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        綜采工作面過斷層期間自然發(fā)火防治技術(shù)研究

        2020-12-16 07:42:34馬莉萍
        山東煤炭科技 2020年11期
        關(guān)鍵詞:注液煤體采空區(qū)

        馬莉萍

        (1.河南理工大學(xué)安全學(xué)院,河南 焦作 454000;

        2.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司二礦,河南 平頂山 467000)

        平煤股份二礦庚20 煤層為深部高硫突出煤層,開采深度已達(dá)800 m,煤層含硫高(3.60%~6.52%),庚組煤層賦存的正、逆斷層等地質(zhì)構(gòu)造較多,這些因素的綜合疊加,使得庚組煤層開采過程中面臨的內(nèi)因火災(zāi)防治壓力較大,嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。研究庚20 煤層工作面過斷層期間采空區(qū)自然發(fā)火防治技術(shù),對(duì)預(yù)防采煤工作面自然發(fā)火、提高礦井安全保障能力具有重要意義。

        1 工程概況

        平煤股份二礦目前主要開采己15、16 和 庚20煤層。庚20 煤層厚0.26~3.9 m,平均厚度1.52 m,屬較穩(wěn)定大部分可采煤層。煤質(zhì)屬于低~中灰,特高硫、高揮發(fā)分、特高發(fā)熱量的肥煤,但有機(jī)硫含量高,洗選脫硫效果不佳,利用上受限制。庚20 煤層的自然發(fā)火期為3~6 個(gè)月,屬自然發(fā)火煤層,煤層煤塵爆炸指數(shù)20.93%~28.23%,有煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

        2 技術(shù)方案

        當(dāng)工作面遇到斷層時(shí),工作面的推進(jìn)速度會(huì)變慢,采空區(qū)氧化帶內(nèi)的浮煤有較長(zhǎng)時(shí)間氧化升溫,升溫時(shí)間超過煤的自然發(fā)火期后,采空區(qū)浮煤就會(huì)自燃。由于從工作面向采空區(qū)深部注防火材料難度較高,尤其難以使防火材料控制采空區(qū)中部浮煤氧化自燃,因此,為了防止過斷層時(shí)采空區(qū)自燃,除了采取正?;夭蓵r(shí)的自燃預(yù)防技術(shù)外,還需在遇到斷層前提前對(duì)氧化帶內(nèi)庚19 煤中部、庚20 斷層區(qū)域的煤體采取防火措施,從而使得浮煤進(jìn)入氧化帶后氧化速度降低,預(yù)防采空區(qū)自燃。

        3 庚20 工作面正?;夭蓵r(shí)采空區(qū)自燃預(yù)防技術(shù)

        3.1 采空區(qū)堵漏風(fēng)技術(shù)

        在工作面推進(jìn)初期,兩巷被甩入采空區(qū)后部時(shí),由于無老頂來壓,采空區(qū)后部漏風(fēng)空間非常大,尤其是距開切眼0~20 m 范圍內(nèi),兩巷漏風(fēng)通道可能直達(dá)開切眼,加之開切眼形成后處于風(fēng)流的氧化時(shí)間比較長(zhǎng),氧化條件好,因此當(dāng)工作面形成后,必須先對(duì)開切眼進(jìn)行阻化處理,推進(jìn)一定的距離后,再進(jìn)行兩巷的充填與堵漏[1]。以庚20-23190 工作面為例,隨著工作面的回采,在上下順槽堆砌堵漏墻,堵漏墻可用袋子裝填沙土進(jìn)行堆砌,袋子之間用沙土充填。每間隔5 m 堆砌一座,厚度0.6 m,寬度為巷道寬度,從而增加采空區(qū)后部漏風(fēng)風(fēng)阻。

        3.2 噴灑阻化劑防滅火

        選用在水中有較高的溶解度、來源廣泛、經(jīng)濟(jì)成本低的MgCl2或者Na2CO3,作為注入高硫煤體用的阻化劑。噴灑阻化液所用的攪拌水箱放在工作面進(jìn)風(fēng)巷適當(dāng)位置,從工作面上隅角到下隅角接一趟8′高壓軟管,每隔12 m 留一個(gè)三通(帶閥門),并將高壓管吊掛在工作面液壓支架支柱上,高壓管隨工作面推進(jìn)前移。工作面支架每推進(jìn)一排,對(duì)工作面采空區(qū)側(cè)浮煤進(jìn)行一次全斷面噴灑阻化液,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可以調(diào)整工作面噴灑次數(shù)。阻化劑溶液的濃度要保持在20%左右,以達(dá)到最佳防滅火效果.

        3.3 注惰防滅火

        結(jié)合平煤二礦的實(shí)際情況,進(jìn)行間歇性注氮。根據(jù)庚20 煤層自然發(fā)火特點(diǎn),在下述條件下注氮:一是當(dāng)工作面上隅角一氧化碳含量遞增達(dá)到24 ppm時(shí),或者含量波動(dòng),但最高達(dá)到30 ppm 時(shí),要立即注氮防火;二是未達(dá)到合理防火推進(jìn)度時(shí),即工作面旬推進(jìn)度<15 m,必須及時(shí)注氮;三是工作面45 ℃≤采空區(qū)溫度<70 ℃,或40 ℃≤上隅角溫度<45 ℃時(shí),必須及時(shí)注氮;四是在撤架時(shí),當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達(dá)到發(fā)火期,必須及時(shí)注氮防火;五是巷道高溫煤炭進(jìn)入到采空區(qū)時(shí),必須立即注氮[2-3]。

        根據(jù)實(shí)際情況,庚20 煤23190 工作面回采過程中采煤工作面風(fēng)量為1900~2000 m3/min,在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面40 m、45 m、50 m 處分別設(shè)置注氮口進(jìn)行模擬。氮?dú)獬隹诰o貼底板和煤壁,注氮量采用該面注氮流量15 m3/min。當(dāng)風(fēng)量為2000 m3/min、注氮口為40 m 和45 m 時(shí)注氮效果較好,注氮口為50 m 時(shí)注氮效果較差??紤]到注氮口為40 m 時(shí)可以較好地使回風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度變窄,且回風(fēng)側(cè)氧化區(qū)域溫度較高和回風(fēng)側(cè)有高位鉆孔抽放,選用注氮口為進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面40 m。

        4 遇到斷層前庚組煤層自燃防火技術(shù)

        4.1 遇斷層前19 煤中部預(yù)注阻化液抑制煤自燃

        4.1.1 預(yù)注阻化液區(qū)域選擇

        由于庚19 煤距離庚20 有一定的距離,觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示,庚19 煤氧化帶寬度小于庚20 氧化帶寬度。為了防止過斷層時(shí)采空區(qū)發(fā)生自燃,庚19 煤預(yù)注液區(qū)域按照庚20 氧化帶寬度進(jìn)行預(yù)注,即過斷層前,庚19煤按照?qǐng)D1 所示的預(yù)注阻化液范圍進(jìn)行預(yù)注。

        圖1 遇到斷層前19 煤預(yù)注阻化液區(qū)域

        4.1.2 鉆孔布置及技術(shù)參數(shù)

        庚19 煤在傾向上被劃分成三個(gè)區(qū)域:A 區(qū)為利用回風(fēng)側(cè)的高位抽放鉆孔進(jìn)行提前預(yù)注阻化液,有4 個(gè)鉆孔,鉆孔參數(shù)同前;在遇到斷層前,在進(jìn)風(fēng)側(cè)打高位抽放鉆孔對(duì)C 區(qū)進(jìn)行預(yù)注阻化液,其鉆孔參數(shù)與A 區(qū)對(duì)稱;對(duì)于B 區(qū),共有12 個(gè)鉆孔,其中1#~6#鉆孔從回風(fēng)側(cè)打鉆,7#~12#鉆孔從進(jìn)風(fēng)側(cè)打鉆。根據(jù)需要預(yù)注阻化液的區(qū)域大小選取鉆孔的組數(shù),其詳細(xì)參數(shù)如圖2 所示,其影響半徑為5 m。為了避免鉆孔偏差相互影響,每次打鉆起點(diǎn)都向遠(yuǎn)離工作面方向運(yùn)移1 m。從中可以看出,鉆孔最深85.5 m,工作面較大,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)注效果,可以調(diào)整鉆孔組數(shù),從而減少工作量。

        4.1.3 注液工藝及時(shí)間

        為了在進(jìn)回風(fēng)側(cè)同時(shí)進(jìn)行預(yù)注阻化液,需要在進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷分別制作一套注液系統(tǒng),且加工一個(gè)多通,每個(gè)鉆孔上安裝閥門,根據(jù)需要選擇部分或全部鉆孔進(jìn)行注液。在提前預(yù)注阻化液時(shí),如果發(fā)現(xiàn)鉆孔或周圍有阻化液滲出,先暫停注液,等恢復(fù)正常后繼續(xù)注阻化液。

        當(dāng)鉆孔終孔到達(dá)采空區(qū)后,由于浮煤冒落后變得松散,使得注液量增加,且多余的阻化液會(huì)從采空區(qū)流向工作面,從而難以起到作用,因此,發(fā)現(xiàn)有阻化液流出采空區(qū)時(shí)應(yīng)該立刻停止對(duì)應(yīng)鉆孔的注液。

        圖2 19 煤中部鉆孔參數(shù)布置示意圖

        4.2 遇斷層前庚20 短孔預(yù)注阻化液抑制煤自燃

        當(dāng)工作面過斷層時(shí),一方面工作面推進(jìn)速度變得很慢,另一方面斷層區(qū)域丟入采空區(qū)的浮煤較多,利用噴灑阻化液工藝對(duì)斷層區(qū)域的浮煤進(jìn)行惰化效果較差。為了對(duì)較厚浮煤進(jìn)行惰化,采用短孔注入技術(shù)對(duì)庚20 工作面斷層區(qū)域的煤體進(jìn)行預(yù)注阻化液。短孔預(yù)注阻化液技術(shù)原理:在煤體開采前,利用煤層高壓注水工藝將阻化液注入煤體,一定時(shí)間后,阻化液逐步浸入煤的層理、節(jié)理、裂隙和孔隙中。當(dāng)煤體被開采后,破碎的煤體與外界空氣的接觸面上會(huì)存在一層阻化液膜,可以起到阻止煤與氧接觸,達(dá)到防止氧化自燃的作用[4]。該方法與向空區(qū)內(nèi)的浮煤噴灑或灌注阻化物相比較,阻化效率高,阻化時(shí)間長(zhǎng),能夠更好地防治采空區(qū)浮煤自燃。

        4.2.1 鉆孔布置及施工

        工作面注液孔的總數(shù)設(shè)計(jì)為42個(gè),鉆孔高1.5 m,孔徑42 mm,孔深大約6 m,孔間距4 m。為了節(jié)省時(shí)間和成本,根據(jù)斷層影響范圍進(jìn)行打孔預(yù)注阻化液,工作面兩個(gè)端頭0~10 m 范圍內(nèi)不打孔注液,以減少工作面兩端煤壁片幫的可能性。

        4.2.2 注液時(shí)間及系統(tǒng)

        封孔采用橡膠快速封孔器封孔,如圖3 所示。工作面鉆孔共分3 組,每14 個(gè)鉆孔為一組,1~14#鉆孔為第一組,15~28#鉆孔為第二組,29~42#鉆孔為第三組,采用BRW-200/31.5 乳化液泵注液。在檢修班一部煤電鉆機(jī)1 個(gè)組打注液孔,保證每個(gè)注液孔凈注液時(shí)間不低于35 min。

        圖3 封孔器

        4.3 遇斷層前阻化液霧化抑制采空區(qū)浮煤自燃

        當(dāng)霧化的阻化液進(jìn)入采空區(qū)后,一方面可以降低采空區(qū)內(nèi)部的氧氣濃度;另一方面阻化液附著在浮煤上后,可以在浮煤上形成一個(gè)阻化液膜,阻止浮煤氧化升溫;最后,當(dāng)阻化液中的水分汽化時(shí),可以吸收大量的熱,從而降低采空區(qū)內(nèi)部的溫度。

        4.3.1 工作面霧化噴頭安裝

        霧化噴頭安裝如圖4 所示。在進(jìn)風(fēng)隅角設(shè)置3個(gè)噴頭,位于堵漏墻和支架后側(cè)。阻化液被霧化后隨風(fēng)流進(jìn)入空氣,從而在采空區(qū)凝結(jié)惰化采空區(qū)浮煤。

        圖4 霧化噴頭安裝示意圖

        4.3.2 工作面日噴霧量

        V=(1-a)KdLhS/R (1)

        式中:V 為日噴霧量,m3;R 為霧化率,取80%;K 為每噸浮煤用液量,取0.02 m3/t;d 為實(shí)體煤的密度,t/m3;L 為工作面長(zhǎng)度,200 m;h 為采高,工作面采高為2.5 m;S 為日進(jìn)尺,m;a 為工作面回采率,%。

        5 效果分析

        庚20-23190 綜采工作面過斷層期間,采面上隅角CO 濃度維持在75~120 ppm 間,回風(fēng)流CO 濃度維持在11~18 ppm 間。采空區(qū)自燃隱患區(qū)域已得到有效的控制,防止了采空區(qū)自燃,確保了庚20 煤層工作面過斷層期間的安全生產(chǎn)。

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