易燃煤層綜采工作面停采撤架期間防滅火實(shí)踐

梁志杰，劉 揚(yáng)，張 輝，孟郡伯，宋彥東

(1.華能煤業(yè)有限公司 陜西礦業(yè)分公司， 陜西 咸陽(yáng) 711300；2.中煤科工集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 沈陽(yáng) 110000； 3.陜西旬邑青崗坪礦業(yè)有限公司， 陜西 咸陽(yáng) 711300)

煤層自燃是威脅礦山安全生產(chǎn)的五大災(zāi)害之一。我國(guó)煤礦主要是井工開采，工作面煤炭采出后在工作面后方頂板垮落的地方形成采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)遺留大量煤炭資源,遺煤在頂板垮落區(qū)域內(nèi)會(huì)形成半封閉狀態(tài)，工作面回撤過(guò)程中采空區(qū)內(nèi)的遺煤極易發(fā)生自燃，威脅礦山安全生產(chǎn)[1]. 扎煤公司五牧場(chǎng)礦四區(qū)段工作面自開采以來(lái)受煤層賦存、斷層等復(fù)雜因素影響，采空區(qū)積存大量的瓦斯等有害氣體，同時(shí)，煤層發(fā)火期短、低溫氧化能力強(qiáng)，存在火災(zāi)隱患，在工作面回撤期間接連出現(xiàn)CO檢測(cè)指標(biāo)超限的現(xiàn)象。因此，該礦實(shí)施防滅火措施，以順利回撤全部液壓支架，保障安全生產(chǎn)。

1 工程概況

1.1 綜放工作面自燃情況

五牧場(chǎng)煤礦12#煤一采區(qū)四區(qū)段煤層自然發(fā)火期為1—3個(gè)月，屬I類容易自燃煤層。工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)1 380 m，傾斜寬216 m，工作面平均坡度21°，最大坡度30°，煤層平均厚度11.48 m，設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量275萬(wàn)t，采用綜放開采，采高3 m，放高8.48 m，工作面內(nèi)安設(shè)液壓支架144臺(tái)，工作面采用下行通風(fēng)，工作面絕對(duì)瓦斯涌出量0.306 m3/min. 工作面推進(jìn)879 m，剩余走向長(zhǎng)度501 m，采出煤量154萬(wàn)t. 工作面在回撤過(guò)程中，由于工作面坡度大、斜距長(zhǎng)，鋪網(wǎng)工作用時(shí)較長(zhǎng)，頂板破碎，回撤通道需打錨桿、錨索、W鋼帶支護(hù)，造成回撤準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)達(dá)35天。

四區(qū)段工作面回撤期間CO持續(xù)升高，并檢測(cè)出煤炭加速氧化標(biāo)志性氣體C2H4(乙烯)。工作面回撤134#支架時(shí)，回撤空間頂板冒落，采空區(qū)內(nèi)CO在40#支架附近涌出，2日后回撤工作面CO濃度持續(xù)升高。為保證安全，停止四區(qū)段回撤，暫時(shí)封閉工作面，采取不間斷向采空區(qū)注入氮?dú)?17天后，封閉區(qū)內(nèi)O2濃度在1%左右，N2濃度95%左右，CH4濃度小于1%. 在封閉區(qū)域內(nèi)CO及C2H4檢測(cè)數(shù)據(jù)為零后，啟封工作面，對(duì)工作面支架尾梁后部采空區(qū)噴灑噴涂材料封堵采空區(qū)，對(duì)35#—59#支架間漏風(fēng)嚴(yán)重地段向采空區(qū)壓注充填材料。在二次回撤過(guò)程中，工作面CO再次持續(xù)升高，工作面停止回撤，停止向工作面供風(fēng)，在工作面內(nèi)CO濃度2 200×10-6、CH4濃度5.2%、溫度21 ℃，根據(jù)工作面內(nèi)有害氣體變化情況，對(duì)工作面重新進(jìn)行封閉。

1.2 自然發(fā)火原因分析

采空區(qū)遺煤氧化升溫產(chǎn)生高溫點(diǎn)有3種可能[2]：1) 工作面過(guò)渡支架支護(hù)段不能放頂煤，上隅角采用錨桿、錨索支護(hù)，冒落不充分，形成較大的漏風(fēng)條帶通道，造成137#支架尾梁后部煤炭氧化升溫產(chǎn)生高溫點(diǎn)(支架撤出后熱氣消失)。2) 50#支架附近處于煤巖交界地帶，頂板巖層厚，頂煤放不出來(lái)，采空區(qū)遺煤多，大塊矸石形成漏風(fēng)供氧通道，致使此段附近采空區(qū)遺煤氧化嚴(yán)重。3) 由于工作面長(zhǎng)期處于緩慢推進(jìn)狀態(tài)，工作面后部采空區(qū)60 m范圍持續(xù)供氧時(shí)間達(dá)3.5個(gè)月，4月份工作面只推進(jìn)13.6 m，5月份推進(jìn)20 m，超過(guò)煤炭自然發(fā)火期，工作面后方采空區(qū)大范圍煤炭氧化升溫產(chǎn)生高溫點(diǎn)。

2 防滅火工程

針對(duì)四區(qū)段綜放工作面目前面臨的防滅火形勢(shì)，采用在下順槽退后工作面10 m施工一平行于工作面的防火道。通過(guò)防火道施工滅火鉆孔，壓注液態(tài)CO2給采空區(qū)降溫滅火。降溫滅火后需要在防火道內(nèi)施工壓注鉆孔，壓注隔絕空氣的粉煤灰膠體。

2.1 防火道工程

在下順槽退后工作面10 m，12#煤層頂層施工一平行于工作面的防火道(圖1). 防火道沿煤層傾向長(zhǎng)213 m，斷面2.5 m×2.5 m，坡度16°～25°30′，防火道采用錨、網(wǎng)、梁的支護(hù)形式。

圖1 壓注液態(tài)CO2鉆孔剖面示意圖

2.2 壓注液態(tài)CO2工程

1) CO2降溫原理。CO2常溫常壓下是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、抑爆、不可燃的惰性氣體。在常溫下，性質(zhì)穩(wěn)定，不易與其他元素直接化合，極微溶于水。而液態(tài)CO2是-42 ℃，性質(zhì)穩(wěn)定，具有強(qiáng)性降溫作用，1 m3液態(tài)CO2可以產(chǎn)生600 m3氣態(tài)CO2，可以快速惰化采空區(qū)[3].

2) 鉆探施工。對(duì)應(yīng)工作面CO涌出嚴(yán)重地點(diǎn)(120#、100#、50#支架)施工3個(gè)d63 mm鉆孔，通過(guò)鉆桿向采空區(qū)壓注液態(tài)CO2，利用液態(tài)CO2的強(qiáng)性降溫作用，快速降低采空區(qū)溫度，消除高溫點(diǎn)。施工鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 壓注液態(tài)CO2鉆孔參數(shù)表

鉆探過(guò)程中先使用d42 mm外平式鉆桿、d63 mm三翼金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至預(yù)定位置，抽出鉆桿，換成d58 mm外平式薄壁鉆桿、d58 mm環(huán)形鉆頭在原孔位置繼續(xù)鉆進(jìn)至預(yù)定位置(進(jìn)入采空區(qū)后鉆不動(dòng)為止)，d58 mm外平式薄壁鉆桿留在鉆孔內(nèi)作為壓注液態(tài)CO2套管使用。鉆孔施工完成后，退鉆桿0.5 m，用高壓水清洗鉆孔，在每個(gè)鉆孔管頭安設(shè)一個(gè)d64 mm高壓閥門。高壓閥門使用法蘭盤用d64 mm高壓管與CO2增壓器聯(lián)接，薄壁鉆桿管頭用8#鐵線與支護(hù)錨桿連接固定二道。孔口采用聚氨酯封孔袋封孔3.0 m.

3) 壓注液態(tài)CO2

采用液態(tài)CO2槽車、MKDZ-LZ-500型礦用液態(tài)CO2直注式防滅火裝置(5個(gè)液態(tài)CO2罐車、1臺(tái)增壓器)，在防火道內(nèi)壓注液態(tài)CO2，由上向下進(jìn)行，即先注120#支架處鉆孔再壓注100#支架處鉆孔，最后壓注50#支架處鉆孔。液態(tài)CO2罐車運(yùn)輸至防火道內(nèi)壓注地點(diǎn)后，將罐車與增壓器聯(lián)接，增壓器與鉆孔鉆桿聯(lián)接(使用d64 mm高壓管聯(lián)接)，打開閥門，通過(guò)鉆桿將CO2壓注到采空區(qū)。3個(gè)鉆孔共需壓注液態(tài)CO2100 t，對(duì)應(yīng)120#支架的鉆孔壓注液態(tài)CO240 t，對(duì)應(yīng)100#、50#支架的鉆孔壓注液態(tài)CO2各30 t. 壓注液態(tài)CO2工藝平面圖見(jiàn)圖2.

2.3 壓注粉煤灰膠體

1) 鉆探施工。

在防火道內(nèi)向采空區(qū)方向打鉆，利用鉆孔向采空區(qū)壓注粉煤灰膠體。在防火道內(nèi)每隔6 m，平行施工一個(gè)鉆孔，防火道兩端鉆孔呈扇形布置。共計(jì)施工鉆孔數(shù)量36個(gè)，鉆孔平均長(zhǎng)度57 m，鉆孔平均進(jìn)入采空區(qū)37 m.

鉆進(jìn)過(guò)程中先使用d42 mm外平式鉆桿、d50 mm三翼金剛石復(fù)合片鉆頭鉆進(jìn)至預(yù)定位置，在鉆進(jìn)過(guò)程中每隔10 m(10根鉆桿)使用氣體取樣泵對(duì)鉆孔進(jìn)行取樣(每個(gè)鉆孔取4個(gè)氣樣)；鉆探至設(shè)計(jì)孔深后，換d42 mm外平式薄壁鉆桿、d42 mm環(huán)形鉆頭在原孔位置繼續(xù)鉆進(jìn)至預(yù)定位置，將溫度傳感器探頭沿鉆桿順至終孔位置，檢測(cè)完終孔位置溫度后，退出溫度傳感器探頭10 m，繼續(xù)檢測(cè)，依次退出溫度傳感器探頭4次，每次檢測(cè)溫度時(shí)間不低于5 min，d42 mm薄壁鉆桿留在鉆孔內(nèi)，作為注漿管使用。鉆進(jìn)至終孔位置后，將鉆桿退出0.5 m，并使用高壓水沖孔5 min，鉆孔施工完成后在每個(gè)鉆孔管口安設(shè)絲堵，防止采空區(qū)有害氣體泄漏。根據(jù)檢測(cè)出鉆孔內(nèi)相應(yīng)位置的CO、C2H4(通過(guò)地面色譜儀分析CO、C2H4濃度)、溫度情況，調(diào)節(jié)此鉆孔壓注粉煤灰鉆桿出口位置及注膠量。終孔后采用封孔劑封孔，封孔長(zhǎng)度2.0 m.

圖2 壓注液態(tài)CO2工藝平面圖

2) 壓注粉煤灰膠體。

通過(guò)向采空區(qū)內(nèi)壓注粉煤灰膠體采用一次壓注，在采空區(qū)40 m范圍形成粉煤灰膠體隔離帶，防止采空區(qū)漏風(fēng)、供氧。壓注粉煤灰膠體設(shè)備由儲(chǔ)料罐、螺旋送料器、攪拌池、攪拌器、注膠機(jī)和分流器組成。鉆孔內(nèi)溫度T、CO濃度、C2H4濃度較高，應(yīng)加大注漿量，若鉆桿未達(dá)到預(yù)定位置，或注漿量未達(dá)到規(guī)定數(shù)量，應(yīng)在原鉆孔附近補(bǔ)打鉆孔壓注泥漿，確保注膠效果。

為了保證防滅火效果，鉆孔必須達(dá)到一定的注漿量，注漿量計(jì)算公式：

Q=L×B×h×R

(1)

式中，Q為注漿量，m3；L為工作面長(zhǎng)度，取216 m；B為需充填寬度，取40 m；h為采空區(qū)高度，取8 m；R為采空區(qū)孔隙率，取10%. 代入計(jì)算得Q=6 900 m3.

單孔注漿量：6 900÷36個(gè)孔=191.67 m3，取200 m3.

2.4 啟封工作面注氮

啟封后，使用風(fēng)筒、快速噴涂材料封堵23#支架以下支架后尾梁金屬網(wǎng)空間,在關(guān)鍵部位進(jìn)行補(bǔ)噴膠體。控制迎頭風(fēng)量，以保障工作面內(nèi)回撤迎頭CH4、CO、O2濃度不超限為原則，根據(jù)工作面內(nèi)O2濃度含量調(diào)節(jié)注氮量。在工作面第3次開啟后持續(xù)觀測(cè)CH4濃度小于1%，CO檢測(cè)數(shù)據(jù)為零，C2H4檢測(cè)數(shù)據(jù)為零，20天后順利撤出所有剩余液壓支架。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)集成應(yīng)用“液態(tài)二氧化碳降溫，壓注粉煤灰膠體為主，封堵采空區(qū)減小漏風(fēng)、注氮”的綜合治理技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果，有效解決了易燃煤層工作面停采撤架過(guò)程中容易產(chǎn)生的煤火災(zāi)害。