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        大同礦區(qū)典型小窯隱蔽火源探測與治理關(guān)鍵技術(shù)

        2020-08-21 08:02:42李樹靜韋昌新于貴生郭江明
        煤礦安全 2020年8期
        關(guān)鍵詞:火源礦井礦區(qū)

        李樹靜,韋昌新,高 明,于貴生,郭江明

        (1.山西朔州山陰中煤順通辛安煤業(yè)有限公司,山西 朔州036900;2.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司,遼寧 沈陽110016;3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室,遼寧 撫順113122)

        煤層自然發(fā)火、煤田火與小窯火是我國煤礦火災(zāi)的主要類型[1],其中小窯火廣泛分布在我國山西大同、內(nèi)蒙烏海等礦區(qū),因私挖濫采、礦井技術(shù)資料缺失等原因,小窯火一般具有發(fā)火位置隱蔽、綜合治理難度高等特點?,F(xiàn)階段,隱蔽火源探測技術(shù)仍是煤炭行業(yè)的一項世界性難題之一,目前國內(nèi)應(yīng)用的較多的是鉆探法[2]、物探法[3]、同位素測氡法[4]、遙感法[5]等方法,各方法均有利弊,除鉆探法外,其它方法尚不能實現(xiàn)對小窯隱蔽火區(qū)的準(zhǔn)確圈定,相關(guān)探測技術(shù)有待進(jìn)一步發(fā)展。

        大同礦區(qū)是我國8 大煤炭生產(chǎn)基地之一,主產(chǎn)優(yōu)質(zhì)動力煤,整合前礦區(qū)內(nèi)小窯密布,且在整合后具有煤層埋藏淺、煤層群賦存、小窯開采破壞嚴(yán)重且礦井生產(chǎn)多被小窯隱蔽火嚴(yán)重威脅等共性特征,對礦井安全生產(chǎn)造成嚴(yán)重威脅。以典型整合礦井(辛安礦)為例,重點闡述多位鉆探法與紅外熱成像掃描法相結(jié)合的高溫火源綜合探測方法,及小窯火隱蔽火源專項治理工程,通過實施該治理工程,消除了隱蔽火源與毒害氣體擴(kuò)散威脅,建立礦井隱蔽小窯火綜合治理技術(shù)體系,保障礦井安全生產(chǎn)。

        1 隱蔽火源探測技術(shù)現(xiàn)狀與不足

        礦井隱蔽火源探測是一項世界性難題[6],現(xiàn)階段各項技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用特點:

        1)在鉆探法探測方面,建立了孔內(nèi)不同高度測溫與成孔時孔內(nèi)氣樣分析相結(jié)合的探測技術(shù)工藝。

        2)在物探法探測方面,開展了磁法、高密度電法等在煤礦火災(zāi)探測領(lǐng)域的探索性研究。

        3)在同位素測氡探測方面,通過測量氡氣濃度異常變化區(qū)域,圈定地下采空區(qū)火源的位置,探測深度可達(dá)500~800 m。

        4)在遙感法探測方面,通過提取煤火燃燒痕跡或現(xiàn)象在可見光影像和熱紅外影像中顯示出來的特征信息,結(jié)合地質(zhì)、采礦等信息與野外驗證,初步實現(xiàn)了煤田火區(qū)勘查與煤火的早期預(yù)報。

        現(xiàn)階段,火區(qū)探測技術(shù)與裝備在煤礦火災(zāi)防治應(yīng)用效果分析見表1。

        2 小窯隱蔽火源專項治理措施

        山西朔州山陰中煤順通辛安煤業(yè)有限公司(以下簡稱辛安煤礦)位于大同礦區(qū)東南部,礦井由多個小煤窯整合而成,主采4#、9#、11#等煤層,設(shè)計生產(chǎn)能力3.00 Mt/a,井田面積8.198 5 km2,礦井主采煤層生產(chǎn)期間,尤其是煤層露頭側(cè)區(qū)域,面臨著小窯破壞區(qū)及隱蔽小窯火的嚴(yán)重威脅。

        2.1 小窯隱蔽火源探測

        堅持“先探測后治理、先井下后地面”的技術(shù)原則,針對主采工作面掘進(jìn)期間檢測到的高溫及高濃CO 氣體隱患區(qū)域,采取鉆探法進(jìn)行了圈定,探測過程如下:

        表1 火區(qū)探測技術(shù)與裝備在煤礦火災(zāi)防治應(yīng)用效果分析Table 1 Application effect analysis of fire detection technology and equipment in coal mine fire prevention and control

        1)首先在井下沿巷道掘進(jìn)方向施工扇形探測鉆孔,初步圈定高溫、高濃CO 氣體隱患區(qū)域本煤層鉆孔。巷道每掘進(jìn)50 m 施工5 個檢測鉆孔,分別位于巷道掘進(jìn)方向(1 個)、巷道左幫(2 個)、巷道右?guī)停?個),井下探測鉆孔施工參數(shù)見表2。

        表2 井下探測鉆孔施工參數(shù)Table 2 Borehole construction parameters for underground exploration

        2)下部煤層鉆孔。根據(jù)巷道內(nèi)高溫與CO 氣體顯現(xiàn)特點,在施工本煤層探測孔的同時,進(jìn)一步施工下部煤層探測孔,以進(jìn)一步進(jìn)行對比分析。該層探測孔參數(shù):方位90°;傾角-6°~10°;孔深50~65 m。根據(jù)自9#~11#層鉆孔內(nèi)溫度、氣體濃度呈明顯的由低到高的梯度變化,最后判斷顯現(xiàn)的隱蔽火源區(qū)域位于下部煤層可能性極大(上覆4#煤層鉆孔內(nèi)溫度偏低,但CO 氣體濃度較高,非同一火源)。

        3)在地面進(jìn)一步施工探測檢驗孔,對井下圈定的隱蔽小窯火隱患區(qū)域進(jìn)行驗證進(jìn)一步施工地面探測孔,驗證井下圈定的隱蔽火源范圍,本著“經(jīng)濟(jì)治災(zāi)、合理治災(zāi)”的原則,共在地面施工7 個鉆孔,地面探火孔相對位置示意圖如圖1。圖1 中,1#~7#為施工的地面探火孔(兼做后期的措施孔),距掘進(jìn)巷道水平距離90~135 m,其中3#~7#孔水平間距30 m;垂直藍(lán)色線代表掘進(jìn)巷道及其走向;水平黑色線代表后期井下施工的治理措施孔。

        圖1 地面探火孔相對位置示意圖Fig.1 Diagram of relative position of ground fire detection holes

        通過進(jìn)一步檢測,地面鉆孔內(nèi)從上至下自4#、6#、9#、10#、11#號煤層,11#層層位溫度、CO 氣體濃度最高,最終驗證了井下探火孔的準(zhǔn)確性,圈定了11#層小窯隱蔽火范圍,為下一步采取針對性的治理措施奠定了扎實基礎(chǔ)。

        2.2 隱蔽火源專項治理

        根據(jù)小窯隱蔽火賦存范圍,同時結(jié)合辛安礦生產(chǎn)技術(shù)條件的實際情況,最終確定在下部煤層施工1 道隔離墻,控制小窯隱蔽火對本煤層及下部煤層采掘工作面的威脅,該墻的技術(shù)參數(shù)如下:

        1)隔離墻走向長度275 m。

        2)墻體為無機(jī)固化速凝充填材料材質(zhì)[6],為粉狀水溶性雙組份成分,2 組分融水并充分?jǐn)嚢韬?,初凝時間可控制在5 min 以內(nèi),2 h 后結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可達(dá)1.5 MPa。

        3)由本煤層掘進(jìn)巷道向下部煤層施工注漿鉆孔,平均每隔25 m 布置1 個鉆場,鉆場內(nèi)鉆孔方位75°~102°,孔徑φ75mm,孔深45~65 m 且全程下φ50 mm 套管。后期兩鉆場間平均每隔5 m 又施工了密集注漿孔,進(jìn)一步強(qiáng)化墻體構(gòu)筑質(zhì)量。

        4)配套設(shè)備為1 臺ZBYSB210/9-18.5 型注漿裝置(后期又配置1 臺),理論流量12 m3/h,理論出口壓力9 MPa,配套使用4 臺大型攪拌裝置,整套系統(tǒng)操作簡單,適用于小窯破壞巷道的快速充填[7]。

        另外,在施工完下部煤層隔離條帶后,本煤層工作面回采期間,同步采取均壓通風(fēng)措施強(qiáng)化上覆煤層毒害氣體下泄預(yù)防措施。

        3 效果分析

        注漿隔離措施[8]取得預(yù)期效果。下部煤層隱蔽小窯火隔離條帶前后共施工62 個注漿鉆孔,累計壓注SWS-1 型無機(jī)固化速凝充填材料980 t,形成的注漿量約為4 410 m3,若按小窯巷道平均斷面12 m2計算,構(gòu)筑墻體長度達(dá)到368 m,即使考慮到一定的備用系數(shù)[9],也遠(yuǎn)超設(shè)計長度,達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。治理區(qū)域內(nèi)觀測鉆孔內(nèi)CO 氣體濃度降至20×10-6,溫度降至25 ℃以下。均壓通風(fēng)措施進(jìn)一步控制了上覆煤層小窯破壞區(qū)毒害氣體的下泄威脅。本煤層工作面回采期間,及時采取了局部通風(fēng)機(jī)加風(fēng)門的均壓通風(fēng)措施[10],有效降低了毒害氣體下泄量,通過束管檢測,采空區(qū)CO 最大值始終控制在24×10-6以下。通過隔離與均壓措施的互相配合,保證了本煤層工作面的安全回采。

        4 結(jié) 語

        地面鉆探法與井下鉆探法相結(jié)合的探測方式在大同礦區(qū)東南井田典型小窯隱蔽火源的應(yīng)用上效果較為理想,對于其它礦區(qū)隱蔽火源探測具有相當(dāng)?shù)慕梃b意義;SWS-1 型無機(jī)固化速凝充填材料在大同礦區(qū)東南井田小窯嚴(yán)重破壞區(qū)的充填隔離應(yīng)用取得成功,其大規(guī)模推廣與應(yīng)用,可為小窯隱蔽火的治理提供一種新的思路。

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