產(chǎn)生自然發(fā)火標(biāo)志性氣體的關(guān)鍵時(shí)期，加強(qiáng)該期間的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體檢查對(duì)于正確判斷采空區(qū)發(fā)火趨勢(shì)及指導(dǎo)礦井安全生產(chǎn)意義重大?；谝陨侠碚摷胺治觯贫艘幌盗械拿洗宓V401101首采面回撤期間綜合防滅火技術(shù)措施。

3 綜合防滅火技術(shù)研究與實(shí)踐

3.1 回撤工藝的選擇

選擇合理的回撤工藝可以提高回撤效率，孟村礦401101工作面采用“鋪高強(qiáng)纖維柔性網(wǎng)+擴(kuò)回撤通道”的方法回撤，距離停采線17.5 m時(shí)開始鋪網(wǎng)，計(jì)劃20 d完成回撤，40 d內(nèi)完成采面周圈封閉。鋪網(wǎng)回撤的工藝雖然增加了回撤的工序，但是回撤安全性大大提高，尤其是對(duì)采空區(qū)的防滅火非常有利。隨著頂板垮落，柔性尼龍網(wǎng)包裹著頂板煤巖體將回撤空間與采空區(qū)隔離開來，大大減少了向采空區(qū)漏風(fēng)，對(duì)于采空區(qū)遺煤防滅火管理非常有利。鋪網(wǎng)回撤技術(shù)示意見圖1。

圖1 鋪網(wǎng)回撤技術(shù)示意

3.2 進(jìn)回風(fēng)隅角頂板管控

對(duì)進(jìn)回風(fēng)隅角的頂板進(jìn)行預(yù)裂深孔松動(dòng)爆破，可以加速進(jìn)回風(fēng)隅角處采空區(qū)側(cè)的頂煤的冒落與落實(shí)，從而減少向采空區(qū)的漏風(fēng)量[10]。為了更好地管控進(jìn)回風(fēng)隅角后方的頂板，使其在端頭架移架后更易冒落，在401101采煤工作面末采期間根據(jù)該處頂板冒落情況，在兩端頭液壓支架架間超前位置垂直向上打預(yù)裂爆破鉆孔進(jìn)行預(yù)裂爆破，鉆孔設(shè)計(jì)直徑56 mm，鉆孔深度10 m，鉆孔間距2 m，鉆孔數(shù)量4個(gè)，單孔裝藥量4 kg。進(jìn)回風(fēng)隅角頂板超前預(yù)裂深孔松動(dòng)爆破技術(shù)示意見圖2。

圖2 進(jìn)回風(fēng)隅角頂板超前預(yù)裂深孔松動(dòng)爆破技術(shù)示意

3.3 進(jìn)回風(fēng)隅角快速封堵

進(jìn)入停采階段后，液壓支架不再向前拉架，先用卡弗尼高分子材料對(duì)架后煤體表面進(jìn)行噴漿處理，然后用0.3 m×0.3 m×0.6 m的長(zhǎng)方體水泥發(fā)泡材料在進(jìn)回風(fēng)隅角位置快速砌墻封閉，并對(duì)墻面及周邊再次用卡弗尼高分子材料進(jìn)行噴漿處理，阻斷進(jìn)回風(fēng)隅角向采空區(qū)漏風(fēng)的通道，達(dá)到快速切斷向采空區(qū)供氧通道的目的。進(jìn)回風(fēng)隅角封堵技術(shù)示意見圖3。

圖3 進(jìn)回風(fēng)隅角封堵技術(shù)示意

3.4 調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)

采面進(jìn)入回撤階段后，停止回采，工作面瓦斯涌出量與正?；夭善陂g相比將會(huì)大大減少，此時(shí)關(guān)閉瓦斯抽放系統(tǒng)，并在工作面運(yùn)輸巷靠近采面位置施工1道密閉墻，該密閉墻將采面的U型巷道分割為2個(gè)獨(dú)頭巷道，U型通風(fēng)變?yōu)?個(gè)局部通風(fēng)系統(tǒng)：即401101工作面運(yùn)順局部通風(fēng)系統(tǒng)和401101工作面回撤通道及回順局部通風(fēng)系統(tǒng)，回撤通道供風(fēng)量由1 500 m3/min調(diào)整為局部通風(fēng)約650 m3/min。調(diào)整后的通風(fēng)系統(tǒng)有兩大優(yōu)點(diǎn)：①從里往外撤架后不再對(duì)回撤通道的頂板進(jìn)行特殊管理，任其垮落，節(jié)約回撤時(shí)間；②局部通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定性更好，即使頂板隨撤隨落，也不會(huì)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)造成較大影響。

3.5 阻化劑防滅火技術(shù)

阻化劑防滅火是一種常用的防滅火技術(shù)，阻化劑與煤體接觸后，在煤體表面形成一層抗氧化保護(hù)膜，阻礙煤的氧化進(jìn)程。孟村礦401101采煤工作面在回撤前30 m時(shí)，24 h開啟架間阻化劑噴霧對(duì)架后煤體進(jìn)行噴灑，阻化劑噴霧每隔30架設(shè)置1組，阻化劑材料為工業(yè)鹽，主要成份為MgCl，質(zhì)量濃度為15%～20%.

3.6 注氮防滅火技術(shù)

注氮防滅火技術(shù)是孟村礦401101采煤工作面正?；夭善陂g的常規(guī)的防滅火措施，注氮管鋪設(shè)在工作面運(yùn)順自進(jìn)風(fēng)隅角深入采空區(qū)氧化帶，按照30 m邁步間距，兩趟管路交替進(jìn)行注氮，注氮量為1 500～1 800 m3/h。在末采期間，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角距20 m和40 m位置分別預(yù)埋1趟注氮管同時(shí)進(jìn)行注氮，并在回撤期間將注氮量調(diào)整至1 000～1 200 m3/h。注氮防滅火技術(shù)示意見圖4。

圖4 注氮防滅火技術(shù)示意

3.7 灌漿防滅火技術(shù)

灌漿防滅火也是孟村礦401101采煤工作面正?；夭善陂g的常規(guī)的防滅火措施，工作面回撤期間在架后深入采空區(qū)30 m位置預(yù)埋1趟黃泥灌漿管路進(jìn)行黃泥灌漿。

3.8 自然發(fā)火束管監(jiān)測(cè)

架后預(yù)埋束管是有效的采空區(qū)煤體自燃發(fā)火的監(jiān)測(cè)手段，401101采煤工作面末采期間，在距離采空區(qū)距10 m和25 m的位置分別預(yù)埋一趟束管監(jiān)測(cè)裝置，該束管監(jiān)測(cè)裝置可以有效監(jiān)測(cè)采面回撤期間及封閉后的采空區(qū)煤體自燃發(fā)火情況。架后預(yù)埋束管示意見圖5。

圖5 架后預(yù)埋束管示意

4 效果分析

孟村礦401101首采面回撤階段用時(shí)20 d，封閉階段用時(shí)18 d，總計(jì)用時(shí)38 d。在采面回撤、封閉及封閉結(jié)束三個(gè)階段，全程通過架后預(yù)埋的兩組束管(第一組位于架后25 m，第二組位于架后10 m)連續(xù)采樣46 d，每日采樣分析1次。因煤在氧化升溫過程中，會(huì)釋放出CO、CO2、烷烴、烯烴等指性氣體，這些氣體也會(huì)隨煤溫上升而發(fā)生規(guī)律性的變化，能預(yù)測(cè)和反映煤自燃發(fā)火狀態(tài)。CO氣體是貫穿于整個(gè)煤自燃發(fā)火過程中選取的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，C2H4可用于氣體分析法中表征低變質(zhì)程度煤著火征兆的靈敏指標(biāo)。在這里我們選定CO和C2H4為分析研究對(duì)象，采樣氣體經(jīng)色譜分析儀分析后將每日CO和C2H4氣體分別取最大值(max)和最小值(min)，分別繪制出4組氣體數(shù)據(jù)的變化趨勢(shì)圖，見圖6。由圖6可知，在采面回撤、封閉及封閉結(jié)束三個(gè)階段均未出現(xiàn)C2H4，孟村礦401101首采面末采期間在采取了優(yōu)化回撤工藝、進(jìn)回風(fēng)隅角快速封堵等一系列綜合防滅火技術(shù)的情況下，采空區(qū)CO變化在回撤期間有略微升高趨勢(shì)，在封閉期間保持穩(wěn)定，在封閉結(jié)束后快速下降，整體取得了較為滿意的效果，因此，前節(jié)所述綜合防滅火技術(shù)對(duì)于確保孟村礦401101首采面回撤期間的防滅火安全發(fā)揮了重要作用。

圖6 架后CO氣體變化趨勢(shì)圖

5 結(jié) 語

1) 孟村礦首采面回撤期間所采用的綜合防滅火技術(shù)，經(jīng)實(shí)踐取得了較為滿意的效果，正確指導(dǎo)了孟村礦401101首采面回撤期間的防滅火安全工作，為后續(xù)采面及相似工程條件下的采面回撤期間防滅火提供了可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。

2) 選擇合理的采面回撤工藝是防滅火安全的基礎(chǔ)，關(guān)乎采空區(qū)防滅火的全局，必須統(tǒng)籌考慮采面回撤與采空區(qū)防滅火安全工作。

3) 采面進(jìn)入停采階段后，立即切斷采空區(qū)供氧通道，減少向采空區(qū)漏風(fēng)、減少煤體接觸氧氣的時(shí)間并加強(qiáng)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體監(jiān)測(cè)，這是確保采空區(qū)防滅火安全的重要保障。