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        燕子山礦8100 綜放工作面CO 超限研判及治理

        2021-01-09 05:37:38
        山東煤炭科技 2020年12期
        關(guān)鍵詞:上隅角綜放煤體

        張 倩 高 宇

        (1.大同煤礦集團同大科技研究院,山西 大同 037003;2.大同煤礦集團總調(diào)度室,山西 大同 037003)

        大同煤田從上至下分布有侏羅系、二疊系、石炭系3 個含煤巖系,現(xiàn)多數(shù)生產(chǎn)礦井已進入二疊系和石炭系煤層進行開采。由于成煤年代久遠,煤層賦存條件復(fù)雜,造成的開采問題和隱患較多[1-2],如瓦斯異常涌出、褶曲斷層密集、火成巖大面積侵入、上覆采空區(qū)積水積氣下泄、地表裂縫引起的礦井外部漏風(fēng)等。本文以燕子山礦二疊系山西組4#層8100 綜放工作面CO 超限事件為例,研判CO 超限原因,并提出了治理措施和方案。

        1 工程背景

        二疊系山西組4#層8100 綜放工作面走向長1599 m,傾向長230 m,平均煤厚5.89 m,煤層自燃等級為Ⅱ級,最短自然發(fā)火期84 d,煤塵具有爆炸危險性。工作面共布置134 架支架,配風(fēng)量為1320 m3/min。此工作面為該盤區(qū)第二個工作面,緊臨8102 首采綜放工作面,中間有30 m 煤柱。自工作面回采以來,平均回采速度為4 m/d,上隅角甲烷、氧氣等氣體情況穩(wěn)定。回采至40~100 m 時,上隅角CO 濃度有上升趨勢,但均未超過50 ppm,最大為43 ppm,平均21 ppm。回采至100~600 m時,上隅角CO 濃度穩(wěn)定,最大為55 ppm,平均為28 ppm,采空區(qū)20 m 范圍內(nèi)CO 濃度為100 ppm。回采至600 m 時,上隅角及后溜尾CO 濃度增大,最大CO 濃度為132 ppm,采空區(qū)內(nèi)CO 濃度最大為275 ppm?;灧治鑫闯霈F(xiàn)乙烯(C2H4)、乙烷(C2H2)自然發(fā)火標志性氣體?;夭芍?00 m 時,上隅角CO 濃度穩(wěn)定于50~80 ppm,采空區(qū)內(nèi)CO濃度穩(wěn)定于160~210 ppm,無增大趨勢。

        2 原因分析

        通過對8100 綜放工作面進行煤體檢測和火成巖侵入及上覆采空區(qū)條件分析,得出上隅角CO 超限主要有以下原因。

        2.1 煤體氧化反應(yīng)

        根據(jù)山西省煤炭工業(yè)測試中心出示的同發(fā)東周窯山4#煤層自然發(fā)火標志性氣體及臨界值測試報告中分析,當(dāng)煤體溫度達到30 ℃以上時,煤體已經(jīng)進入氧化反應(yīng),產(chǎn)生CO 較其他煤層產(chǎn)生的CO 大。因此此類煤層在低溫階段,猜測其氧化反應(yīng)也相對劇烈,容易產(chǎn)生大量CO 氣體。初步判定上隅角及后溜尾CO 增大主要原因為煤體氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量CO。

        2.2 火成巖侵入影響

        二疊系山西組4#層煤層受火成巖侵入影響嚴重,產(chǎn)生的CO 被煤巖層封堵住,在采煤過程中煤體破裂,釋放出大量的CO,導(dǎo)致工作面上隅角CO超限。

        2.3 上覆采空區(qū)CO 下泄

        二疊系山西組4#層8100 綜放工作面上覆為侏羅系采空區(qū),其中上覆侏羅系13#煤層采空區(qū)距8100 綜放工作面煤層層間距為300 m。上覆13#煤層為小窯開采,根據(jù)對上覆侏羅系煤礦調(diào)研分析,其在回采13#煤層時,在8100 綜放工作面上覆煤層采區(qū)周邊CO 濃度較大,與其他小窯有串通的現(xiàn)象,曾發(fā)生過煤層自然發(fā)火現(xiàn)象。因此,8100 綜放工作面CO 超限也可能因上覆采空區(qū)CO 下泄造成。

        3 治理措施

        針對以上三種原因分析,分別對應(yīng)提出了治理措施和方案,具體如下。

        3.1 對煤體氧化反應(yīng)采取的針對性措施

        (1)合理調(diào)整綜放工作面注氮量與注氮布局。根據(jù)現(xiàn)場CO 氣體濃度實際情況,對工作面注氮量進行實時調(diào)整,確保注氮措施安全可靠。合理安排注氮步距,注氮步距由40 m 縮小至20 m,由原埋設(shè)一趟注氮管路增加至兩趟,擴大注氮范圍,注氮量為 1500~2000 m3/h。

        (2)加強噴灑阻化劑管理。在回風(fēng)巷加裝一部阻化噴霧系統(tǒng),保障綜放工作面采空區(qū)全面噴灑阻化劑,抑制煤體自然發(fā)火。

        (3)加快綜放工作面回采速度,杜絕因采空區(qū)遺煤自燃造成自然發(fā)火隱患。

        (4)合理調(diào)控綜放工作面風(fēng)量。根據(jù)綜放工作面上隅角及后溜尾實際情況,減少采空區(qū)漏風(fēng)量,合理調(diào)配工作面風(fēng)量。風(fēng)量調(diào)配至1300~1500 m3/min,即確保采空區(qū)無自然發(fā)火隱患,同時確保上隅角及后溜尾等作業(yè)地點氧氣濃度符合作業(yè)需求。

        3.2 對火成巖侵入影響采取的針對性措施

        (1)風(fēng)動風(fēng)機引流,即利用風(fēng)動風(fēng)機將支架內(nèi)風(fēng)流引至后溜尾及上隅角,確保后溜尾及上隅角風(fēng)量充足。同時加強綜采隊組、通風(fēng)區(qū)及安監(jiān)部現(xiàn)場員工對風(fēng)機與風(fēng)筒的現(xiàn)場維護,保障風(fēng)動風(fēng)機的使用與管理。

        (2)主扇負壓抽排,即在上隅角處鋪設(shè)直徑為600 mm 的負壓風(fēng)筒,沿回風(fēng)巷頂板鋪設(shè)至盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi),利用主扇負壓通過負壓風(fēng)筒將8100 綜放工作面上隅角積聚的氣體抽至盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)。在盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)筒出口設(shè)置甲烷、CO 和氧氣傳感器,隨時監(jiān)測抽出氣體的濃度,保證盤區(qū)回風(fēng)巷內(nèi)氣體不超限。

        3.3 對上覆采空區(qū)CO 下泄采取的針對性措施

        (1)合理構(gòu)筑風(fēng)障,即在工作面124#與132#支架內(nèi)構(gòu)筑兩道“I”型風(fēng)障,同時在后溜尾和回風(fēng)巷內(nèi)構(gòu)造1 道“L”型風(fēng)障,提高工作面的風(fēng)流壓力,減少上覆采空區(qū)氣體下泄的濃度,同時將工作面的新鮮風(fēng)流引至后溜和上隅角區(qū)域,保障該區(qū)域風(fēng)量充足。綜采隊每班安排專人,配合通風(fēng)區(qū)員工對風(fēng)障的維護。

        (2)排查地表裂縫,即對工作面上覆地面進行裂縫排查,對出現(xiàn)的裂縫及時用水泥和黃土封堵,確保地面不漏風(fēng)。同時,排查礦井周邊所有封閉小窯的裂縫,對出現(xiàn)的裂縫觀察風(fēng)流方向和氣體情況,并及時用水泥和黃土封堵。

        (3)粉煤灰封堵采空區(qū),即在8100 回風(fēng)順槽從上隅角沿回風(fēng)順槽提前鋪設(shè)一趟DN100 鋼絲纏繞管150 m,在工作面尾端頭構(gòu)筑1組粉煤灰端頭封堵。當(dāng)工作面回采10 m 左右,利用泥漿泵將粉煤灰沿DN100 管路注到采空區(qū)內(nèi)。粉煤灰與甲、乙料的配比為5:1:1,保證注入采空區(qū)內(nèi)的粉煤灰起凝固作用。

        (4)在8100 綜放工作面對應(yīng)區(qū)域地面上向13#煤層采空區(qū)內(nèi)灌漿。一方面利用泥漿將13#煤層采空區(qū)內(nèi)的著火點盡可能熄滅,另一方面利用泥漿將13#煤層采空區(qū)通向山4#煤層的裂縫封堵住。

        4 治理效果分析

        通過采取以上系列措施后,利用束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)CO 和O2濃度隨采空區(qū)距離變化進行分析,其變化規(guī)律如圖1、圖2。由圖可知,8100 綜放工作面采空區(qū)內(nèi)15~35 m 范圍內(nèi)O2濃度為7%左右,CO 濃度為200 ppm 左右。采空區(qū)內(nèi)O2濃度極低,不存在自然發(fā)火情況,CO 濃度比較穩(wěn)定,沒有出現(xiàn)增大的趨勢。因此判斷最終原因為上覆采空區(qū)氣體下泄,采取的主要措施為黃泥灌漿與封堵采空區(qū)。

        圖1 8100 綜放工作面CO 濃度變化曲線

        圖2 8100 綜放工作面采空區(qū)O2 濃度變化曲線

        即在地面建立集中灌漿站,通過原小窯井口為小窯采空區(qū)空間進行灌漿。灌漿材料采用附近的黃土,泥漿注漿材料配比為1(黃土):4(水),采用水力取土加壓輸送制漿方式。因上覆小窯采空區(qū)大小范圍尚未確定,初次灌漿時,分為三班倒進行連續(xù)灌注,灌滿為止。以后每周補注漿液兩次,每次注漿注滿為止,待8100 綜放工作面氣體異常情況解決后每月補注兩次,每次注漿注滿為止。截至工作面回采至1000 m 時,上隅角CO 濃度穩(wěn)定在20~24 ppm,回風(fēng)流CO 濃度穩(wěn)定在18 ppm,采空區(qū)7 m 處CO 濃度穩(wěn)定在30 ppm,取得了較好的治理效果。

        5 結(jié)語

        本文通過對二疊系山西組4#層8100 綜放工作面CO 超限原因進行分析,提出了相應(yīng)的治理措施與方案。方案實施后依據(jù)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析判斷得出工作面CO 超限最終原因為上覆采空區(qū)CO 下泄,并通過實施黃泥灌漿措施最終將CO 濃度降至安全范圍內(nèi),取得了較好的效果,為同類型礦井提供借鑒。

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