復(fù)雜地質(zhì)工作面采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)研究

景瑞鋒

中煤新登鄭州煤業(yè)有限公司,河南 鄭州 450000

0 引言

對(duì)于有自燃發(fā)火傾向性的煤層,工作面回采期間采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火往往受到地質(zhì)構(gòu)造、回采工藝、頂板管理、通風(fēng)方式等多種因素的影響[1-2]。特別是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜的工作面,需要研究現(xiàn)有通風(fēng)、頂板管理和回采工藝條件下的采空區(qū)遺煤自燃“三帶”的分布特征,在此基礎(chǔ)上采取綜合性的措施,方能有效治理遺煤自燃[3-4]。本文以河南某礦復(fù)雜地質(zhì)條件下綜采工作面為例,介紹了采空區(qū)遺煤自燃“三帶”研究過程及分布規(guī)律,并針對(duì)性地提出綜合防滅火措施,為類似工作面防滅火工作提供經(jīng)驗(yàn)參考。

1 工作面概況

河南某礦主采二1煤層,煤層自燃發(fā)火傾向性屬于Ⅱ類 ,自燃發(fā)火期為 30～75 d,二1煤層為不穩(wěn)定煤層,厚度為1.2～12.4 m,平均厚度為5.3 m,煤層頂?shù)装逡蕴抠|(zhì)泥巖和砂巖為主。22011綜采工作面位于22采區(qū)上部,煤層厚度2.5～6.5 m,平均5.5 m,煤層傾角15°,埋深124～156 m,工作面走向長(zhǎng)度765 m,傾向長(zhǎng)度180 m,采用U型通風(fēng)方式。22011工作面煤層厚度不穩(wěn)定,工作面范圍內(nèi)存在5條落差大于3 m的斷層,且局部煤層夾矸厚度大于1.5 m,頂?shù)装寰鶠檐泿r,地質(zhì)構(gòu)造對(duì)工作面回采具有較大影響,回采速率較低。采用綜合機(jī)械化采煤,完全垮落法管理頂板。工作面在生產(chǎn)期間采空區(qū)及回風(fēng)測(cè)CO濃度較高,給礦井安全生產(chǎn)帶來較大威脅。

2 采空區(qū)遺煤自燃“三帶”研究

2.1 束管監(jiān)測(cè)

束管監(jiān)測(cè)技術(shù)是采空區(qū)氣體檢測(cè)時(shí)常用的技術(shù)方法,通過在采空區(qū)埋設(shè)束管并定期抽取、測(cè)量采空區(qū)O2和CO濃度,以此判定采空區(qū)遺煤氧化程度,為研究采空區(qū)自燃“三帶”提供重要數(shù)據(jù)。22011工作面布置4個(gè)測(cè)點(diǎn),并建立束管檢測(cè)系統(tǒng),每天對(duì)4個(gè)束管測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采氣,并送到地面實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行成分分析,主要分析O2和CO含量。4個(gè)束管測(cè)點(diǎn)分別布置在工作面上下隅角和工作面采空區(qū)中部,其中1號(hào)測(cè)點(diǎn)位于上隅角,2號(hào)測(cè)點(diǎn)距離上隅角60 m,3號(hào)測(cè)點(diǎn)位于上隅角120 m,4號(hào)測(cè)點(diǎn)位于下隅角,采用埋設(shè)方式布置。為了防止頂板冒落對(duì)束管破壞,每個(gè)束管安放在帶花眼的無縫鋼管內(nèi)部。為了防止采空區(qū)滲水對(duì)束管測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響,每個(gè)測(cè)點(diǎn)采用煤袋墊高300 mm。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

在經(jīng)過連續(xù)跟蹤測(cè)試采空區(qū)深度250 m范圍內(nèi)CO和O2濃度,并采用國(guó)內(nèi)常用的判斷自燃“三帶”的方法(O2濃度大于18%為散熱帶,O2濃度大于8%小于18%為氧化帶,O2濃度小于8%為窒息帶),對(duì)采空區(qū)進(jìn)行“三帶”劃分[5]。發(fā)現(xiàn)散熱帶為“梯形”分布,呈現(xiàn)上隅角處較下隅角處收窄,平均寬度為75 m;氧化帶近似為“平行四邊形”分布,平均寬度為120 m。“三帶”分布如圖1所示。分析認(rèn)為,受U型通風(fēng)影響,下隅角及機(jī)頭支架處屬于通風(fēng)擴(kuò)散影響區(qū)域,漏風(fēng)量大導(dǎo)致此區(qū)域O2含量相對(duì)較高,致使工作面采空區(qū)下部散熱帶寬度大于上部,形成“梯形”分布特征。工作面垮落法管理頂板,導(dǎo)致采空區(qū)氣體流場(chǎng)暢通[6],且地質(zhì)條件復(fù)雜導(dǎo)致工作面回采速率低,最終導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間長(zhǎng)且充分,所以,氧化帶寬度大。

圖1 22011工作面采空區(qū)遺煤自燃“三帶”分布情況

3 綜合防滅火措施

上述研究表明,22011工作面下隅角漏風(fēng)量大,且采空區(qū)氧化帶較寬,應(yīng)采取綜合性的防滅火措施,壓縮采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間,降低氧化帶寬度。

3.1 減少采空區(qū)下隅角漏風(fēng)

減少采空區(qū)漏風(fēng)量,是降低采空區(qū)O2濃度的有效方法,同時(shí)也是減少氧化帶寬度最有效的措施之一。22011工作面由于瓦斯條件簡(jiǎn)單,工作面生產(chǎn)期間無需瓦斯治理,所以在做好降塵措施后,確保工作面有效供風(fēng)量(適當(dāng)降低工作面風(fēng)量是減少采空區(qū)漏風(fēng)的主要技術(shù)手段);在工作面下隅角增加密閉,機(jī)頭支架間設(shè)置風(fēng)障(增大采空區(qū)漏風(fēng)阻力也是一種行之有效的技術(shù)措施)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)改進(jìn)噴淋降塵系統(tǒng)后,工作面供風(fēng)量由1 322 m3/min降至1 016 m3/min,工作面風(fēng)量降低了23%。另外,在下隅角增設(shè)一道厚度為800 mm厚的煤袋墻(并用黃泥涂抹堵縫),在機(jī)頭10架范圍內(nèi)掛設(shè)一道風(fēng)障,減少采空區(qū)漏風(fēng)。

3.2 采空區(qū)注氮

氮?dú)?N2)是一種化學(xué)性質(zhì)很穩(wěn)定的氣體,在采空區(qū)注入高濃度N2,能排走O2,降低其含量,起到阻止遺煤氧化的作用。同時(shí)流動(dòng)的N2還能吸收并帶走遺煤氧化所產(chǎn)生的熱量,降低采空區(qū)遺煤溫度,破壞其氧化條件,起到減緩遺煤氧化的作用。采空區(qū)注入N2有多種方式,包括埋管、插管和施工鉆孔等方法,根據(jù)采空區(qū)遺煤自燃程度可選用其中的一種或多種。22011工作面采用采空區(qū)埋管的方式進(jìn)行。注氮管沿工作面下隅角埋設(shè),每根管的出口間距為50 m,深入采空區(qū)75 m(氧化帶與散熱帶分界點(diǎn))開始注氮,深入采空區(qū)195 m(氧化帶與窒息帶分界點(diǎn))停止注氮。出氣口壓力0.22 MPa。如此循環(huán)埋設(shè)注氮管,直至工作面回風(fēng)隅角CO濃度降到合理值以下。

3.3 噴灑阻化劑

阻化劑是一種抗氧化劑,它噴射在采空區(qū)后可吸附在遺煤的表面,形成一層抗氧化保護(hù)膜,起到隔離煤和氧氣的作用,能降低甚至阻止遺煤的氧化能力。同時(shí)噴射阻化劑也能起到降溫作用,提高遺煤的阻燃效果和防滅火效果。22011工作面由于地質(zhì)條件復(fù)雜,工作面過斷層或煤層夾矸較厚時(shí)往往推進(jìn)緩慢,為了提高防滅火效果,可噴射適量的阻化劑。可在工作面下付巷設(shè)置阻化劑攪拌站,采用濃度為16%～19%的CaCl2溶液作為阻化劑,利用型號(hào)BZ4/15-G型礦用阻化泵沿管道送至工作面下隅角及機(jī)頭處,并采用噴射方式向采空區(qū)進(jìn)行噴灑,噴灑范圍為下回風(fēng)隅角及以上30 m范圍內(nèi)的采空區(qū)。

4 防滅火效果分析

22011綜采工作面回采期間,每隔120 m安設(shè)4個(gè)束管測(cè)點(diǎn)(方法同上),對(duì)工作面回采周期內(nèi)進(jìn)行全過程檢測(cè)。通過檢測(cè)發(fā)現(xiàn),工作面采取下隅角密閉、掛風(fēng)障、降低供風(fēng)量和采空區(qū)注氮等綜合防滅火措施后,24 h內(nèi)回風(fēng)上隅角處1號(hào)測(cè)點(diǎn),O2濃度由17.2%降至12.4%,36 h后降至6.0%,如圖2所示?？梢?工作面采取綜合防火措施后可縮小氧化帶范圍,使得采空區(qū)遺煤及時(shí)進(jìn)入到窒息帶內(nèi),消除遺煤自燃發(fā)火環(huán)境,實(shí)現(xiàn)防滅火。

圖2 采空區(qū)綜合防滅火措施后上隅角O2濃度變化情況

在工作面過斷層等地質(zhì)復(fù)雜地段,通過噴射阻化劑等技術(shù)措施后,采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)CO濃度不斷降低,當(dāng)斷層進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)60 m后,CO 濃度均處于安全指標(biāo)值以下。現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用成果表明,在22011綜采工作面采用的綜合防滅火技術(shù)取得較好成果,可滿足復(fù)雜地質(zhì)條件下采空區(qū)遺煤防滅火需要。

5 結(jié)束語

通過布置的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并以采空區(qū)內(nèi)O2濃度為判據(jù),確定22011綜采工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃“三帶”分布特征,并確定散熱帶和氧化帶的評(píng)價(jià)寬度分別為75 m和120 m。

根據(jù)22011工作面自燃“三帶”分布特征及工作面地質(zhì)條件,實(shí)施了采空區(qū)注氮、下回風(fēng)隅角密閉并掛風(fēng)障、調(diào)節(jié)工作面風(fēng)量和噴射阻化劑等綜合防滅火措施。最終使得采空區(qū)氧化帶范圍大大縮小,采空區(qū)遺煤提前進(jìn)入到窒息帶內(nèi),消除遺煤自燃發(fā)火環(huán)境,防滅火效果顯著。

礦井綜合防滅火措施經(jīng)濟(jì)成本高,應(yīng)探明采空區(qū)遺煤自燃“三帶”分布規(guī)律,根據(jù)自燃情況結(jié)合地質(zhì)條件、開采工藝等制定具體的防滅火措施,實(shí)施“一礦一策、一面一策”。