綜采工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

任貴虎

(山西焦煤華晉焦煤呂梁公司，山西 孝義 032300)

煤炭資源回采期間，煤層自燃不僅會(huì)嚴(yán)重浪費(fèi)資源，而且容易引起人員傷亡，給礦井正常生產(chǎn)帶來制約[1-2]。綜采工作面回采期間，綜采設(shè)備可明顯提升煤炭開采效率、降低工作人員勞動(dòng)強(qiáng)度，但是由于綜采設(shè)備體積及重量等較大，若采面回采時(shí)出現(xiàn)火災(zāi)會(huì)給綜采設(shè)備帶來?yè)p傷、影響礦井經(jīng)濟(jì)效益[3-5]。眾多的研究成果及工程實(shí)踐表明，采用單一的防滅火技術(shù)措施防滅火效果較差，難以有效防治煤層自燃[6-9]。因此，對(duì)于容易自燃煤層綜采工作面，采用綜合防滅火技術(shù)措施，對(duì)預(yù)防煤層自燃以及自然發(fā)火治理具有重要意義。文中就對(duì)山西某礦11506綜采工作面回采期間采用的防滅火技術(shù)進(jìn)行分析，以期為其他礦井采面防滅火工作開展提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 工程概況

山西某礦主采5號(hào)煤層，煤層自然發(fā)火傾向性為II類(自然發(fā)火期介于65～106 d)，煤厚4.5～5.3 m，均值4.8 m，頂?shù)装逡苑凵皫r、炭質(zhì)泥巖及砂巖為主。11506綜采工作面位于11采區(qū)中部，采面布置4條回采巷道，通風(fēng)采用“兩進(jìn)兩回”方式，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 105 m、傾向長(zhǎng)度200 m.11506綜采工作面回采范圍內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，回采范圍內(nèi)發(fā)育有多條落差為0.5～1.2 m的斷層同時(shí)部分位置煤層有夾矸、頂板破碎，地質(zhì)構(gòu)造對(duì)采面回采影響有一定影響，在構(gòu)造發(fā)育區(qū)內(nèi)回采時(shí)推進(jìn)速度較慢。11506綜采工作面設(shè)計(jì)采高為4.7 m，采用全部垮落法管理頂板。由于采空區(qū)內(nèi)遺留有部分遺煤，采面回采期間面臨的主要安全風(fēng)險(xiǎn)為采空區(qū)遺煤自燃。為實(shí)現(xiàn)采空區(qū)防滅火工作高效開展，礦井綜合采用束管監(jiān)測(cè)、采空區(qū)注氮、減少采面漏風(fēng)以及噴灑阻化劑等防滅火措施。

2 綜合防滅火技術(shù)

2.1 束管監(jiān)測(cè)

采空區(qū)三帶分布直接影響防滅火工作開展，為掌握采空區(qū)三帶具體分布范圍，礦井在地面建設(shè)有防滅火實(shí)驗(yàn)室并配備相關(guān)分析設(shè)備，在11506綜采工作面建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，每天均對(duì)采面后方采空區(qū)、回風(fēng)流及回風(fēng)隅角氣體成分進(jìn)行分析，每周對(duì)氣樣溫度及成分變化情況進(jìn)行綜合分析。依據(jù)11506綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，在采面布置4個(gè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，1號(hào)點(diǎn)、2號(hào)點(diǎn)、3號(hào)點(diǎn)及4號(hào)點(diǎn)分別位于采空區(qū)、回風(fēng)上隅角、采面回風(fēng)流以及進(jìn)風(fēng)隅角位置。

根據(jù)相關(guān)研究成果將采空區(qū)分為散熱帶(氧氣濃度超過18%)、氧化帶(氧氣濃度介于5%～18%)以及窒息帶(氧氣濃度在5%以內(nèi))。11506綜采工作面束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取得到的采空區(qū)不同深度時(shí)氧氣濃度變化曲線如圖1所示。根據(jù)圖1數(shù)據(jù)確定，11506綜采工作面采空區(qū)散熱帶范圍內(nèi)采面后方0～90 m、氧化帶范圍內(nèi)采面后方90～200 m、窒息帶范圍內(nèi)采面后方200 m以外。

圖1 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度變化曲線

2.2 采空區(qū)注氮

采空區(qū)防滅火可選擇插管、埋管、施工鉆孔注氮方式，依據(jù)11506綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，采用埋管注氮方式進(jìn)行防滅火。通過向采空區(qū)內(nèi)注入高濃度氮?dú)饪蓽p少采空區(qū)氧氣濃度，緩解甚至抑制遺煤自燃氧化進(jìn)程；同時(shí)氮?dú)庠诹鲃?dòng)時(shí)可吸收部分遺煤氧化釋放熱量，降低遺煤周邊溫度，通過破壞遺煤氧化條件達(dá)到延緩遺煤氧化自燃進(jìn)程。具體11506綜采工作面采用的注氮方法為：

從11506綜采工作面膠帶順埋入一趟注氮管路，當(dāng)注氮管路埋入到采空區(qū)50 m時(shí)，開始埋深第二趟注氮管路。當(dāng)?shù)诙俗⒌苈烦龅诳拷釒н吔鐣r(shí)(出氮口埋入采空區(qū)約100 m)開始向采空區(qū)注氮同時(shí)停止第一趟管路注氮。如此循環(huán)注氮，直至采面回采完畢，具體采面注氮管路布置情況如圖2所示。

圖2 采面注氮管路布置示意

依據(jù)采空區(qū)三帶分布情況，將注氮管路出氮口布置采面后方100 m位置處，出氮口壓力為0.2 MPa，氮?dú)庠谧呦蚍较蛴行п尫虐霃匠^25 m，注氮口釋放間距50 m可滿足注氮需要。具體連續(xù)注氮24 h期間注氮影響范圍內(nèi)氧氣濃度變化曲線如圖3所示。

圖3 注氮影響范圍內(nèi)氧氣濃度變化曲線

從圖3中看出，連續(xù)注氮8 h后，注氮影響范圍內(nèi)采空區(qū)氧氣濃度由17.8%左右降低至12%左右、注氮24 h后氧氣濃度降至4%左右。通過采空區(qū)注氮可縮小氧化帶范圍，使得采空區(qū)遺煤及時(shí)進(jìn)入到窒息帶內(nèi)，消除遺煤自然發(fā)火環(huán)境，實(shí)現(xiàn)防滅火。

2.3 減少采面漏風(fēng)

采面漏風(fēng)會(huì)增加采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性，增大防滅火治理難度。采面供風(fēng)量過大會(huì)增大采空區(qū)漏風(fēng)量，在滿足采面供風(fēng)需要基礎(chǔ)上，應(yīng)適當(dāng)減少采面配風(fēng)量，現(xiàn)階段11506綜采工作面將配風(fēng)量由1 550 m3/min調(diào)整至1 300 m3/min.此外，在采面進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)隅角位置懸掛風(fēng)障，增大采空區(qū)漏風(fēng)通道阻力，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

2.4 噴灑阻化劑

阻化劑可吸附到遺煤表面，形成抗氧化保護(hù)膜，降低吸氧能力，通過噴灑霧化阻化劑，達(dá)到降溫、隔熱、隔氧、隔氣的功能，提高阻燃效果和防滅火效果。當(dāng)11506綜采工作面回采遇地質(zhì)構(gòu)造(斷層、褶曲或者煤層夾矸等)或者受到其他因素導(dǎo)致采面推進(jìn)速度緩慢時(shí)，采用噴灑阻化劑方式進(jìn)行防滅火。在11506膠帶巷設(shè)備列車上布置型號(hào)BZ4/15-G型礦用阻化泵，出口壓力控制在0～15 MPa，CaCl2溶液(阻化劑)放入到儲(chǔ)液筒內(nèi)進(jìn)行攪拌，濃度按照15%～20%配置。通過礦用阻化泵將阻化劑泵送至采面，從采面上下隅角位置向采空區(qū)內(nèi)、采面內(nèi)噴灑，在煤體表面形成保護(hù)膜，實(shí)現(xiàn)遺煤與氧氣隔絕，達(dá)到滅火目的。

3 防滅火效果分析

11506綜采工作面回采期間，通過束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)、回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷等位置CO濃度、O2濃度等進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)。通過監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在采面正?；夭善陂g，采空區(qū)內(nèi)O2濃度不斷降低，當(dāng)進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)60 m后，O2濃度在4%以內(nèi)且趨于穩(wěn)定；采空區(qū)CO濃度在采空區(qū)內(nèi)45～75 m位置較高，其中在采空區(qū)內(nèi)50 m位置濃度最大，為35×10-6.采面回風(fēng)巷以及回風(fēng)隅角內(nèi)均未監(jiān)測(cè)到CO.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果表明，在11506綜采工作面采用的綜合防滅火技術(shù)取得較好成果，可滿足采空區(qū)遺煤防滅火需要。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過布置的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并以采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度為判據(jù)，確定11506綜采工作面采空區(qū)內(nèi)三帶范圍為：散熱帶范圍內(nèi)采面后方0～90 m、氧化帶范圍內(nèi)采面后方90～200 m、窒息帶范圍內(nèi)采面后方200 m以外。

2) 在11506綜采工作面回采期間，采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、安全監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)自然發(fā)火進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并綜合采用采空區(qū)注氮、減少漏風(fēng)、噴灑阻化劑等措施進(jìn)行防滅火。將注氮口釋放位置確定在采空區(qū)散熱帶與氧化帶邊緣位置，即采空區(qū)內(nèi)后方100 m位置，釋放壓力為0.2 MPa，氮?dú)膺B續(xù)釋放24 h后，注氮影響范圍內(nèi)氧氣濃度降低至4%以內(nèi)，通過注氮可明顯降低采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度、增大窒息帶范圍；通過適當(dāng)減少采面配風(fēng)，在進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)隅角位置布置風(fēng)障，達(dá)到減少采空區(qū)漏風(fēng)目的，減少采空區(qū)內(nèi)氧氣供應(yīng)量；在采面回采遇地質(zhì)構(gòu)造或者推進(jìn)緩慢位置噴灑阻化劑，隔絕氧氣與遺煤，抑制遺煤自然氧化進(jìn)程。

3) 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用后，11506綜采工作面在回采期間僅在采空區(qū)內(nèi)監(jiān)測(cè)到CO濃度，最大為35×10-6，采面回風(fēng)隅角及回風(fēng)巷監(jiān)測(cè)CO濃度均為0，表明現(xiàn)場(chǎng)采用的防滅火技術(shù)措施應(yīng)用效果顯著。