馬莉萍
(1.河南理工大學安全學院,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)因火災防治壓力較大,嚴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),對預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。
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%,有煤塵爆炸危險性。
當工作面遇到斷層時,工作面的推進速度會變慢,采空區(qū)氧化帶內(nèi)的浮煤有較長時間氧化升溫,升溫時間超過煤的自然發(fā)火期后,采空區(qū)浮煤就會自燃。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,為了防止過斷層時采空區(qū)自燃,除了采取正?;夭蓵r的自燃預防技術(shù)外,還需在遇到斷層前提前對氧化帶內(nèi)庚19 煤中部、庚20 斷層區(qū)域的煤體采取防火措施,從而使得浮煤進入氧化帶后氧化速度降低,預防采空區(qū)自燃。
在工作面推進初期,兩巷被甩入采空區(qū)后部時,由于無老頂來壓,采空區(qū)后部漏風空間非常大,尤其是距開切眼0~20 m 范圍內(nèi),兩巷漏風通道可能直達開切眼,加之開切眼形成后處于風流的氧化時間比較長,氧化條件好,因此當工作面形成后,必須先對開切眼進行阻化處理,推進一定的距離后,再進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)后部漏風風阻。
選用在水中有較高的溶解度、來源廣泛、經(jīng)濟成本低的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風巷適當位置,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前移。工作面支架每推進一排,對工作面采空區(qū)側(cè)浮煤進行一次全斷面噴灑阻化液,根據(jù)現(xiàn)場情況可以調(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,以達到最佳防滅火效果.
結(jié)合平煤二礦的實際情況,進行間歇性注氮。根據(jù)庚20 煤層自然發(fā)火特點,在下述條件下注氮:一是當工作面上隅角一氧化碳含量遞增達到24 ppm時,或者含量波動,但最高達到30 ppm 時,要立即注氮防火;二是未達到合理防火推進度時,即工作面旬推進度<15 m,必須及時注氮;三是工作面45 ℃≤采空區(qū)溫度<70 ℃,或40 ℃≤上隅角溫度<45 ℃時,必須及時注氮;四是在撤架時,當進入采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界處的煤炭達到發(fā)火期,必須及時注氮防火;五是巷道高溫煤炭進入到采空區(qū)時,必須立即注氮[2-3]。
根據(jù)實際情況,庚20 煤23190 工作面回采過程中采煤工作面風量為1900~2000 m3/min,在進風側(cè)距離工作面40 m、45 m、50 m 處分別設置注氮口進行模擬。氮氣出口緊貼底板和煤壁,注氮量采用該面注氮流量15 m3/min。當風量為2000 m3/min、注氮口為40 m 和45 m 時注氮效果較好,注氮口為50 m 時注氮效果較差??紤]到注氮口為40 m 時可以較好地使回風側(cè)的氧化帶寬度變窄,且回風側(cè)氧化區(qū)域溫度較高和回風側(cè)有高位鉆孔抽放,選用注氮口為進風側(cè)距離工作面40 m。
4.1.1 預注阻化液區(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。為了防止過斷層時采空區(qū)發(fā)生自燃,庚19 煤預注液區(qū)域按照庚20 氧化帶寬度進行預注,即過斷層前,庚19煤按照圖1 所示的預注阻化液范圍進行預注。
圖1 遇到斷層前19 煤預注阻化液區(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區(qū)域:A 區(qū)為利用回風側(cè)的高位抽放鉆孔進行提前預注阻化液,有4 個鉆孔,鉆孔參數(shù)同前;在遇到斷層前,在進風側(cè)打高位抽放鉆孔對C 區(qū)進行預注阻化液,其鉆孔參數(shù)與A 區(qū)對稱;對于B 區(qū),共有12 個鉆孔,其中1#~6#鉆孔從回風側(cè)打鉆,7#~12#鉆孔從進風側(cè)打鉆。根據(jù)需要預注阻化液的區(qū)域大小選取鉆孔的組數(shù),其詳細參數(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,每次打鉆起點都向遠離工作面方向運移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)場預注效果,可以調(diào)整鉆孔組數(shù),從而減少工作量。
4.1.3 注液工藝及時間
為了在進回風側(cè)同時進行預注阻化液,需要在進風和回風巷分別制作一套注液系統(tǒng),且加工一個多通,每個鉆孔上安裝閥門,根據(jù)需要選擇部分或全部鉆孔進行注液。在提前預注阻化液時,如果發(fā)現(xiàn)鉆孔或周圍有阻化液滲出,先暫停注液,等恢復正常后繼續(xù)注阻化液。
當鉆孔終孔到達采空區(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)時應該立刻停止對應鉆孔的注液。
圖2 19 煤中部鉆孔參數(shù)布置示意圖
當工作面過斷層時,一方面工作面推進速度變得很慢,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斷層區(qū)域的浮煤進行惰化效果較差。為了對較厚浮煤進行惰化,采用短孔注入技術(shù)對庚20 工作面斷層區(qū)域的煤體進行預注阻化液。短孔預注阻化液技術(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,一定時間后,阻化液逐步浸入煤的層理、節(jié)理、裂隙和孔隙中。當煤體被開采后,破碎的煤體與外界空氣的接觸面上會存在一層阻化液膜,可以起到阻止煤與氧接觸,達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,阻化時間長,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)設計為42個,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)省時間和成本,根據(jù)斷層影響范圍進行打孔預注阻化液,工作面兩個端頭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1 個組打注液孔,保證每個注液孔凈注液時間不低于35 min。
圖3 封孔器
當霧化的阻化液進入采空區(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阻化液膜,阻止浮煤氧化升溫;最后,當阻化液中的水分汽化時,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。在進風隅角設置3個噴頭,位于堵漏墻和支架后側(cè)。阻化液被霧化后隨風流進入空氣,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 為實體煤的密度,t/m3;L 為工作面長度,200 m;h 為采高,工作面采高為2.5 m;S 為日進尺,m;a 為工作面回采率,%。
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)。