趙玉玲
(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦, 山西 霍州市 031412)
山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區(qū),工作面走向長(zhǎng)度175 m,傾斜長(zhǎng)度 579.5 m,北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷,南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m,西面距離二采區(qū)回風(fēng)巷25 m,東面距離2-202工作面采空區(qū)最小間距為 63 m。工作面開采 2#煤層,煤層厚度3.8 m~4.3 m,平均厚度為4.1 m,平均傾角為4°,煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜,含兩層夾矸,煤層瓦斯相對(duì)涌出量為0.28 m3/t,絕對(duì)涌出量為0.73 m3/min,為低瓦斯煤層,煤層自燃等級(jí)為Ⅰ級(jí),煤塵具有爆炸性。煤層直接頂為泥巖和砂泥巖互層,均厚為 3.0 m,基本頂為K8中細(xì)砂巖,均厚為7.2 m,直接底為泥巖,均厚4.5 m,老底為中砂巖6.5 m。
2-208 工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法,平均采高4.1 m,循環(huán)進(jìn)度為0.8 m,采空區(qū)采用全部垮落法處理,工作面采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式。由于2#煤層自燃等級(jí)為Ⅰ級(jí),采空區(qū)內(nèi)遺煤具有自燃危險(xiǎn)性。根據(jù)2#煤層的賦存特征及礦井地質(zhì)資料可知,2#煤層采空區(qū)遺煤自燃臨界氧濃度為9%。為有效掌握采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)區(qū)域,需要?jiǎng)澐殖霾煽諈^(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域。
2-208 工作面采空區(qū)采用KSS-200型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),沿著工作面的傾向方向設(shè)置6個(gè)指標(biāo)氣體的監(jiān)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)之間的間距為16 mm,2-208工作面采空區(qū)內(nèi)束管監(jiān)測(cè)的布置形式如圖1所示。
圖1 2-208工作面采空區(qū)氣體束管監(jiān)測(cè)的布置
2.2.1 采空區(qū)內(nèi)O2含量的分析
根據(jù)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果,能夠得出采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的變化規(guī)律。通過具體分析采空區(qū)內(nèi)部氧氣的濃度,能夠在一定程度上采空區(qū)的漏風(fēng)狀態(tài)[1-2]。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知,監(jiān)測(cè)點(diǎn) 1#~2#、3#~4#、5#~6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得的氧氣濃度曲線基本相似。為簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)量,本文分別選取1#測(cè)點(diǎn)、4#測(cè)點(diǎn)和6#測(cè)點(diǎn),分別代表工作面上部、中部和下部采空區(qū)氧氣濃度含量,2-208工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線如圖2(a)所示,采用Mathlab軟件處理得出的采空區(qū)氧氣濃度分布云圖如圖2(b)所示。
通過分析圖2可知,隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì),出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)?,隨著工作面推進(jìn)距離的增大,采空區(qū)范圍內(nèi)的頂板逐漸垮落,頂板的冒落壓實(shí)性也較好,進(jìn)而使得氧氣含量逐漸降低。
圖2 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系
當(dāng)工作面推進(jìn)16 m時(shí),工作面上部、中部及下部的氧氣濃度均大于18%,此時(shí)采空區(qū)內(nèi)存在著遺煤,但煤氧化產(chǎn)生的熱量會(huì)逐漸被帶走,另外該區(qū)域空氣與浮煤之間的接觸時(shí)間較短,因此煤在區(qū)域內(nèi)無法出現(xiàn)自燃現(xiàn)象,稱該區(qū)域?yàn)樯釒?。根?jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布云圖可知,采空區(qū)內(nèi)散熱帶在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的寬度分別為74 m、20 m和16 m。
當(dāng)工作面回采推進(jìn)16 m后,采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實(shí),進(jìn)而使得采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度逐漸降低[3-4],根據(jù)圖中曲線可知,此時(shí)采空區(qū)內(nèi)的氧氣含量逐漸下降。當(dāng)工作面推進(jìn)74 m后,工作面上部、中部及下部區(qū)域測(cè)點(diǎn)的氧氣含量均降低至18%以下,該區(qū)域內(nèi)遺煤氧化產(chǎn)生的熱量會(huì)不斷的在采空區(qū)內(nèi)聚集,無法有效的散開,為遺煤的自燃創(chuàng)造了充分的條件,該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)的氧化帶,根據(jù)氧氣濃度云圖能夠看出,采空區(qū)回風(fēng)側(cè)先進(jìn)入氧化帶,采空區(qū)中部其次,進(jìn)風(fēng)巷側(cè)最后。
當(dāng)工作面推進(jìn)118 m后,采空區(qū)內(nèi)基本無漏風(fēng)現(xiàn)象,工作面不同區(qū)域測(cè)點(diǎn)的氧氣含量均下降至9%以下,故在該區(qū)域煤不具備自燃的條件,將該區(qū)域稱為窒息帶,工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)、中部及進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入窒息帶的寬度分別為68 m、76 m和118 m。
2.2.2 采空區(qū)內(nèi)CO濃度分析
根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體的監(jiān)測(cè)結(jié)果,同樣能夠得出采空區(qū)內(nèi)CO濃度與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線如圖3(a)所示,采用Mathlab軟件處理得出的采空區(qū)一氧化碳濃度分布云圖如圖3(b)所示。
圖3 采空區(qū)內(nèi)一氧化碳濃度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系
通過分析圖3可知,隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行,在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)基本無CO存在,產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度較大,使得遺煤氧化產(chǎn)生的CO隨著風(fēng)流被帶到采空區(qū)中部及采空區(qū)回風(fēng)巷一側(cè),另外進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣則較為充足,故遺煤氧化產(chǎn)生的一氧化碳便較少。
從圖3(a)中能夠看出,在采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)和中部分別在工作面推進(jìn)13 m和10 m時(shí)出現(xiàn)CO,隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn),CO的濃度呈現(xiàn)出急劇增大的現(xiàn)象,當(dāng)工作面回采推進(jìn)至25 m~40 m的范圍時(shí),工作面不同區(qū)域采空區(qū)的CO濃度均達(dá)到最大值,采空區(qū)中部和回風(fēng)巷側(cè)的CO濃度最大值分別為86 cm3/m3和76 cm3/m3,隨后,隨著工作面的推進(jìn),CO的濃度逐漸降低。當(dāng)工作面推進(jìn)70 m后,采空區(qū)中部的CO消失;當(dāng)工作面推進(jìn)90 m后,采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)的CO消失。基于上述分析,可根據(jù)CO濃度將工作面劃分為3個(gè)區(qū)段:第1區(qū)段為工作面后方10 m范圍,該區(qū)段尚未出現(xiàn)CO;第2區(qū)段為采空區(qū)中部及回風(fēng)巷側(cè)17 m~40 m范圍,該區(qū)段的CO濃度逐漸增大;第3區(qū)段為工作面后方40 m,該區(qū)段采空區(qū)內(nèi)的CO濃度逐漸下降。
基于上述分析,能夠得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶范圍分別為0~74 m、0~20 m和0~16 m,氧化帶的范圍分別為74 m~118 m、50 m~76 m和16 m~68 m,窒息帶的范圍分別為與工作面距離大于118 m、76 m和68 m。
一般情況下,當(dāng)采空區(qū)“氧化帶”范圍內(nèi)的遺煤具備了自然發(fā)火的必要條件,此時(shí)遺煤并不一定會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象,另一方面,目前劃分的氧化帶范圍相對(duì)較寬,對(duì)于工作面的防滅火工作缺乏指導(dǎo)意義。為給出合理的采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域,采用matlab數(shù)據(jù)處理軟件中的極限值法,基于采空區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w實(shí)際監(jiān)測(cè)得出的CO、O2、CH4和CO2濃度數(shù)據(jù),進(jìn)行疊加處理運(yùn)算,進(jìn)而能夠得出2-208工作面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域,如圖4所示。
圖4 2-208工作面采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域
通過分析圖4可知, 2-208工作面采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)區(qū)主要位于回風(fēng)側(cè)和采空區(qū)中部。從圖4中能夠看出,采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域主要為采空區(qū)回風(fēng)側(cè)16 m~59 m的范圍,中部20 m~51 m的范圍。
根據(jù)2-208工作面煤層的自燃特性,結(jié)合上述采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的劃分結(jié)果,決定針對(duì)采空區(qū)采取灌漿+噴灑阻化劑+自燃危險(xiǎn)區(qū)灌注高效阻化泡沫的防滅火措施。
(1)采空區(qū)灌漿。采用踏步式埋管灌漿方法,即隨著回采工作面推進(jìn),向采空區(qū)內(nèi)埋管道進(jìn)行注漿,注漿步距為40 m,灌漿作業(yè)時(shí),采用黃土泥漿作為灌漿材料,取泥漿的泥:水=1:3,采用上隅角插管,向采空區(qū)注漿。
(2)噴灑阻化劑。阻化劑選用 20%濃度的工業(yè)氯化鈣溶液,采用移動(dòng)式噴灑系統(tǒng),由注液泵將阻化液經(jīng)輸液管路送到采煤工作面下隅角進(jìn)行噴灑。工作面一次噴灑量為340 kg,阻化劑的質(zhì)量為68 kg,每5 d進(jìn)行一次噴灑作業(yè)。
(3)自燃危險(xiǎn)區(qū)灌注高效阻化泡沫。根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果,在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)16 m~59 m的范圍、中部20 m~51 m的范圍進(jìn)行注高效阻化泡沫作業(yè),布置2條注漿管路,在距回風(fēng)巷煤柱幫3 m的位置布置一條規(guī)格為Φ108 mm×50 m的無縫鋼管,在距回風(fēng)巷煤柱6 m的位置處,布置一條規(guī)格為Φ42 mm×40 m的無縫鋼管,設(shè)置終孔注漿壓力為6 MPa。工作面每回采40 m進(jìn)行一次注漿作業(yè)。
根據(jù)2-208工作面煤層賦存特征及地質(zhì)條件,通過建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)分析,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果得出進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶、氧化帶和窒息帶的范圍,并通過數(shù)值處理軟件得出采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域,制定出合理的防滅火措施,保障采空區(qū)的安全。