特厚煤層綜放工作面末采期間綜合防滅火設(shè)計(jì)與應(yīng)用

孟晉偉

(挖金灣煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037000)

塔山礦主采煤層為大同煤田石炭系C3-5號(hào)特厚煤層，通過(guò)色譜吸氧鑒定法得出煤層平均吸氧量為0.6 cm3/g，自燃傾向性為Ⅱ類自燃，最短發(fā)火期為83 d，由于特厚煤層主要采用綜放開(kāi)采工藝，具有采場(chǎng)空間大、易發(fā)生采空區(qū)漏風(fēng)、頂煤回收率不高、采空區(qū)遺煤較多等特點(diǎn)[1-4]，因此對(duì)于工作面開(kāi)采期間，特別是末采期間的防滅火工作造成巨大的壓力。本文以塔山礦8117綜放工作面為例，對(duì)其進(jìn)行末采期間的綜合防滅火設(shè)計(jì)并應(yīng)用。

1 工程概況

塔山礦8117工作面可采走向長(zhǎng)度1 064 m，傾斜長(zhǎng)度281 m，平均煤厚13.8 m，采高為3.8 m。開(kāi)采工藝為一次采全厚低位放頂煤工藝，采放比為1∶2.63。開(kāi)采煤層為石炭系C3-5號(hào)煤層，煤種為1/3焦煤，埋深434～479 m。工作面采用三巷布置，即進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、頂板高抽巷，通風(fēng)方式為“U+I”型，見(jiàn)圖1。

圖1 8117工作面布置示意

通過(guò)測(cè)定采空區(qū)氧氣濃度的大小，作為劃分煤自燃“三帶”的依據(jù)，按氧氣濃度一般劃分為：不燃帶的氧氣濃度：大于18%；自燃帶的氧氣濃度：5%～18%；窒息帶的氧氣濃度：小于5%，通過(guò)實(shí)測(cè)可得出工作面煤自燃“三帶”，見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”范圍

工作面末采期間分為三個(gè)階段，預(yù)計(jì)總工期為29 d，具體為：第一階段為從工作面鋪設(shè)掛網(wǎng)鋼絲繩(距停采線17 m)至聯(lián)網(wǎng)結(jié)束(距停采線9.6 m)，預(yù)計(jì)工期為4 d；第二階段為從頂板支護(hù)至完成機(jī)道維護(hù)，工作面具備撤退條件，預(yù)計(jì)工期為10 d；第三階段為從設(shè)備開(kāi)始撤退至撤出工作面全部支架，具備工作面封閉條件，預(yù)計(jì)工期15 d，為確保8117工作面末采期間安全生產(chǎn)，需認(rèn)真研究制定綜合防滅火方案設(shè)計(jì)。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)置阻化隔離帶

工作面進(jìn)入不放煤階段前30 m位置時(shí)，必須強(qiáng)化放煤工作，確保精放細(xì)放，減少此范圍的垮落遺煤，保證與后部采空區(qū)形成一道矸石隔離帶。利用MgCl2阻化噴霧系統(tǒng)，對(duì)采空區(qū)遺煤實(shí)施不間斷噴灑阻化，氯化鎂和水的質(zhì)量配比為1∶4，濃度20%，日噴灑量不低于250 kg，確保工作面后部裸露煤體噴灑到位，應(yīng)噴盡噴。工作面日檢期間集中對(duì)頭尾端頭后采空區(qū)組織人工噴灑阻化劑(約215 kg)，以便形成一道長(zhǎng)度20 m左右的阻化隔離帶，將采空區(qū)氧化帶浮煤進(jìn)行阻化；支架停止推移后，應(yīng)及時(shí)使用阻化劑對(duì)工作面兩端頭及后部裸露煤體進(jìn)行全方位噴灑。MgCl2阻化劑防滅火技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單、投資較少且阻化劑來(lái)源廣、阻化率高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，出于對(duì)礦井水資源及減少環(huán)境污染等方面的考慮，采用MgCl2阻化劑防滅火是適宜的。

2.2 封堵端頭減少漏風(fēng)

為降低停采撤架期間的采空區(qū)漏風(fēng)，工作面推進(jìn)至不放煤階段位置時(shí)(距離停采線17 m)，在工作面兩端頭各施工1道粉煤灰封堵墻，此后端頭封堵以5 m一循環(huán)進(jìn)行構(gòu)筑，至停采線位置共施工5道封堵墻。構(gòu)筑粉煤灰墻時(shí)應(yīng)做到下寬上窄，防止構(gòu)筑過(guò)程中墻體塌落，最后一道封堵墻使用紅磚構(gòu)筑，見(jiàn)表2。對(duì)上、下端頭封堵墻、支架停止推移時(shí)后溜裸露煤體噴涂瑞克材料，要求噴涂嚴(yán)密，防止漏風(fēng)。

表2 末采期間粉煤灰封堵墻構(gòu)筑

2.3 采空區(qū)低溫注氮

進(jìn)入停采支護(hù)階段前，在進(jìn)風(fēng)巷選取合適位置安裝低溫注氮系統(tǒng)，改造進(jìn)風(fēng)巷的注氮管路，對(duì)采空區(qū)實(shí)施不間斷注氮，同時(shí)回風(fēng)巷利用3趟預(yù)埋管路進(jìn)行多點(diǎn)注氮，總注氮量不低于500 m3/h。開(kāi)始鋪網(wǎng)后，高抽巷抽放系統(tǒng)停運(yùn)，對(duì)高抽巷進(jìn)行注氮，注氮量不低于200 m3/h，并根據(jù)高抽巷瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行注氮量調(diào)整，使巷內(nèi)瓦斯?jié)舛炔怀^(guò)2%.

注氮管路預(yù)埋方案：工作面采至距停采線120 m時(shí)，開(kāi)始規(guī)劃工作面停采后進(jìn)、回風(fēng)巷注氮管路，見(jiàn)表3。確保工作面采至停采線時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷注氮管路出口位置分別位于支架切頂線以里采空區(qū)20 m、30 m、50 m、80 m及120 m處，回風(fēng)巷注氮管路出口位置分別位于支架切頂線以里采空區(qū)30 m、50 m、80 m處，既能滿足工作面推進(jìn)時(shí)正常的注氮需要，同時(shí)保證工作面停采后對(duì)采空區(qū)氧化帶的有效惰化。

表3 采空區(qū)預(yù)埋注漿管路要求

2.4 施工措施孔

鑒于以往相鄰工作面停采期間曾發(fā)生過(guò)支架上方及后方頂煤自燃事故，為提升防火安全系數(shù)，防患于未然，增加措施孔，即在支架停止推移后，使用ZLJ-700型鉆機(jī)，每隔10個(gè)支架在機(jī)道頂板向支架后上方施工1個(gè)用于測(cè)溫、低流量注氮、注阻化劑或注水的鉆孔。第一個(gè)孔施工于5號(hào)、6號(hào)架架間，工作面共計(jì)施工16個(gè)鉆孔。鉆孔孔徑為D73 mm，角度斜向上43°，長(zhǎng)度14 m，水泥封孔長(zhǎng)度0.5 m。開(kāi)孔位置為機(jī)道頂板架間處，鉆機(jī)位置在前刮板輸送架中心線，墊高后鉆機(jī)高度1.2 m，終孔位置為支架切頂線向后5 m，終孔高度全部施工至煤層頂板，見(jiàn)圖2。鉆孔施工完成后，空心鉆桿不再拔出，安排瓦斯員每班對(duì)鉆桿內(nèi)CO、O2、T等參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，觀測(cè)頂煤自燃發(fā)火狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)有溫度升高或出現(xiàn)CO氣體等自燃發(fā)火跡象時(shí)，立即通過(guò)鉆桿對(duì)異常區(qū)域?qū)嵤┳⒌?、注水等措施進(jìn)行處理。

圖2 措施孔施工示意

2.4.1 低流量注氮系統(tǒng)

進(jìn)風(fēng)巷安全出口處斷開(kāi)末端位于采空區(qū)120 m的注氮管，與沿工作面煤壁敷設(shè)的108 mm注氮管對(duì)接，沿著煤壁每隔20 m接入1個(gè)異徑三通(108 mm變42 mm)，D42 mm膠管一端與變徑三通連接，另一端與外漏鉆桿接頭對(duì)接，構(gòu)成低流量注氮系統(tǒng)。膠管也可用于注水系統(tǒng)。工作面傾斜長(zhǎng)度281 m，可接入14個(gè)三通，1個(gè)四通，對(duì)接全部16個(gè)鉆孔。每個(gè)措施孔注氮量維持在100 m3/h，注氮量可擠出煤體裂隙中空氣即可。

2.4.2 注水系統(tǒng)

沿工作面煤壁另敷設(shè)1趟108 mm鋼絲纏繞管，沿著煤壁每隔20 m接入1個(gè)異徑三通(108 mm變42 mm)，如需對(duì)措施孔進(jìn)行注水，直接將膠管與注水變徑三通對(duì)接。注水泵使用工作面原乳化液泵，通過(guò)變徑將乳化液泵與煤壁108 mm注水管對(duì)接。按照同類工作面施工經(jīng)驗(yàn)，每個(gè)大注水鉆孔15 m3/h的注水流量進(jìn)行分配，每個(gè)鉆孔注水量1 m3/h，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)注水情況進(jìn)行個(gè)別調(diào)節(jié)，漏水嚴(yán)重的鉆孔，降低其注水量，注水壓力不超過(guò)8 MPa。

2.5 加強(qiáng)氣體監(jiān)測(cè)

8117工作面通過(guò)采空區(qū)預(yù)設(shè)取樣束管，結(jié)合氣相色譜儀，對(duì)采空區(qū)氣體成份進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。本次主要對(duì)氧化帶氣體濃度進(jìn)行分析，具體在進(jìn)回風(fēng)巷向采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)束管，進(jìn)風(fēng)巷3束、回風(fēng)巷3束。使用2寸鋼管作保護(hù)套進(jìn)行吊掛，束管取樣頭分別進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)50 m、30 m、20 m，對(duì)進(jìn)入監(jiān)控范圍的采空區(qū)進(jìn)行不間斷監(jiān)測(cè)。從工作面停采鋪網(wǎng)開(kāi)始，每日利用束管自動(dòng)取樣化驗(yàn)8117工作面采空區(qū)氣體，同時(shí)安排救護(hù)隊(duì)員對(duì)工作面氣體取樣化驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)異常情況及時(shí)采取針對(duì)性措施進(jìn)行處理，見(jiàn)表4。

表4 8117工作面末采階段束管埋設(shè)及人工檢查取樣位置和要求

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

塔山礦8117工作面整個(gè)末采過(guò)程實(shí)際用時(shí)30 d，嚴(yán)格按照以上綜合防滅火方案進(jìn)行施工后，工作面在末采期間CO濃度最大值為9×10-6，最小值為5×10-6，平均濃度為7×10-6，未檢測(cè)出有C2H4、C2H2等其他自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體。結(jié)合本盤區(qū)已開(kāi)采的16個(gè)工作面末采期間氣體濃度歷史數(shù)據(jù)(最大為70×10-6，最小為13×10-6，加權(quán)平均為23×10-6)分析比較，最大濃度下降了61×10-6，最小濃度下降了8×10-6，平均濃度下降了16×10-6，取得了良好的技術(shù)效果，有力地保證了工作面末采期間的安全生產(chǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 特厚煤層綜放工作面末采期間綜合防滅火設(shè)計(jì)可以有效防范工作面自燃發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)，消除隱患、遏制火災(zāi)事故，有力保障了8117綜放工作面末采期間各項(xiàng)工作安全有序開(kāi)展。

2) 本次綜合防滅火設(shè)計(jì)思路核心是從煤炭自燃發(fā)火的三要素入手，阻斷煤炭自燃發(fā)火條件，即減少采空區(qū)遺煤、減少采空區(qū)漏風(fēng)、低溫注氮惰化采空區(qū)，從而抑制煤炭自燃。

3) 本次綜合防滅火設(shè)計(jì)還增加了施工措施孔，提升了防火安全系數(shù)，措施孔可用于煤體深部測(cè)溫、低溫低流量注氮、注阻化劑或注水，從而做到有備無(wú)患，是防滅火設(shè)計(jì)的有益補(bǔ)充。