文/焦世雄 王文才
目前,大同煤礦集團(tuán)白洞礦業(yè)公司正在探索沿空留巷開(kāi)采工藝,而所采山4#煤層為自燃煤層,最短自然發(fā)火期為84天。為了防止回采過(guò)程中由于推進(jìn)緩慢、采空區(qū)漏風(fēng)等因素導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃,白洞礦業(yè)公司采用了注氮、噴灑阻化劑、臨時(shí)灌漿等綜合防滅火方法并取得了很好的效果,為沿空留巷綜采工作面防滅火積累了經(jīng)驗(yàn)。
白洞礦業(yè)公司位于大同煤田中東部,地處大同市西南約30km。
井田東西長(zhǎng)10.4km,南北寬4.0~5.9km,面積為51.21km2?,F(xiàn)正在開(kāi)采山4#煤層,其中8305工作面為沿空留巷綜采工作面。8305工作面位于礦井東盤區(qū),北為8303采空區(qū),南為補(bǔ)總回風(fēng)大巷,西為補(bǔ)總回風(fēng)大巷,東為三條盤區(qū)巷道,其上為侏羅系14-3煤層采空區(qū)8114、8116工作面,層間距約500m。工作面走向長(zhǎng)度712m,可采長(zhǎng)度625m,傾向長(zhǎng)度為198m;煤層厚度為3.1~4.0m,平均厚度為3.6m;煤層傾角1°~3°,平均傾角為2°。
根據(jù)2018年煤層自燃傾向性鑒定報(bào)告可知:山4#煤層自燃傾向性為自燃,自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí),最短自然發(fā)火期為84天。
為有效預(yù)防8305工作面采空區(qū)遺煤自燃,結(jié)合8305工作面煤層賦存條件、巷道布置、回采工藝等實(shí)際情況,同時(shí)借鑒其他礦井山4#層工作面的防火經(jīng)驗(yàn),白洞礦業(yè)公司采用了采空區(qū)注氮、噴灑阻化劑、臨時(shí)灌漿、采空區(qū)防滅火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等綜合防滅火方法。
在地面制氮機(jī)房?jī)?nèi)安裝1 套KGZP-1500型碳分子篩制氮機(jī),制氮能力為1500Nm3/h,純度≥97%,出口壓力≥0.8M Pa;1套DM-1000型膜分離制氮機(jī),制氮能力為1000Nm3/h,純度≥97%,出口壓力≥0.8MPa。
注氮路線為:地面制氮車間→主斜井→措施巷→盤區(qū)皮帶巷→2305皮帶順槽→采空區(qū)。
采用邁步式埋管注氮工藝,具體工藝如下。
在2305進(jìn)風(fēng)順槽沿采空區(qū)埋設(shè)2趟DN100mmPE管,第1趟與第2趟步距50m。第1趟管路埋入采空區(qū)50m時(shí),開(kāi)始第2趟管路注氮,第1趟管路仍保持連續(xù)注氮。當(dāng)?shù)?趟注氮管口埋入采空區(qū)100m時(shí),斷開(kāi)第1趟注氮管路,開(kāi)始第2趟管路注氮。
當(dāng)?shù)?趟注氮管口埋入采空區(qū)100m時(shí),開(kāi)始第1趟注氮管路的注氮。斷開(kāi)第2趟注氮管路。如此循環(huán),直至工作面采完為止。
(1)注氮防火惰化,即注氮后采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度不得大于7%;
(2)注氮滅火惰化,即火區(qū)內(nèi)氧氣濃度不大于3%;
(3)注氮抑制瓦斯爆炸,其采空區(qū)氧氣濃度指標(biāo)小于12%。
式中:QN—注氮流量,m3/h;
Qo—采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量,m3/min,現(xiàn)取10m3/min;
C1—采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度,20%~10%,取10%;
C2—采空區(qū)惰化防火指標(biāo),取7%;
CN—注入氮?dú)庵械牡獨(dú)鉂舛龋?8%;
K — 備 用 系 數(shù),一 般 取1.2~1.5,這里取1.2。
經(jīng)過(guò)計(jì)算,8305工作面注氮流為432m3/h,能夠滿足要求。
工作面正常推進(jìn)時(shí)要及時(shí)噴灑阻化劑,使用氣霧阻化系統(tǒng)防滅火。
選用MgCl2、CaCl2阻化劑,能夠侵入到煤的層理、節(jié)理和微小的裂縫中,在煤的表面形成液膜,由于其吸水性強(qiáng),所以在一定溫度下能保持一定水分。還可以黏附在煤的表面,形成穩(wěn)定的抗氧化的液膜,阻止煤與氧接觸,減少煤的氧化,起到隔氧阻化的作用。與同類產(chǎn)品相比,最大的特點(diǎn)是成本低,貯運(yùn)方便。
回采期間,每個(gè)圓班對(duì)工作面采空區(qū)噴灑一次阻化劑,要求阻化劑噴灑均勻,能夠覆蓋工作面底板遺煤上。
在2305巷串車處穩(wěn)裝1臺(tái)BH-160/12.5-G型的防滅火液壓泵站,經(jīng)由高壓軟管將20%的MgCl2溶液輸送到霧發(fā)生器(噴咀數(shù)量暫確定為2個(gè),即在工作面頭部和中部各安設(shè)1個(gè)噴咀,加強(qiáng)頭部的噴灑工作,可根據(jù)實(shí)際效果適當(dāng)增減),霧發(fā)生器在高壓(12.5MPa)作用下噴出阻化汽霧,85%的溶液被分散為直徑30μm的霧粒,并由風(fēng)流帶向采空區(qū)內(nèi)。為了防止霧發(fā)生器噴咀堵塞,在供液管路中裝有自動(dòng)過(guò)濾器。
根據(jù)廠家設(shè)計(jì),阻化劑與水按照阻化劑溶液濃度為20%進(jìn)行配比,阻化率為45%~60%。
噴霧量的大小與采空區(qū)丟煤量成正比。其計(jì)算公式如下:
T=KADLHS/R=0.02×0.05×1.48×198×3.2×4.8/0.85=5.30t
式中:T—日噴霧量,t;
R—霧化率,%,取85%;
K—噸煤用液量,t/t,取0.02t/t;
D—實(shí)體煤容重,t/m3,取1.48t/m3;
L—工作面長(zhǎng)度,m,取198m;
H—工作面采高,m,取3.2m;
S—日進(jìn)尺,m,取4.8m;
A—丟煤率,%。
當(dāng)注氮防滅火、噴灑阻化劑防滅火效果不理想,且工作面有發(fā)火征兆時(shí),立即啟用工作面臨時(shí)灌漿系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌漿。
根據(jù)地測(cè)科提供的標(biāo)高資料可知,2305巷煤層底板標(biāo)高約971m,5305巷煤層底板標(biāo)高約965m,2305巷比5305巷高約6m。故設(shè)計(jì)在工作面2305串車前,建立工作面臨時(shí)灌漿站,在工作面回采前將灌漿管路延接至2305巷端頭支架以里采空區(qū)50m處,對(duì)采空區(qū)實(shí)施灌漿。為了防止灌漿管路被砸而毀壞,在管路前施工#字木垛。灌漿系統(tǒng)管路如圖1所示。
式中:Q1—日灌漿所需土量,m3/d;
K—灌漿系數(shù),灌漿材料的固體體積與需要灌漿的采空區(qū)容積之比。在K值中考慮了冒落巖石的松散系數(shù)、泥漿收縮系數(shù)和跑漿系數(shù)等綜合影響。該系數(shù)應(yīng)根據(jù)各礦的實(shí)際情況確定(取值范圍0.03~0.3);
l—工作面日推進(jìn)度,m/d;
m—煤層采高,m;
h—灌漿區(qū)的傾斜長(zhǎng)度,m;
c—采煤回收率,%;g
式中,Q 2—日灌漿需水量,m3/d;
δ—水土比,我國(guó)煤礦灌漿的泥漿水土比一般使用3:1~6:1,取5:1;
K1—沖洗管路防止堵塞用水量的備用系數(shù),一般取1.10~1.25,取1.25。
礦井配置一套JSG8(A)型煤礦束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),一次進(jìn)樣可以完成對(duì)CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、N2等自然發(fā)火標(biāo)志氣體的全分析;束管總管由地面化驗(yàn)室開(kāi)始從主斜井深入井下,進(jìn)入盤區(qū)皮帶巷。
(1)束管管路布置。2305皮帶順槽束管從盤區(qū)皮帶巷總管分支,經(jīng)皮帶大巷→5305回風(fēng)順槽→工作面2305巷采空區(qū)→工作面5305巷采空區(qū)。
圖1 8305工作面埋管灌漿示意圖
(2)測(cè)點(diǎn)布置。束管線測(cè)氣口布置在2305、5305順槽采空區(qū),每隔50米布置一個(gè),隨時(shí)可以采集8305采空區(qū)內(nèi)的氣體,束管線靠巷道上幫吊掛牢固。如果束管取樣化驗(yàn)結(jié)果與采空區(qū)實(shí)際數(shù)值誤差較大,不能準(zhǔn)確反映采空區(qū)氣體成分時(shí),則必須采用取樣泵,人工取樣。
(1)人工檢測(cè)參數(shù):CO、CH4、CO2、O2和溫度。
(2)人工測(cè)點(diǎn)布置:8305工作面回采后,每班檢查8305工作面、回風(fēng)流和工作面中、尾氣體。
(3)取樣分析:8305工作面回風(fēng)流、采空區(qū)每周取樣2次,分析其氣體成分。
(1)工作面回風(fēng)流距回風(fēng)口10m~15m處安裝溫度、一氧化碳傳感器,并確保實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
(2)工作面初采線起沿空留巷內(nèi)采空區(qū)側(cè)每隔150m安裝1臺(tái)一氧化碳傳感器,并確保實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。
白洞礦業(yè)公司通過(guò)采空區(qū)注氮、噴灑阻化劑、臨時(shí)灌漿、采空區(qū)設(shè)置防滅火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等綜合防滅火方法,可以有效惰化采空區(qū)氣體,減少采空區(qū)浮煤與空氣的接觸,降低采空區(qū)溫度,從而有效防止沿空留巷綜采工作面采空區(qū)浮煤自燃事故的發(fā)生。