王 瑞

(山西臨汾西山能源有限責(zé)任公司,山西 臨汾 041099)

綜放工作面采空區(qū)遺留煤容易引起自然發(fā)火,這是綜放開采存在的主要問題之一[1-3]。遺煤自燃會產(chǎn)生大量一氧化碳、二氧化碳?xì)怏w,不僅會使人員中毒窒息,而且還會引發(fā)粉塵、瓦斯爆炸,使災(zāi)害進(jìn)一步擴(kuò)大。近年來,因煤炭自燃造成的瓦斯爆炸事故也有增多的趨勢[4]。在淺埋深條件下,由于采空區(qū)塌陷與地表溝通漏風(fēng),更容易引起自然發(fā)火[5]。綜放工作面拆架期間為了防治煤自燃,國內(nèi)外目前廣泛采用注水、黃泥灌漿、噴灑阻化劑、注入惰性氣體等技術(shù)[6]。其中,注水和注漿是經(jīng)典有效的防滅火措施,但由于重力作用,對高位火災(zāi)的處理還是存在一定缺陷的。注膠對封堵煤體裂隙、固化煤體都有顯著的作用,其材料耐高溫,但凝膠反應(yīng)多數(shù)為放熱反應(yīng),產(chǎn)生的熱量在煤氧反應(yīng)初期對煤炭自燃有促進(jìn)作用。阻化劑噴灑技術(shù)可以在煤體表面形成水膜,阻滯煤氧接觸,但理論上來說,該技術(shù)僅能隔絕表面煤體的氧化,由于采空區(qū)遺煤裂隙發(fā)達(dá)、不能從根本上對防滅火工作起到實(shí)質(zhì)作用。注入惰性氣體可以降低采空區(qū)氧氣濃度,但易受風(fēng)流影響,需確定埋管深度及注入量，防止溢入采空區(qū),且該技術(shù)成本較高。生輝煤業(yè)工作面在拆架前出現(xiàn)了CO濃度超限現(xiàn)象,針對工作面實(shí)際情況,通過調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng),降低供給風(fēng)量,結(jié)合注水、注漿、噴灑阻化劑的綜合防滅火措施,有效防治了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火,確保了拆架工作的安全進(jìn)行,并在規(guī)定時(shí)限內(nèi)完成了封閉工作。

1 工作面概況

生輝煤業(yè)開采煤層為9+10+11#煤層,煤層賦存穩(wěn)定,蓋山厚度213～264 m,平均238 m,傾角0°～6°,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,層間含2～7層夾石。頂板為石灰?guī)r,底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖,為井田范圍內(nèi)穩(wěn)定全區(qū)可采煤層。采用低位放頂煤綜合機(jī)械化采煤方法,一次性采全高。煤層屬于II類自燃煤層,最短自然發(fā)火期82天。

20106工作面開采9+10+11#煤層時(shí)采取低位放頂煤綜合機(jī)械化采煤方法,沿底板掘進(jìn)運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽和開切眼,工作面走向長625 m,傾斜長180 m,工作面煤厚為6.8 m,工作面采高為2.5 m,放頂煤4.3 m,采放比為1∶1.72,絕對瓦斯涌出量1.78 m3/min,相對瓦斯涌出量為1.23 m3/t。工作面即將回采至停采線附近時(shí),由于地方政策影響停產(chǎn)27 d,后部采空區(qū)發(fā)生一氧化碳涌出異常及溫度異常區(qū)域,且由于頂板壓力過大和支架老化,使得拆架過程中安全隱患增大。

2 拆架工作中的通風(fēng)安全

2.1 拆架期間的通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整

由于擴(kuò)循環(huán)時(shí)間過長,頂板壓力大,支架老化,導(dǎo)致拆架工作存在很大困難,加之工作面存在自然發(fā)火危險(xiǎn),必須盡快完成拆架工作,及時(shí)封閉工作面,保證人機(jī)安全。因此,基于目前防滅火工作存在的問題,制定了調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng),兩巷同時(shí)拆架的措施。

采機(jī)及運(yùn)輸機(jī)拆除過程中,在皮帶順槽安設(shè)軌道,同時(shí)用風(fēng)鎬掘進(jìn)回風(fēng)聯(lián)巷至工作面切眼位置,原回風(fēng)聯(lián)巷口做密閉,皮帶順槽口及新回風(fēng)聯(lián)巷末端做調(diào)節(jié),控制系統(tǒng)形成后兩巷的風(fēng)量。通過調(diào)節(jié)通風(fēng)系統(tǒng),使20106拆架工作面由運(yùn)輸順槽進(jìn)風(fēng)、皮帶順槽回風(fēng)的U型通風(fēng)變?yōu)閮上镞M(jìn)風(fēng)、回風(fēng)聯(lián)巷回風(fēng)的Y型通風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整后,兩巷均可獨(dú)立拆架,進(jìn)而縮短了拆架時(shí)間。20106工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整前后示意圖,如圖1所示。

(a)20106工作面調(diào)整前通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

(b)20106工作面調(diào)整后通風(fēng)系統(tǒng)示意圖圖1 20106工作面通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整前后示意圖Fig.1 Schematic diagram of ventilation system before and after adjustment on 20106 working face

2.2 拆架期間的風(fēng)量控制

2.2.1風(fēng)量調(diào)整

拆架前發(fā)現(xiàn)CO涌出異常,表明采空區(qū)遺煤有自燃危險(xiǎn),風(fēng)量過大會加劇遺煤自燃。因此拆架過程中,在保證人員呼吸安全的情況下須盡量降低風(fēng)量。拆架開始時(shí)將風(fēng)量由860 m3/min,降低到兩巷風(fēng)量為280 m3/min。

2.2.2人員控制

支架運(yùn)輸及頂板垮落影響通風(fēng)斷面、采空區(qū)漏風(fēng)等都是難以控制的風(fēng)量損失。考慮到供風(fēng)富余系數(shù),在供風(fēng)條件下必須控制拆架空間內(nèi)的人員數(shù)量,每班存在于工作面的各工種人員(包括瓦斯員、安全員、拆架工、打鉆工、注漿人員、值班人員等)不得超過15人,并由專人在兩巷口設(shè)置警戒,統(tǒng)計(jì)進(jìn)出人員數(shù)量。

2.2.3風(fēng)量監(jiān)測

每班由測風(fēng)員進(jìn)行測風(fēng),并在兩巷設(shè)置風(fēng)速傳感器,確保供風(fēng)穩(wěn)定,風(fēng)流新鮮。

2.2.4其他控風(fēng)措施

1)工作面上部地表裂隙如圖2所示。裂隙與采空區(qū)形成漏風(fēng)通道,加速了采空區(qū)的遺煤自燃,須派專人對地表裂隙進(jìn)行填埋。

圖2 工作面上部地表裂隙Fig.2 Surface fissures above working face

2)工作面上下端頭靠采空區(qū)側(cè)進(jìn)行煤袋墻建設(shè),其厚度要控制在1 m以上,并且要采用黃泥,完成全斷面的涂抹。工作面進(jìn)風(fēng)隅角處掛擋風(fēng)簾,既增加風(fēng)阻,又不會導(dǎo)致隅角處瓦斯超限,盡量減少進(jìn)風(fēng)側(cè)新鮮風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)。

3)為防止拆架時(shí)頂板垮落封閉堵塞回風(fēng)風(fēng)流,待拆支架前方至煤壁范圍內(nèi)用單體及木垛支護(hù)巷道。

4)兩巷巷道口安設(shè)2X30KW的局部通風(fēng)機(jī)并保證處于待開啟狀態(tài),風(fēng)筒延至拆架工作面,防止頂板垮落堵塞通風(fēng)通道,現(xiàn)場人員清理落煤保證風(fēng)流通暢。

3 拆架期間的防滅火措施及數(shù)據(jù)收集

3.1 拆架期間的防滅火措施

1)在兩巷措施巷安設(shè)制氮機(jī),注氮管路自兩端頭延伸至采空區(qū)25 m,注氮量為800 m3/h,自拆架開始時(shí)持續(xù)注氮,并配備備用制氮機(jī)。

2)在支架架縫及前梁處打鉆注漿,架縫處打鉆深度10 m,前梁處打鉆角度17°,深度15 m(按采煤期間采高及放頂煤量估算采空區(qū)上部空洞范圍)。注漿施工支架延后拆架3架。每班(8 h)注漿300 m3,注漿應(yīng)秉承多輪少量的原則,注漿前后均用清水沖洗,防止管路堵塞。注漿過程中漿液在缺氧環(huán)境下與高溫煤體接觸極易生成水煤氣,瞬間釋放大量CO,故在此期間應(yīng)加強(qiáng)CO監(jiān)測工作,防止造成人員傷害。

3)在拆架期間,發(fā)現(xiàn)部分支架后方有熱異常區(qū)域,必須提前拆除該位置支架,支架空間用單體及木垛支護(hù),以便于固定位置煤體的散熱。對該特定區(qū)域的煤體進(jìn)行表面灑水,內(nèi)部注漿的方法,及時(shí)控制溫度異常區(qū)的溫度,防止煤體自熱或自燃進(jìn)一步蔓延。

4)回風(fēng)巷口安設(shè)CH4、CO、煙霧、氧氣、風(fēng)速、溫度傳感器,數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至地面監(jiān)控機(jī)房。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)與人員實(shí)測數(shù)據(jù)差別大于10%時(shí),及時(shí)調(diào)校設(shè)備,保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性。注漿材料及監(jiān)控設(shè)備需滿足20%備用量直至工程結(jié)束,以防止材料設(shè)備因不可抗力引發(fā)的短缺而影響工程進(jìn)度。20106拆架工作面防滅火措施示意圖如圖3所示。

圖3 20106拆架工作面綜合防滅火示意圖Fig.3 Comprehensive fire prevention during dismantling of 20106 working face

3.2 拆架期間的數(shù)據(jù)收集

由瓦斯員、測風(fēng)員完成拆架區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)采集工作,使用紅外熱成像儀(某日熱成像如圖4和表1所示)完成拆架區(qū)域內(nèi)煤體的溫度測量工作,使用CO便攜儀及CO傳感器對拆架空間內(nèi)的CO濃度進(jìn)行測量。每班測定2次,原始數(shù)據(jù)存檔,最大數(shù)值及位置上報(bào),數(shù)據(jù)分析使用每日最大值(便攜設(shè)備與監(jiān)控設(shè)備對比的最大值)。

圖4 某日90#支架后方底部溫度Fig.4 Temperatures at the bottom behind No.90 support on one day

表1 某日90#支架后方底部熱成像溫度數(shù)據(jù)Table1 Thermal imaging temperature data at the bottom behind No.90 support on one day

4 數(shù)據(jù)整理與效果分析

數(shù)據(jù)采集過程中未發(fā)現(xiàn)烯烴、炔烴氣體,表明在執(zhí)行綜合防滅火措施后采空區(qū)范圍內(nèi)無明火生成,證明防滅火工作遏制了火情的發(fā)展。

由于采空區(qū)遺煤自燃治理是隱蔽工程,溫度及CO數(shù)據(jù)變化在一定程度上反映出防滅火措施的執(zhí)行效果。通過執(zhí)行上述防滅火措施28 d,20106工作面順利完成了拆架工作,每日溫度及CO體積分?jǐn)?shù)的變化趨勢如圖5所示。

圖5 溫度-時(shí)間變化曲線和CO體積分?jǐn)?shù)-時(shí)間變化曲線Fig.5 Temperature-time curve and CO volume fraction-time curve

通過圖5可以看出,煤體表面溫度呈先上升后下降的趨勢。采空區(qū)煤體裂隙發(fā)達(dá),空間范圍廣泛,注氮在煤氧反應(yīng)初期不能有效遏制遺煤自燃,但隨著防滅火措施的持續(xù)進(jìn)行,氮?dú)獾淖⑷虢档土瞬煽諈^(qū)的氧氣濃度,阻滯了煤氧反應(yīng),使煤體的溫度降低,直至拆架范圍內(nèi)的煤體表面溫度降低到25 ℃以內(nèi)?；仫L(fēng)流內(nèi)的CO體積分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。一方面,防滅火措施執(zhí)行初期未達(dá)到有效位置,使煤氧反應(yīng)加劇;另一方面,漿液與高溫煤體在缺氧條件下接觸會生成水煤氣使CO體積分?jǐn)?shù)升高[7],但隨著防滅火措施的有效執(zhí)行,煤氧反應(yīng)得到控制,CO體積分?jǐn)?shù)呈下降趨勢。在防滅火工程實(shí)踐中,由于數(shù)據(jù)采集的局限性,指標(biāo)氣體(CO體積分?jǐn)?shù))變化總是比溫度變化靈敏,采空區(qū)裂隙發(fā)達(dá)高溫煤體不一定能夠捕捉到,而煤氧反應(yīng)初期就有CO生成,所以圖5的曲線顯示CO體積分?jǐn)?shù)在溫度下降之后下降,直至降至6×10-6以下。

拆架工作后期,回風(fēng)流CO含量、煤體表面溫度都達(dá)到安全值,防滅火工作取得了極好的效果,使20106工作面在規(guī)程規(guī)定的時(shí)限內(nèi)完成了永久性封閉。

5 結(jié)論

通過調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng),使單巷拆架變?yōu)殡p巷拆架,促使拆架時(shí)間大大縮短,及時(shí)拆除設(shè)備的同時(shí)也為工作面及時(shí)封閉爭取了時(shí)間。兩巷同時(shí)拆架,既可以比較拆架速度增強(qiáng)勞動積極性,也可以通過對比拆架空間內(nèi)的溫度、CO含量來衡量防滅火措施執(zhí)行效果。通過注漿-注氮聯(lián)合防治、人員-設(shè)備聯(lián)合監(jiān)控的綜合防滅火措施,使得拆架空間內(nèi)的溫度、CO含量控制在安全水平內(nèi)，并保證拆架過程中的人員、設(shè)備安全,對類似條件的礦井有一定的借鑒意義。