李江平

（山西三元福達(dá)煤業(yè)有限公司，山西 長(zhǎng)治046000）

0 引 言

在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，火災(zāi)事故是礦井五大自然災(zāi)害事故之一，火災(zāi)事故的發(fā)生給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)極大威脅[1]。礦井火災(zāi)事故原因有很多種類型，其中煤炭自燃是其主要的致災(zāi)因素之一，在我國(guó)井下煤炭開(kāi)采過(guò)程中，有超過(guò)60%以上的煤礦都存在有煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)[2-3]。因此，防治煤層自然發(fā)火在預(yù)防礦井火災(zāi)事故中顯得尤為重要。

1 工程概況

王莊煤礦主采山西組2號(hào)煤層和太原組8號(hào)煤層，目前，礦井開(kāi)采范圍內(nèi)的2號(hào)煤層已基本采掘結(jié)束，開(kāi)始開(kāi)采8號(hào)煤層。8號(hào)煤層賦存較為穩(wěn)定，厚度0.8～6.2 m，平均厚度2.65 m。工作面沿煤層走向布置，根據(jù)礦井地質(zhì)條件及生產(chǎn)能力等情況，工作面傾斜長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為180～200 m，工作面采用綜合機(jī)械化綜采放頂煤回采工藝，每循環(huán)推進(jìn)度0.8 m，勞動(dòng)組織方式為“三八”制，平均每日8個(gè)循環(huán)，日循環(huán)進(jìn)度6.4 m。在礦井對(duì)8號(hào)煤層開(kāi)采前，對(duì)煤層自燃傾向進(jìn)行了取樣測(cè)試，結(jié)果表明，8號(hào)煤層的吸氧量為0.65 cm3/g，自燃傾向等級(jí)為II級(jí)，屬于自燃煤層，最短自燃發(fā)火期40 d。為了預(yù)防工作面在回采過(guò)程中采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃現(xiàn)象，本文以15103工作面為研究對(duì)象，對(duì)工作面回采期間綜合防滅火技術(shù)進(jìn)行分析研究，制定防治措施，確保工作面安全回采。

2 工作面采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)

2.1 提高高抽巷抽采能力減小工作面采空區(qū)漏風(fēng)量

15103工作面采煤工藝為綜采放頂煤回采工藝，采空區(qū)頂板管理方法為全部垮落法。工作面回采初期，因回采推進(jìn)速度慢，采空區(qū)頂板不能及時(shí)全部垮落，造成工作面回采期間采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，且工作面煤炭資源回收率較低，造成采空區(qū)內(nèi)遺落的煤炭量較多，容易引發(fā)煤炭自燃。為解決該問(wèn)題，利用工作面布置的高位底板抽放巷對(duì)采空區(qū)加大抽放量，增加工作面采空區(qū)內(nèi)熱量流散的速度，減少漏風(fēng)量，最終達(dá)到降低工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度，減小氧氣濃度，防止采空區(qū)煤炭自燃的目的。工作面底板高位抽放巷布置如圖1所示。

圖1 工作面高位底板抽放巷布置示意Fig.1 Arrangement of drainage roadway in high floor of working face

2.2 采空區(qū)注漿技術(shù)

向工作面采空區(qū)內(nèi)注入漿液防止煤炭自燃技術(shù)在我國(guó)大部分易自然發(fā)火的煤礦都得到了廣泛應(yīng)用，且效果良好[4]。它起到的主要作用是注入的漿液將采空區(qū)內(nèi)遺落的煤炭進(jìn)行包裹覆蓋，減小采空區(qū)內(nèi)遺留的煤炭與空氣接觸的面積，降低采空區(qū)空氣溫度，減緩采空區(qū)內(nèi)煤炭氧化反應(yīng)。同時(shí)向采空區(qū)注入的漿液能夠?qū)⒉煽諈^(qū)內(nèi)垮落的煤及矸石之間的縫隙進(jìn)行充填，提高了采空區(qū)空間的密閉性，降低了漏風(fēng)量[5]。

綜合考慮到注漿材料的注漿效果、取材方便及成本較低等多方面因素，決定選取黃土作為該礦井向采空區(qū)注漿使用的材料。注漿系統(tǒng)是在礦井工業(yè)廣場(chǎng)或風(fēng)井附近場(chǎng)地建立地面固定式集中注漿站，為全礦井下工作面注漿提供服務(wù)。雖然建立地面集中注漿站需鋪設(shè)的管路較長(zhǎng)，占有的空間較大，初期投入的成本較大，但是建成以后，其具有注漿量大，可以同時(shí)滿足多個(gè)工作面同時(shí)注漿使用，工作比較集中，便于管理，工作效率高，占用人員少等優(yōu)點(diǎn)。工作面開(kāi)始回采后，沿工作面回風(fēng)巷鋪設(shè)一趟注漿管路至工作面上隅角，在工作面液壓支架尾梁后方沿傾斜方向安裝1趟DN100 mm的注漿鋼管，鋼管固定在支架尾梁上，在鋼管的上部每間隔30 m左右位置聯(lián)接1根1.2 m長(zhǎng)的花管，DN100 mm的鋼管與工作面回風(fēng)巷鋪設(shè)的注漿管進(jìn)行連接，15103工作面采空區(qū)注漿系統(tǒng)組成及管路鋪設(shè)如圖2所示。工作面回采期間，每向前推進(jìn)50 m，對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行一次注漿，注漿時(shí)間為12 h，注漿流量為60 m3/h，采空區(qū)內(nèi)總注漿量約為720 m3。

圖2 工作面注漿系統(tǒng)組成及管路鋪設(shè)示意Fig.2 Composition of working face grouting system and pipeline laying

2.3 工作面隅角封堵

采煤工作面上、下隅角因存在風(fēng)流壓差，極易造成工作面采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象。因工作面上、下隅角為工作面采空區(qū)與巷道的交界處，此處的頂板不易完全垮落，隅角采空區(qū)存在空間，造成上、下隅角風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)。因此，為防止工作面上下隅角向采空區(qū)漏風(fēng)，必須對(duì)隅角進(jìn)行封堵，減少采空區(qū)漏風(fēng)量，從而有效減小工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化的空間范圍。工作面回采過(guò)程中，使用人工裝煤袋打設(shè)煤袋墻的方法對(duì)上、下隅角空洞或漏風(fēng)點(diǎn)進(jìn)行封堵，以減少采空區(qū)漏風(fēng)，工作面每推進(jìn)5 m封堵一道煤袋墻，墻體寬度0.8 m，為便于隅角通風(fēng)，袋子墻與巷道幫部夾角成30°～45°。

2.4 采空區(qū)噴灑阻化劑防滅火

借鑒我國(guó)其他地區(qū)煤礦采用阻化劑進(jìn)行防滅火的經(jīng)驗(yàn)，因氯化鈣具有價(jià)格低廉、阻化效果較好且效率較高、運(yùn)輸和儲(chǔ)存方便等優(yōu)點(diǎn)，因此，將氯化鈣作為15103工作面阻化劑，在工作面配備阻化劑噴灑裝置，工作面回采期間，利用噴灑裝置對(duì)采空區(qū)內(nèi)的遺落的煤炭進(jìn)行噴灑阻化劑，減緩煤炭氧化速度。阻化劑噴灑系統(tǒng)如圖3所示，在工作面回風(fēng)巷中部合適位置放2個(gè)水箱，當(dāng)作放置阻化劑的藥箱，2個(gè)水箱交替使用，將濃度約為20%的工業(yè)氯化鈣倒入到水箱內(nèi)，使用水管向水箱內(nèi)注入足量清水，并進(jìn)行攪拌均勻，在水箱位置安裝1臺(tái)高壓泵，沿回風(fēng)巷至工作面鋪設(shè)2趟φ25 mm的高壓膠管與高壓泵聯(lián)接，工作面高壓管沿前部運(yùn)輸機(jī)電纜槽進(jìn)行鋪設(shè)，每間隔20 m安裝1個(gè)φ13 mm的三通接頭，接頭處聯(lián)接1根φ13 mm的高壓膠管，并安裝1支噴槍。噴灑阻化劑時(shí)，人工手持噴漿每間隔5架向采空區(qū)噴灑1次阻化劑，每次噴灑不少于10 min，流量在30 L/min。工作面生產(chǎn)期間每班安排專人噴灑1次，如工作面出現(xiàn)停產(chǎn)、過(guò)構(gòu)造帶、回收等情況時(shí)，必須加大對(duì)采空區(qū)噴灑阻化劑的劑量和頻次。

圖3 工作面阻化劑噴灑系統(tǒng)布置示意Fig.3 Arrangement of the blocking agent spraying system on the working face

3 注氮滅火措施

15103工作面采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)庵饕饔檬沁M(jìn)行滅火。采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃產(chǎn)生的主要?dú)怏w為CO，利用礦井安裝的束管實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)內(nèi)CO濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)CO時(shí)即可判定采空區(qū)內(nèi)的遺煤已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生氧化，發(fā)生遺煤氧化的臨界溫度值為37.5～47.5℃，檢測(cè)出的CO濃度為35×10-6ppm，當(dāng)出現(xiàn)此狀況時(shí)需對(duì)工作面進(jìn)行封閉向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)?。井下可移?dòng)式的制氮設(shè)備可以安裝在距離滅火區(qū)域附近，不需要再鋪設(shè)安裝1趟專用的注氮管路，但其缺點(diǎn)是制氮能力小，產(chǎn)生的氮?dú)饬可?。在礦區(qū)地面上建立的固定式或移動(dòng)式的制氮設(shè)備制氮能力強(qiáng)，產(chǎn)生的氮?dú)饬看螅梢詽M足井下防滅火需要，但需從地面向井下鋪設(shè)1趟專用管路用于輸送氮?dú)馐褂谩８鶕?jù)井下實(shí)際情況，采用在地面安裝1套固定式制氮設(shè)備用于井下工作面防滅火使用。

按照我國(guó)其他類似煤礦注氮經(jīng)驗(yàn)，每t煤注氮量約為5 m3，8號(hào)煤層平均煤厚2.65 m，工作面平均回收率為95%。工作面注氮流量可以用式（1）計(jì)算：

式中：QN為工作面注氮流量，m3/h；A為礦井年產(chǎn)量，為120萬(wàn)t/a；K為工作面回收率，93%；t為礦井平均每年生產(chǎn)時(shí)間，取330 d。

根據(jù)式（1）計(jì)算得出，工作面注氮流量為704.5 m3/h，結(jié)合礦井井下實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境，注氮流量考慮1.3富余系數(shù)，最終確定工作面需要的注氮流量為916 m3/h。15103工作面注氮管路鋪設(shè)路線為：地面固定制氮站—進(jìn)風(fēng)斜井—8號(hào)煤層?xùn)|翼進(jìn)風(fēng)大巷—15103工作面膠帶運(yùn)輸巷—15103工作面采空區(qū)。采用在采空區(qū)埋管的方式進(jìn)行注氮，自工作面下隅角位置開(kāi)始每間隔30 m（根據(jù)井下情況可適當(dāng)調(diào)整）向采空區(qū)埋設(shè)1趟注氮管路，管路呈交替循環(huán)方式布置，管路鋪設(shè)如圖4所示。當(dāng)監(jiān)測(cè)到工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度達(dá)到35℃以上，CO濃度超過(guò)35×10-6ppm時(shí)，即停止工作面生產(chǎn)，向采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮，采用間歇方式進(jìn)行注入氮?dú)猓刻熳⑷霑r(shí)間不少于15 h，直到工作面采空區(qū)內(nèi)的溫度下降到35℃以下，CO濃度為零時(shí)，停止向采空區(qū)內(nèi)注氮。

圖4 1 51 03工作面注氮管路布置示意Fig.4 Arrangement of nitrogen injection pipeline at 15103 working face

4 應(yīng)用效果分析

4.1 應(yīng)用效果評(píng)估

經(jīng)采取以上綜合防滅火措施以后，工作面在回采期間，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度一直保持在25×10-6ppm以下，工作面采空區(qū)內(nèi)未發(fā)生煤炭自燃現(xiàn)象，防治效果較好。2019年2月份，15103工作面因故臨時(shí)停止生產(chǎn)，在工作面停產(chǎn)期間，通過(guò)束管實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)CO濃度異常上升現(xiàn)象，濃度超過(guò)了35×10-6ppm，為此對(duì)工作面采空區(qū)采取注入氮?dú)獾拇胧┻M(jìn)行滅火，每天注入的氮?dú)饬考s為13 000 m3左右，在注入氮?dú)馄陂g對(duì)采空區(qū)以里50 m處的氧氣和CO濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，得到的濃度變化情況如圖5所示。

圖5 1 51 03工作面采空區(qū)內(nèi)CO與O2濃度變化曲線Fig.5 COand O2 concentration change curve in goaf of 15103 working face

由圖5中可以看出，在采空區(qū)以里50 m處，O2濃度達(dá)到了20%，CO濃度最高達(dá)到了57×10-6ppm，采空區(qū)內(nèi)存在煤炭自燃跡象。通過(guò)對(duì)采空區(qū)注入氮?dú)庖院?，CO濃度由最高時(shí)的57×10-6迅速下降到30×10-6以下，O2濃度未發(fā)生明顯變化，說(shuō)明注入氮?dú)庖院?，采空區(qū)內(nèi)的煤炭自燃得到了有效抑制。綜上分析可知，向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)饽軌蛴行Ы档虲O濃度，降低采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生氧化的速度，能夠有效抑制煤炭發(fā)生自燃。

4.2 工作面回采結(jié)束后采空區(qū)防滅火效果評(píng)估

15103工作面于2020年2月份回采結(jié)束，在距離工作面回風(fēng)巷和膠帶巷口15 m處，使用煤袋砌墻對(duì)工作面進(jìn)行密閉，密閉后利用束管對(duì)采空區(qū)內(nèi)的CO濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到如圖6所示的變化曲線。

由圖6可以看出，工作面密閉以后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度出現(xiàn)逐漸較小趨勢(shì)，膠帶運(yùn)輸巷側(cè)CO濃度由最高的25×10-6逐漸下降到最低時(shí)5×10-6，最終CO濃度穩(wěn)定在8×10-6，左右，工作面回風(fēng)巷側(cè)的CO由最大的22×10-6逐漸下降到最低時(shí)的1×10-6，最終CO濃度穩(wěn)定在3×10-6左右，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度低于30×10-6，表明采空區(qū)使用煤袋墻進(jìn)行密閉效果良好，采空區(qū)未發(fā)生煤炭自燃現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

結(jié)合15103工作面開(kāi)采實(shí)際條件，制定提高工作面高抽巷抽采能力減小采空區(qū)漏風(fēng)量、采空區(qū)注漿、工作面上下隅角封堵、采空區(qū)噴灑阻化劑等綜合防滅火措施，當(dāng)工作面采空區(qū)出現(xiàn)煤炭自燃跡象時(shí)，利用地面固定制氮系統(tǒng)向工作面采空區(qū)注入氮?dú)膺M(jìn)行滅火，工作面回采結(jié)束后利用煤袋壘密閉墻對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行密閉。采取上述措施以后，通過(guò)應(yīng)用效果分析和監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，工作面采空區(qū)內(nèi)CO濃度得到有效控制，極大地抑制了采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化自燃，起到很好的防滅火效果，確保了礦井安全生產(chǎn)，為今后工作面出現(xiàn)類似情況制定防滅火措施時(shí)提供了參考依據(jù)。