元寶灣煤礦39105 工作面有毒氣體及采空區(qū)防治技術(shù)研究

張 喜

（中煤華昱元寶灣煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036900）

1 工程概況

山西朔州山陰金海洋元寶灣煤礦39105 工作面位于一水平一采區(qū)，工作面走向長(zhǎng)度650 m，工作面寬度245 m，煤層平均傾角為7°，工作面內(nèi)9 煤厚度8.5～14.5 m，平均11 m；屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，自燃傾向性為自燃。39105 工作面南部130 m 區(qū)域范圍內(nèi)上覆4 煤層有整合前無序開采巷采區(qū)、采空區(qū)，呈南高北底，東高西低，在工作面上覆6203 工作面采后裂隙與4 煤部分采空區(qū)溝通，4 號(hào)煤層采空區(qū)內(nèi)存在遺煤氧化產(chǎn)生的一氧化碳等氣體，現(xiàn)為有效治理上覆采空區(qū)內(nèi)的有毒氣體、防止本工作面采空區(qū)遺煤自燃，特進(jìn)行防治方案研究。

2 上覆采空區(qū)有毒氣體防治

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料可知，39105 工作面上覆4煤層老空區(qū)內(nèi)的CH4、CO2、CO 濃度呈現(xiàn)向南逐步增大的趨勢(shì)，甲烷最大濃度0.31%、二氧化碳最大濃度13.55 %、一氧化碳最大濃度7 608×10-6；井田南部邊界纏腰灣古空區(qū)內(nèi)依次出現(xiàn)乙烷、乙烯、乙炔氣體，且氣體濃度呈增大趨勢(shì)，乙烷最大濃度0.023 5 %、乙烯最大濃度0.000 9 %、乙炔最大濃度0.000 2%。鉆孔內(nèi)可明顯觀測(cè)到煙氣向巷道空間溢出，鉆孔內(nèi)溫度最大達(dá)到170℃以上。因此，39105 工作面在掘進(jìn)和回采過程中將面臨上覆鄰近采空區(qū)高溫及高濃度災(zāi)害氣體的威脅，嚴(yán)重影響工作面安全回采。因此，本方案除采用增壓通風(fēng)技術(shù)防止有毒有害氣體涌出之外，擬采用對(duì)上覆4 煤采空區(qū)注三相泡沫技術(shù)置換采空區(qū)內(nèi)高溫高濃度有毒有害氣體，避免貫通上覆老空區(qū)時(shí)，氣體大量涌出，涌入工作面；此外還能避免上覆采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃以及熄滅可能存在的火區(qū)。

主要采取井下打鉆灌注三相阻化泡沫滅火材料的方法對(duì)可能存在的火區(qū)進(jìn)行治理，充分發(fā)揮三相阻化泡沫防滅火材料流量大、擴(kuò)散性強(qiáng)、吸熱降溫效果好的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)快速治理，具體方案如下：

1）均壓通風(fēng)：根據(jù)氣象條件、CO2涌出量、工作面同時(shí)工作最多人數(shù)、瓦斯涌出量等分別對(duì)工作面風(fēng)量進(jìn)行計(jì)算[4]，最終確定39105 工作面應(yīng)配風(fēng)量為1 278 m3/min。

局部通風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓計(jì)算公式為：

式中：hv為風(fēng)筒出口動(dòng)壓損失，經(jīng)計(jì)算取0.811；h為副斜井井口至39105 工作面通風(fēng)阻力，取1 009Pa；R為風(fēng)筒的總阻力，經(jīng)計(jì)算取0.920 4 N·s2/m8；Q為風(fēng)機(jī)吸風(fēng)量，14.2 m3/min；Hc為出口阻力，經(jīng)計(jì)算為180 Pa；基于上述數(shù)據(jù)能夠計(jì)算得出局部通風(fēng)機(jī)全風(fēng)壓Ht=1 571 Pa。

根據(jù)礦井當(dāng)前閑置4 臺(tái)FBD№8.0（2×75 kW）局部通風(fēng)機(jī)，擬采用“兩兩并聯(lián)”使用。現(xiàn)對(duì)其性能及效果進(jìn)行預(yù)分析。4 臺(tái)同型號(hào)同廠家的局部通風(fēng)機(jī)，其曲線也相同。根據(jù)風(fēng)壓不變，對(duì)應(yīng)相同風(fēng)壓的風(fēng)量相加的原則，可以繪制出風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行曲線。同理，可將均壓的風(fēng)壓值看作1 臺(tái)均壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓，均壓風(fēng)量的50%看作為1 臺(tái)均壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量。

圖1 FBD№8.0（2×75 kW）的通風(fēng)機(jī)性能曲線圖

由圖1 可知，當(dāng)1 臺(tái)風(fēng)機(jī)風(fēng)量在850～980 m3/min（2 臺(tái)風(fēng)機(jī)并聯(lián)風(fēng)量1 700～1 960 m3/min）時(shí)，風(fēng)壓為5 300～1 800 Pa, 均大于計(jì)算結(jié)果1 571 Pa，滿足要求。

根據(jù)39105 工作面特征，為確保工作面風(fēng)量充足，設(shè)計(jì)工作面風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗位置如圖2。風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗的具體布置如下：①在39105 主運(yùn)順槽口構(gòu)筑1 道調(diào)節(jié)墻并安設(shè)調(diào)壓風(fēng)機(jī)4 臺(tái)（2 用2 備）調(diào)壓風(fēng)機(jī)的出口通過與風(fēng)機(jī)配套的鐵風(fēng)筒延伸至調(diào)節(jié)墻內(nèi)側(cè)；②在39105 主運(yùn)聯(lián)巷構(gòu)筑一組無壓風(fēng)門；③在39105回風(fēng)繞道口構(gòu)筑2 道調(diào)壓風(fēng)門，調(diào)節(jié)風(fēng)窗大小為1.5×2 m2，并放置足夠量的窄調(diào)節(jié)板；在調(diào)節(jié)墻外側(cè)安置1 個(gè)“U”型水柱計(jì)，監(jiān)測(cè)調(diào)節(jié)墻與回風(fēng)繞道的壓差；④作業(yè)期間，所有風(fēng)機(jī)應(yīng)能實(shí)現(xiàn)雙電源自動(dòng)切換和三專兩閉鎖。

圖2 均壓通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2）鉆孔灌注三相阻化泡沫：該鉆孔主要為熄滅上部采空區(qū)及小窯火區(qū)而施工的鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，依據(jù)火區(qū)的范圍具體布置鉆孔深度、角度及個(gè)數(shù)等[5-6]。

滅火鉆孔主要是為了熄滅上部采空區(qū)及小窯火區(qū)而施工的鉆孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況可在巷道內(nèi)直接向上部采空區(qū)或小窯方向施工滅火鉆孔，必要時(shí)可以做鉆場(chǎng)實(shí)施滅火鉆孔。鉆孔個(gè)數(shù)和長(zhǎng)度視火區(qū)范圍而定。向上覆采空區(qū)及小窯火區(qū)施工鉆孔時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況布置探孔，探孔施工時(shí)應(yīng)在不同深度測(cè)量孔內(nèi)溫度并檢測(cè)氣體指標(biāo)，如發(fā)現(xiàn)溫度和氣體指標(biāo)反常必須取氣樣進(jìn)行多種指標(biāo)氣體分析，并補(bǔ)充探孔數(shù)量以確定火源點(diǎn)確切位置并將其撲滅。滅火鉆孔主要沿工作面傾向布置，鉆孔終孔位置施工至已探知或可能的火區(qū)。為充分發(fā)揮三相阻化泡沫的大流量灌注的特點(diǎn)，實(shí)施的鉆孔全程下套管，且套管內(nèi)徑大于75 mm，在圈定的火區(qū)內(nèi)施工三相阻化泡沫灌注鉆孔時(shí)，一組鉆孔一次灌注，一組鉆孔內(nèi)包含2～3 個(gè)鉆孔，灌注示意圖如圖所示。

圖3 鉆孔治理火區(qū)示意圖

3 采空區(qū)防滅火方案

為保障39105 工作面的安全回采，必須根據(jù)礦上實(shí)際情況制定針對(duì)性強(qiáng)的綜合防滅火系統(tǒng)，即建立由注氮、灌漿、三相阻化泡沫共同組成的綜合防滅火系統(tǒng)；具體防滅火系統(tǒng)中各項(xiàng)防滅火措施的參數(shù)如下：

3.1 注氮防滅火

工作面采用KM-60/10 型移動(dòng)式制氮機(jī)，注氮機(jī)注氮流量≥600 m3/h，出口壓力0.5～1 MPa，制氮機(jī)純度≥97%，功率185 kW；制氮機(jī)安裝在采區(qū)6 煤輔助運(yùn)輸巷的注氮硐室內(nèi)。灌漿管路布置的作用：為三相阻化泡沫發(fā)生裝置提供漿源。位于工作面主運(yùn)順槽敷設(shè)一趟型號(hào)為φ108 mm 的無縫鋼管，將管路作為注氮的主要管路，并在主要管路上每間隔20 m 布置1 個(gè)三通和控制閥門，通過此方式能夠?qū)Σ煽諈^(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)到的危險(xiǎn)鉆孔實(shí)現(xiàn)快速惰化[7-8]，以此達(dá)到有效控制火區(qū)發(fā)展的目的。

采空區(qū)內(nèi)注氮管路布置采用邁步式埋管，即在主輸順槽內(nèi)布置2 趟φ108 mm 的鋼管，設(shè)置2 趟管路的壓茬距離為30 m，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，當(dāng)一趟管路埋入采空區(qū)的深度達(dá)到150 m 時(shí)，此時(shí)即可開始進(jìn)行注氮作業(yè)，當(dāng)另一趟管路埋入采空區(qū)150 m 后，即可開啟第二趟注氮管路，在工作面進(jìn)一步推進(jìn)30 m 后，此時(shí)即可停止第一趟管路的注氮作業(yè)。具體工作面注氮系統(tǒng)布置如圖4 所示。

圖4 39105 工作面注氮系統(tǒng)布置示意圖

3.2 注漿防滅火系統(tǒng)

在輔運(yùn)順槽布置灌漿管路，敷設(shè)一趟型號(hào)為φ108 mm 的無縫鋼管作為注漿主管路，主管路間隔20 m 左右分出三通和控制閥門，能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)到的危險(xiǎn)鉆孔實(shí)現(xiàn)快速灌注，控制火區(qū)發(fā)展；采空區(qū)內(nèi)采用邁步式埋管，分別埋設(shè)2 趟型號(hào)為φ108 mm 的鋼管，管路壓茬距30 m，當(dāng)注漿出口進(jìn)入采空區(qū)10 m時(shí)開始注漿，隨工作面推進(jìn)依次交替連接2 趟注漿管路，邁步式注漿，具體注漿系統(tǒng)布置如圖5 所示。

圖5 39105 工作面注漿系統(tǒng)圖

3.3 三相阻化泡沫防滅火

三相阻化泡沫系統(tǒng)主要由制注漿（井下移動(dòng)式注漿系統(tǒng)）、注氮系統(tǒng)和礦用三相阻化泡沫發(fā)生器組成，三相阻化泡沫灌注管路布置同注氮系統(tǒng)。

3.4 工作面回采期間防滅火技術(shù)

1）端頭封堵：為減少工作面采空區(qū)漏風(fēng)，上下端頭自回采開始應(yīng)每推采距離隔20～30 m 砌筑2 道擋風(fēng)墻，擋風(fēng)墻中間用封堵材料封堵壓實(shí)。在跺袋隔墻外部設(shè)置擋風(fēng)簾，擋風(fēng)墻和擋風(fēng)簾的施工方式如圖6 所示。即：首先沿底板鋪設(shè)風(fēng)簾布，如圖中（1 圖）所示，而后在風(fēng)簾布的一端上壘設(shè)黃泥袋子墻，之后將風(fēng)簾緊貼袋子墻吊起（2 圖），把風(fēng)簾布的另一端利用鐵絲掛設(shè)在巷道頂板的錨網(wǎng)上（3 圖），這種方式施工的袋子墻具有更好的堵漏效果。同時(shí)還要加強(qiáng)監(jiān)督管理，每班規(guī)定專人對(duì)擋風(fēng)墻的質(zhì)量和擋風(fēng)簾的懸掛位置進(jìn)行視察，如出現(xiàn)擋風(fēng)墻上部不接頂?shù)嚷╋L(fēng)現(xiàn)象立即組織人員堵漏。

2）埋管注氮:通過預(yù)埋管注氮，可以惰化采空區(qū)，置換氧氣，降低浮煤氧化速度，稀釋有害氣體，同時(shí)可以提高工作面采空區(qū)壓能來抑制上鄰近層火區(qū)的有害氣體，工作面主運(yùn)順槽采用邁步式埋管，灌注氮?dú)?，隨采隨灌。當(dāng)工作面回采超過100 m 時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷預(yù)埋管間距由20 m 改為30 m。當(dāng)?shù)谝惶祟A(yù)埋管出口距工作面10 m 時(shí)，開始灌注氮?dú)?；?dāng)工作面推進(jìn)至距離第一趟管路出口30 m 處，開始預(yù)埋第二趟管路，當(dāng)工作面距第二趟管路出口10 m 時(shí)，第二趟管路開始灌注，第一趟管路停止灌注；以此類推交替進(jìn)行。預(yù)埋管路的端口采用鐵絲網(wǎng)罩好，并用堅(jiān)固的護(hù)欄(或石墻)保護(hù)，防止煤巖、泥水等進(jìn)入管孔內(nèi)，堵住管路出口，如圖7 所示。

圖6 跺袋墻施工方式示意圖（沿工作面走向垂直剖面）

圖7 工作面回采期間注氮防滅火示意圖

3）注漿。由于39105 工作面為俯采工作面，不利于工作面灌漿，故采用工作面封閉后灌漿，或在工作面有自然發(fā)火征兆時(shí)灌漿。灌漿工作是與回采工作緊密配合進(jìn)行。設(shè)計(jì)灌漿為三班灌漿，每天灌漿時(shí)間為10 h，若礦井自燃發(fā)火嚴(yán)重，且所需灌漿的工作面較多，宜采用四班灌漿，每天灌漿時(shí)間為15 h。灌漿時(shí)應(yīng)時(shí)刻觀察注漿效果，并適時(shí)調(diào)整灌漿量，以防發(fā)生事故。

4 效果分析

39105 工作面回采期間，采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行工作面采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體的監(jiān)測(cè)分析，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果能夠得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)或回風(fēng)側(cè)CO 和O2濃度的變化曲線如圖6 所示。

圖6 采空區(qū)進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)側(cè)CO 和O2 濃度曲線圖

分析圖6 可知，工作面采用有毒氣體防治方案及采空區(qū)防滅火方案后，采空區(qū)內(nèi)的CO 濃度始終處于較低的水平，監(jiān)測(cè)期間，在最大埋深120 m 的深度內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的CO 最大濃度最大不超過80×10-6且氧氣濃度也處于正常狀態(tài)。另外，在工作面回采期間，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果可知，回采期間采空區(qū)無遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)。

5 結(jié) 論

根據(jù)39105 工作面的賦存特征，基于9 號(hào)煤層自燃特征及上覆采空區(qū)內(nèi)有毒氣體賦存情況，設(shè)計(jì)采用均壓通風(fēng)+ 鉆孔灌注三相阻化泡沫滅火方案治理上覆采空區(qū)有毒氣體，采用注漿+注氮+高倍阻化泡沫進(jìn)行采空區(qū)防滅火，根據(jù)工作面回采期間采空區(qū)內(nèi)氣體的監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，有毒氣體防治及采空區(qū)防滅火方案實(shí)施效果顯著，有效保障了采空區(qū)的安全。