王海波

(山西潞安化工集團(tuán) 左權(quán)佳瑞煤業(yè)有限公司，山西 左權(quán) 032600)

1 工程概況

左權(quán)佳瑞煤礦15101工作面開采15號(hào)煤層。煤層位于太原組下段下部，上距K2石灰?guī)r8.06 m，下距K1砂巖8.96 m。煤層厚度4.78～5.81 m，平均5.50 m，工作面采用綜采放頂煤開采方法。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，15號(hào)煤層自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，有自燃傾向性。由于15101工作面采用綜采放頂煤開采工藝，采空區(qū)內(nèi)遺煤較多，為有效防止采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)防滅火方案的設(shè)計(jì)。

2 采空區(qū)氣體濃度測(cè)試分析

為掌握15101工作面采空區(qū)內(nèi)各項(xiàng)氣體的含量，在工作面推進(jìn)0～150 m的范圍內(nèi)進(jìn)行氣體監(jiān)測(cè)作業(yè)，為保障采空區(qū)測(cè)氣的準(zhǔn)確性，在束管口上接三通，并在其兩側(cè)加過濾、束管及套管[1-2]，如圖1所示。

15101工作面回采期間持續(xù)進(jìn)行采空區(qū)氣體的觀測(cè)作業(yè)，基于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得出的采空區(qū)內(nèi)各項(xiàng)氣體的含量數(shù)據(jù)，能夠繪制出采空區(qū)內(nèi)O2及CO與工作面距離間的曲線圖，如圖2所示。

分析圖2可知，采空區(qū)內(nèi)的O2濃度基本在14.0%～20.45%之間波動(dòng)，CO濃度基本在10×10-6～65×10-6間波動(dòng)；工作面正?；夭善陂g，工作面后方采空區(qū)內(nèi)的CO濃度表現(xiàn)為逐漸升高的趨勢(shì)，O2濃度表現(xiàn)為隨著距工作面距離的增大逐漸降低。在測(cè)點(diǎn)距工作面0～38.5 m范圍內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)的CO和O2濃度的變化幅度不大，且采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度基本與巷道內(nèi)的氧氣濃度相同，此時(shí)采空區(qū)內(nèi)的CO濃度較低，這表明采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象較為嚴(yán)重，采空區(qū)內(nèi)的CO氣體在風(fēng)流的作用下被帶出采空區(qū)；當(dāng)測(cè)點(diǎn)在距工作面38.5～132.5 m的范圍內(nèi)時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的O2含量大幅下降，CO氣體濃度逐漸增大，據(jù)此可知該區(qū)域內(nèi)采空區(qū)的遺煤出現(xiàn)氧化反應(yīng)，產(chǎn)生了CO氣體；當(dāng)測(cè)點(diǎn)與工作面間的距離大于132.5 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的O2濃度基本無變化，CO濃度呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)，這表明在該范圍內(nèi)采空區(qū)內(nèi)的遺煤氧化反應(yīng)基本終止。

圖2 采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體濃度曲線

綜合上述分析可知，采空區(qū)距工作面約0～38.5 m的范圍為散熱帶，距工作面約38.5～132.5 m的范圍為氧化帶，距工作面>132.5 m的區(qū)域?yàn)橹舷А?/p>

3 采空區(qū)防滅火技術(shù)

3.1 防滅火方案

基于15101工作面的地質(zhì)條件，根據(jù)上述采空區(qū)自燃“三帶”的大致分布規(guī)律，在進(jìn)行防滅火方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)主要針對(duì)采空區(qū)氧化帶采取防滅火措施，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的防滅火技術(shù)，設(shè)計(jì)采空區(qū)采用注氮+堵漏風(fēng)+噴灑阻化劑的防滅火方案。

3.1.1 注氮防滅火

1) 注氮管路布置：工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)布置注氮管路，管路釋放口布置于距工作面30 m的位置處，注氮口距底板高度為300 mm；為保障氮?dú)饽軌蛉窟M(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)，防止氮?dú)庑孤吨粱夭煽臻g，在采空區(qū)注氮口位置處采用木垛或石塊進(jìn)行保護(hù)封閉，并在氮?dú)忉尫趴诠苈飞显O(shè)置0.5 m長(zhǎng)度的花眼[3-4]，并用鐵絲網(wǎng)包裹，具體工作面注氮口位置如圖3所示。

2) 注氮參數(shù)及工藝：本次注氮管路直徑為100 mm，注氮流量為1 000 m3/h，采用連續(xù)注氮方式。注氮實(shí)施時(shí)采用交替邁步式，邁步距離為30 m，即當(dāng)工作面推過下一條注氮管路30 m后，即可開始停止上一條管路注氮，開啟下一條注氮管路進(jìn)行注氮作業(yè)，如此循環(huán)往復(fù)，直至采空區(qū)內(nèi)的自燃發(fā)火傾向被消除。

圖3 注氮管路系統(tǒng)布置示意

3.1.2 堵漏風(fēng)防滅火

采用吊掛帆布的方法，即在工作面切頂線的位置處，采用矸石或者袋裝碎煤的方式在工作面上下隅角區(qū)域后方分別構(gòu)筑兩道堵漏風(fēng)墻[5-6]。隨著工作面回采作業(yè)推進(jìn)，工作面每回采30 m，即在其后方構(gòu)筑一道堵漏風(fēng)墻，如此循環(huán)往復(fù)，直至工作面回采完畢，具體堵漏措施如圖4所示。

3.1.3 阻化劑防滅火

15101工作面采空區(qū)采用小型阻化裝備對(duì)工作面兩端頭進(jìn)行噴灑作業(yè)，采用噴灑阻化劑+汽霧阻化的防滅火工藝，具體阻化劑防滅火措施的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置如下：

1) 阻化劑的材料及濃度：本次阻化劑以氯化鎂為原料，與水的配比濃度一般為10%～20%。

2) 阻化劑防滅火工藝：阻化劑噴灑作業(yè)主要對(duì)采空區(qū)兩端頭浮煤噴灑阻化劑溶液，在進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)兩側(cè)對(duì)端頭采空區(qū)浮煤進(jìn)行潤(rùn)濕作業(yè)，工作面一次噴灑阻化劑量可按下式計(jì)算[7-8]：

V=K1γcLShA/γ

(1)

式中：V為采煤工作面一次噴灑阻化劑的阻化劑量，m3；γc為采空區(qū)遺煤容重，取1.4 t/m3；K1為易自燃部位阻化劑溶液噴灑富裕系數(shù)，一般取1.2；L為工作面長(zhǎng)度，m，兩端頭取10 m；S為一次噴灑寬度，m，根據(jù)實(shí)際采煤工藝，檢修班噴灑，按1.2 m計(jì)算；h為遺煤厚度，m，端頭煤不能采出，按1 m計(jì)算；A為遺煤吸阻化劑量，t/噸煤，(殘煤用液量30～50 kg/t，可為40 kg/t)；γ為阻化液的容重，t/m3。

將上述數(shù)據(jù)代入式(1)中能夠計(jì)算出一次噴灑阻化劑量V=2.1 m3。

3) 汽霧阻化防滅火工藝：工作面在進(jìn)行阻化劑噴灑時(shí)，在進(jìn)風(fēng)一側(cè)加裝霧化器，以使阻化液微粒與浮煤接觸，延長(zhǎng)煤的氧化進(jìn)程，從而達(dá)到阻止或延緩煤炭自燃的目的。

圖4 工作面上、下端頭堵漏措施示意

3.2 效果分析

15101工作面回采期間，通過工作面的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行兩回采巷道CO濃度和O2濃度的監(jiān)測(cè)作業(yè)，根據(jù)觀測(cè)結(jié)果能夠得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)和回風(fēng)巷道側(cè)CO濃度和O2濃度曲線，見圖5。

分析圖5(a)可知，工作面回采期間，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)O2濃度曲線隨著埋深的增大呈現(xiàn)出先減小后穩(wěn)定的趨勢(shì)，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)大于70 m時(shí)，O2濃度便開始逐漸趨于穩(wěn)定。進(jìn)風(fēng)巷道側(cè)CO濃度在埋入采空區(qū)0～60 m時(shí)，濃度較低，當(dāng)埋入采空區(qū)60～75 m時(shí)，CO濃度開始逐漸增大，并在埋入采空區(qū)70 m的位置處達(dá)到最大值21×10-6，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)大于70 m時(shí)，CO濃度便大幅降低。

分析圖5(b)可知，隨著埋入采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)回風(fēng)巷道側(cè)O2濃度逐漸降低，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)60 m時(shí)，O2濃度基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)CO濃度在埋入采空區(qū)45～75 m區(qū)域濃度較高，CO最大濃度在埋入采空區(qū)52 m的位置處取得，最大值為70×10-6。

綜合上述分析可知，采空區(qū)采用防滅火方案后，工作面回采期間采空區(qū)內(nèi)的O2濃度隨著距工作面距離的增大而逐漸減小，濃度處于合理范圍內(nèi)；采空區(qū)內(nèi)CO濃度的最大值未超過80×10-6，回采期間采空區(qū)內(nèi)無遺煤自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，為工作面的安全回采提供了保障。

圖5 采空區(qū)內(nèi)CO和O2濃度分布曲線

4 結(jié) 語(yǔ)

通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方式進(jìn)行15101采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體濃度的分析，得出采空區(qū)內(nèi)自燃三帶的大致分布規(guī)律，結(jié)合采空區(qū)自燃特征，設(shè)計(jì)采用注氮+堵漏風(fēng)+噴灑阻化劑的防滅火方案，根據(jù)防滅火方案實(shí)施后的效果分析可知，防滅火方案有效解決了采空區(qū)內(nèi)遺煤易自燃的問題。