張鵬軍

(中煤華晉集團(tuán)韓咀煤業(yè)有限公司，山西 河津 043300)

0 引言

32101工作面位于韓咀煤礦一盤區(qū)北翼，開采2號(hào)煤層。工作面地面標(biāo)高790～920 m，井下標(biāo)高570～615 m，煤層平均傾角7.3°，平均厚度5.5 m，夾矸為炭質(zhì)泥巖，黑色，以瘦煤為主，裂隙發(fā)育，參差狀斷口，具條帶狀構(gòu)造。工作面基本頂為細(xì)粉砂巖互層，含有較多黑色礦物和植物化石碎片，直接頂為粉砂巖，含有較多云母片；直接底為泥巖，層理較為明顯，性質(zhì)較脆，老底為K7砂巖，以石英為主，質(zhì)地堅(jiān)硬。工作面開采煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí)，類別為自燃，最短自然發(fā)火期為154 d。32101工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式綜放采煤法，采高為3.0 m、放煤高度為2.5 m，全部垮落法管理頂板。

32101工作面煤炭自燃情況主要發(fā)生在采空區(qū)，主要原因由放頂煤后遺留在采空區(qū)部分煤炭引起，由于火源位置隱蔽，影響因素較多，遺留煤炭自燃現(xiàn)象一旦產(chǎn)生，較難在短時(shí)間內(nèi)撲滅，會(huì)產(chǎn)生高溫火災(zāi)事故，產(chǎn)生有毒有害氣體，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)與井下工人的生命安全造成嚴(yán)重威脅，因此采取多種綜合措施降低采空區(qū)遺留煤炭的自然發(fā)火隱患具有重要意義。

1 32101工作面自然發(fā)火特性

工作面采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象，一般與3種因素有關(guān)：一是遺留松散煤體的蓄散熱環(huán)境；二是發(fā)火區(qū)域的風(fēng)流特性；三是發(fā)火區(qū)域的氧氣含量[1-3]。根據(jù)韓咀煤礦32101工作面目前的開采條件和開采特點(diǎn)，并結(jié)合煤層自燃特性，可以對(duì)礦區(qū)煤層自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行評(píng)價(jià)。32101工作面推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)1 200 m，開采時(shí)間長(zhǎng)，綜放面在放頂煤開采時(shí)，受到煤質(zhì)及放煤工藝的約束，會(huì)留有一定厚度的頂煤無法放出，造成采空區(qū)遺留煤炭資源增加，使得采空區(qū)自然發(fā)火危害性提升。由于韓咀煤礦為資源整合型礦井，32101工作面開采回采上層位存在采空區(qū)，上方采空區(qū)多為巷柱式開采，這種情況下頂板裂隙較發(fā)育，上下采空區(qū)漏風(fēng)通道易導(dǎo)通，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，新鮮風(fēng)流經(jīng)漏風(fēng)通道達(dá)到采空區(qū)，增大了工作面采空區(qū)自然發(fā)火的危害。

在工作面后方的采空區(qū)內(nèi)，可以按照遺留煤炭資源自然發(fā)火的可能性，由外向里人為的劃分為散熱帶、自燃氧化帶和窒息帶，如圖1所示。在散熱帶內(nèi)，雖然氧氣濃度達(dá)到煤炭自燃的條件，但由于風(fēng)速超過了蓄熱上限，將停留在該帶內(nèi)的煤炭因氧化釋放的熱量帶走，所以使煤炭自燃的蓄熱條件遭到破壞而無法自燃。在窒息帶內(nèi)，氧氣濃度低于煤炭自燃所需要的氧化下限值，所以停留在該帶內(nèi)的煤炭也失去了自燃的能力。只有停留在自燃氧化帶內(nèi)煤炭才能滿足自然發(fā)火的條件[4-7]。

圖1 32101工作面采空區(qū)自燃“三帶”示意

32101工作面根據(jù)自然發(fā)火“三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，可以總結(jié)出自然發(fā)火的部分特點(diǎn)：①自然發(fā)火時(shí)間短，32101工作面采空區(qū)自燃點(diǎn)的周圍煤巖體溫度迅速升高，面積不斷擴(kuò)大，加之煤巖體的比熱容較高，導(dǎo)致周圍介質(zhì)儲(chǔ)存了大量能量，導(dǎo)致自然發(fā)火時(shí)間較短。②容易復(fù)燃，在自然發(fā)火時(shí)間短的基礎(chǔ)上，遇到漏風(fēng)嚴(yán)重的時(shí)候，高溫煤體會(huì)迅速重新燃燒，進(jìn)一步加速煤氧化的程度。③發(fā)火點(diǎn)較為隱蔽，在采空區(qū)遺煤量加大，且漏風(fēng)區(qū)域較多的情況下，自燃點(diǎn)的位置確定比較困難，呈現(xiàn)較廣范圍的災(zāi)害。④治理難度較大，由于存在以上自然發(fā)火時(shí)間短、易復(fù)燃、發(fā)火點(diǎn)隱蔽等特點(diǎn)，造成32101工作面采空區(qū)防滅火治理措施實(shí)施難度大。

2 32101工作面采空區(qū)綜合防滅火措施

一般而言，工作面采空區(qū)防滅火綜合治理首先應(yīng)對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)，進(jìn)而分析氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果，采用SF6氣體檢測(cè)漏風(fēng)通道并結(jié)合地面鉆孔探測(cè)高溫點(diǎn)，判斷發(fā)火區(qū)域后進(jìn)行井上下堵漏、采空區(qū)注漿、采空區(qū)注氮、采空區(qū)注三相泡沫、地面注液態(tài)CO2等措施[10-12]。結(jié)合32101工作面采空區(qū)的綜合防滅火技術(shù)特點(diǎn)，應(yīng)該從加強(qiáng)標(biāo)志性自燃?xì)怏w監(jiān)測(cè)、建立防滅火觀測(cè)系統(tǒng)、建立注漿滅火系統(tǒng)、噴灑阻化劑系統(tǒng)和注氮系統(tǒng)幾個(gè)方面開展工作。

2.1 構(gòu)建氣體監(jiān)測(cè)探測(cè)系統(tǒng)

2.1.1 采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)

在工作面回風(fēng)巷布置3根束管，束管埋入采空區(qū)，每2個(gè)束管監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)間距為50 m，埋入采空區(qū)最遠(yuǎn)取樣點(diǎn)距工作面為150 m，埋入采空區(qū)的束管要用直徑25～50 mm的護(hù)管加以保護(hù)，防止損壞束管，如圖2所示；如埋入采空區(qū)內(nèi)采樣點(diǎn)外O2濃度<5%時(shí)，CO濃度穩(wěn)定后，該采樣點(diǎn)可提前停止采樣。對(duì)采空區(qū)氣體成分和濃度每周抽樣化驗(yàn)分析一次，內(nèi)容有CO、CH4、CO2、O2及其它烯炔類氣體。當(dāng)有自然發(fā)火征兆時(shí)(檢測(cè)到自然發(fā)火標(biāo)志性氣體)，立即采取措施進(jìn)行處理并對(duì)采空區(qū)CO等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體濃度監(jiān)測(cè)，每隔8 h進(jìn)行一次抽樣化驗(yàn)分析，必要時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)分析頻率。

圖2 32101工作面采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)

2.1.2 工作面氣體檢測(cè)點(diǎn)

工作面回風(fēng)觀測(cè)點(diǎn)，布置在工作面回風(fēng)巷，距工作面10～20 m，隨工作面開采而移動(dòng)?；仫L(fēng)隅角觀測(cè)點(diǎn)，布置于工作面回風(fēng)隅角，隨工作面開采而移動(dòng)，如圖3所示。每班對(duì)工作面、回風(fēng)流和回風(fēng)隅角的氣體至少巡檢2次，每次時(shí)間間隔4 h左右，定期在工作面回風(fēng)隅角處取樣，通過色譜儀化驗(yàn)分析采樣氣體組分和濃度，預(yù)測(cè)工作面采空區(qū)的自然發(fā)火趨勢(shì)。對(duì)工作面回風(fēng)流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在工作面回風(fēng)流安裝CO、風(fēng)速、溫度等傳感器，確保其正常運(yùn)行，每周對(duì)取樣化驗(yàn)結(jié)果全面分析，每月底進(jìn)行分析總結(jié)。

圖3 32101工作面回風(fēng)隅角氣體檢測(cè)點(diǎn)

2.2 建立防滅火系統(tǒng)

注漿防滅火系統(tǒng)：在回風(fēng)立井工業(yè)場(chǎng)地建設(shè)黃泥灌漿站，制漿機(jī)型號(hào)為L(zhǎng)HZ-60，泥漿土水比暫定為1∶5；每小時(shí)制漿量為60 m3/h。黃泥灌漿管路采用φ159 mm×60 mm無縫鋼管，支管采用φ108 mm×60 mm無縫鋼管，從制漿站接出后，通過回風(fēng)立井敷設(shè)至井底，再由總回風(fēng)巷、2號(hào)煤西翼回風(fēng)大巷、北主運(yùn)大巷通過32101輔運(yùn)巷至32101工作面。采煤工作面回采結(jié)束后，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況在回采工作面輔運(yùn)巷和主運(yùn)巷施工防火密閉并進(jìn)行集中注漿，通過向密閉內(nèi)注泥漿，從而隔絕氧氣，防止煤炭自燃。注漿至停采線底板能均勻鋪漿為止，注漿量根據(jù)密閉內(nèi)空間計(jì)算。

噴灑阻化劑系統(tǒng)：32101工作面所使用阻化劑的藥液濃度可控制在15%～20%之間，選用BH-40/2.5型礦用阻化劑泵，在32101主運(yùn)超前支護(hù)區(qū)域前方放置一個(gè)容器作為阻化劑藥箱，根據(jù)回采工作面推進(jìn)度每天檢修班進(jìn)行一次阻化劑噴灑作業(yè)。根據(jù)計(jì)算32101工作面單次噴灑阻化劑用量為367.4 kg，通過工作面敷設(shè)的一趟φ25 mm的專用阻化劑管路，每25 m預(yù)留一個(gè)KJ25變KJ13的三通，在KJ13的三通上連接截止閥，通過φ13 mm的管路直接對(duì)架后浮煤噴灑阻化劑。噴灑阻化劑下風(fēng)側(cè)20 m范圍內(nèi)不應(yīng)有人員停留，人員噴灑時(shí)應(yīng)戴防護(hù)口罩和手套，噴灑到機(jī)械設(shè)備、支架等金屬構(gòu)件上的阻化劑應(yīng)及時(shí)用水沖洗。

注氮系統(tǒng)：采用可移動(dòng)式注氮系統(tǒng)，型號(hào)為DT-700/6制氮裝置，制氮能力700 m3/h，機(jī)組總功率286 kW。注氮機(jī)在地面?zhèn)溆茫ㄆ趯?duì)注氮機(jī)進(jìn)行檢修，確保設(shè)備完好，井下工作面有自燃征兆時(shí)立即下井投入使用。注氮過程中，工作場(chǎng)所的氧氣濃度不得低于18.5%，觀察氮?dú)饬髁?、氧氣含?<3%)、氮?dú)鈮毫?≥0.8 MPa)、空氣壓力(≥0.9 MPa)、空氣溫度49 ℃左右，是否在正常值和允許誤差值范圍之內(nèi)。

2.3 防滅火技術(shù)措施注意事項(xiàng)

保證合理的推進(jìn)速度：以每天不低于2.4 m/d為宜，同時(shí)加強(qiáng)放頂煤質(zhì)量，盡可能放頂至見矸，減少采空區(qū)遺煤量。

減少漏風(fēng)量：工作面進(jìn)回風(fēng)隅角及時(shí)用煤袋墻或珍珠巖充填嚴(yán)實(shí)，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

防火門設(shè)計(jì)：在32101工作面兩順槽距巷口10～15 m位置各施工防火門一道，防火門選用材質(zhì)為阻燃材料，防火門墻體厚度≥600 mm，墻體四周與巷壁接實(shí)，掏槽深度不小于300 mm，防火門框架選用工字鋼焊接而成，中間插阻燃防火板。先進(jìn)行密閉噴漿、注漿工作，注氮、注阻化劑泡沫在設(shè)備準(zhǔn)備齊全后立即施工。正?；夭善陂g每天檢修班噴灑，如遇停產(chǎn)、過斷層、收尾等情況，必須對(duì)采空區(qū)等重點(diǎn)區(qū)域加量噴灑。

2.4 綜合防滅火技術(shù)實(shí)施效果分析

32101工作面回采期間，利用束管監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)的氣體和溫度。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，32101工作面采空區(qū)溫度一直保持在18 ℃，出現(xiàn)變動(dòng)的幅度較小，CO2濃度穩(wěn)定在0.05%，O2濃度逐漸降低，最終穩(wěn)定在18%，CO濃度保持在6×10-5。由此可見，在工作面回采過程中O2、CO濃度基本保持穩(wěn)定并未明顯升高趨勢(shì)，在32101工作面采空區(qū)采取有效防滅火措施下，能夠在回采過程中避免遺留煤炭資源自燃，從而保證工作面回采工作正常進(jìn)行。

3 結(jié)論

韓咀煤礦32101工作面采空區(qū)存在頂煤冒放不充分、上方有采空區(qū)且煤體易自燃的缺點(diǎn)，在分析工作面采空區(qū)自燃“三帶”的基礎(chǔ)上，發(fā)現(xiàn)32101工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火周期短、易復(fù)燃、發(fā)火點(diǎn)較隱蔽且治理難度大的特點(diǎn)，為此確定采用設(shè)立氣體監(jiān)測(cè)檢測(cè)系統(tǒng)和防滅火綜合技術(shù)措施進(jìn)行控制，工程實(shí)踐中采空區(qū)氧氣含量穩(wěn)定，采空區(qū)未出現(xiàn)自然發(fā)火狀態(tài)。