劉運(yùn)龍

(中煤能源新疆天山煤電有限責(zé)任公司，新疆 呼圖壁 831200)

0 引言

1703工作面位于106煤礦井田的東南部，礦井+1 273 m水平(1采區(qū))，是1采區(qū)7號(hào)煤層第1個(gè)回采工作面。7號(hào)煤層厚度7.0～10.0 m，平均煤厚8.82 m。煤層傾角13°～17°，平均傾角15°。自然發(fā)火類型為容易自燃煤層，瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。工作面材料道停采線至切眼長(zhǎng)694 m，溜子道停采線至切眼725 m。該工作面北部為規(guī)劃的1702工作面，其中1702材料道已掘進(jìn)到位，南部為火燒區(qū)邊界防水煤柱，東鄰F22斷層；西部為采區(qū)上山保護(hù)煤柱，上部為1603采空區(qū)，下部為8號(hào)煤層。工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法，綜采放頂煤采煤工藝，全部垮落法控制頂板。7號(hào)煤層1703工作面煤層平均厚度為8.82 m，機(jī)采高度3.4 m，工作面放煤高度為5.42 m，其采放比為1∶1.59，日循環(huán)個(gè)數(shù)為2個(gè)，循環(huán)進(jìn)度0.8 m。

1 1703工作面自燃因素分析

1.1 自燃周期短

根據(jù)中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司2014年6月編制的《中煤能源新疆天山煤電有限責(zé)任公司106煤礦煤自燃傾向性鑒定報(bào)告》，7號(hào)煤層為容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為38 d。

1.2 煤層組分揮發(fā)性

煤層自燃的內(nèi)在影響因素主要受揮發(fā)分、真相對(duì)密度、硫分、磷分、惰質(zhì)組含量影響。揮發(fā)分越大，孔隙率越大，含硫量越高，含磷量越高自燃傾向性越強(qiáng)。根據(jù)本礦井煤樣自燃傾向性鑒定報(bào)告，7號(hào)煤層揮發(fā)分為32.25%，真相對(duì)密度為1.45 kg/m3。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，7號(hào)煤層揮發(fā)分在27.09%～41.49%，平均31.54%；硫分含量在0.07%～0.34%，平均0.17%；磷分含量在0.001%～0.003 3%，平均0.008%；惰質(zhì)組含量在71.1%～92.1%，平均82.42%。由上可知，7號(hào)煤層揮發(fā)分較高，有利于形成煤層自燃，含硫量、含磷量和惰質(zhì)組等基本屬于適中范圍。

1.3 工作面推進(jìn)度緩慢

根據(jù)煤礦生產(chǎn)計(jì)劃安排1703回采工作面每天完成3個(gè)循環(huán)，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，煤層最短自然發(fā)火期為38 d，工作面可推進(jìn)度為91.2 m。根據(jù)周邊礦井采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，90 m往后為窒息帶，正?；夭蓵r(shí)，采空區(qū)遺煤能在發(fā)生自燃前進(jìn)入采空區(qū)窒息帶，在我礦7號(hào)煤層采空區(qū)自燃“三帶”未測(cè)定之前，按周邊礦井測(cè)定值取90 m。工作面應(yīng)盡可能少留浮煤，并采取加快回采進(jìn)度等措施，盡一切可能防止煤層自然發(fā)火[15]。

2 1703工作面防治煤層自然發(fā)火技術(shù)方案

結(jié)合綜放工作面的實(shí)際情況及7號(hào)煤層的自然發(fā)火及標(biāo)志性氣體檢測(cè)，確定1703綜放工作面采用自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)、灌漿防滅火、注氮、注二氧化碳等相結(jié)合的綜合防滅火措施，以保障1703工作面的安全回采。

根據(jù)7號(hào)煤層的自然發(fā)火及標(biāo)志性氣體檢測(cè)報(bào)告，7號(hào)煤層的自然發(fā)火臨界溫度為142 ℃，當(dāng)煤體溫度達(dá)到臨界值時(shí)出現(xiàn)C2H4、C2H6氣體，CO氣體濃度389.70×10-6，C2H4可以作為煤炭自然發(fā)火氣體指標(biāo)，C2H6氣體可以作為煤炭自然發(fā)火輔助性氣體指標(biāo)[6]，煤樣自然發(fā)火期為70 d。

2.1 預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)

人工檢測(cè)由瓦斯檢查員兼職，配備便攜式CO檢測(cè)報(bào)警儀和溫度計(jì)每班檢測(cè)2次，對(duì)工作面上下隅角、工作面、回風(fēng)流CO和溫度進(jìn)行檢測(cè)。該礦配置的KSS-200C的束管監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)。此外，礦井安裝有KJ90X安全監(jiān)控系統(tǒng)，在工作面回風(fēng)流中安裝CO、溫度傳感器，對(duì)工作面進(jìn)行24 h實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2 灌漿防滅火

工作面正常推進(jìn)期間一般不需要灌漿，在工作面出切眼(始采線)、停采(終采線)、過構(gòu)造、回撤、緩慢推進(jìn)、工作面封閉后，以及檢測(cè)到采空區(qū)CO濃度超過100×10-6時(shí)需要灌漿[7]。為了保證及時(shí)、簡(jiǎn)便地處理自燃隱患，根據(jù)該礦井實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用埋管灌漿法。1703綜放工作面每推進(jìn)90 m，設(shè)置一道20 m的隔離帶(20 m區(qū)段，每架放煤必須見到矸石，確保頂煤放干凈，然后進(jìn)行注漿，形成隔離帶)。即在工作面的進(jìn)風(fēng)巷沿上幫向采空區(qū)埋設(shè)一趟管路，其中第1個(gè)灌漿管道設(shè)在開切眼處。當(dāng)?shù)?個(gè)灌漿口埋入采空區(qū)30 m后開始灌漿，同時(shí)埋入第2趟灌漿管路(灌漿管口的移動(dòng)步距暫時(shí)選定為30 m，可通過實(shí)際灌漿效果考察進(jìn)行修正)。當(dāng)?shù)?趟灌漿管口埋入采空區(qū)30 m后向采空區(qū)灌漿，同時(shí)停止第1趟管路灌漿，并又重新埋設(shè)灌漿管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。如果發(fā)現(xiàn)灌漿異?；蚬苈范滤?，必須立即倒換管路。

圖1 埋管灌漿示意Fig.1 Schematic diagram of buried pipe grouting

2.2.1 注漿量

灌漿站工作制度與回采工作緊密配合，根據(jù)實(shí)際需要調(diào)整灌漿班次及灌漿時(shí)間。灌漿量計(jì)算[8]見式(1)

(1)

式中，QW為回采工作面灌漿量，m3/h；G為工作面日產(chǎn)量，3 636 t/d；W為工作面灌漿寬度，100 m；h為灌漿材料覆蓋厚度，取0.25 m；δ為土水比倒數(shù)，取3；M為漿液制成率，0.9；ρC為煤的密度，取1.32 t/m3；H為工作面回采高度，綜放工作面取(割煤高度+放煤高度)×頂煤采出率；L為工作面長(zhǎng)度，200 m；N為灌漿添加劑防滅火效率因子，取1；t為灌注時(shí)間，取8 h/d。經(jīng)計(jì)算，灌漿量QW=16.77 m3/h。設(shè)計(jì)1703工作面每小時(shí)最大灌漿量取17 m3/h，灌漿時(shí)間8 h，已有灌漿站能滿足要求。

2.2.2 輸漿管路及輸漿方式

輸漿管道臨界直徑的計(jì)算[9]見式(2)

D1=(0.915 8×Q/3 600×π)24/53(αλ/g11/8)8/53[(ρs-ρ)ρm/(ρm-ρ)(ρs-ρm)Δω]2/3

(2)

式中，D1為臨界直徑，mm；Q為管道通過的流量，取60 m3/h；α為固體顆粒的抑紊減阻系數(shù)，取0.9；λ為水的摩阻系數(shù)，取0.023 7；g為重力加速度，m/s2；ρs為灌漿材料真密度(粘土)，取1.6 t/m3；ρ為水的密度，t/m3；ρm為漿液的密度，1.12 t/m3；Δ為注漿管道當(dāng)量粗糙度，取0.000 046 m；ω為顆粒平均自由沉降速度，取0.005 m/s。計(jì)算得D1=107.31 mm。根據(jù)《煤炭礦井設(shè)計(jì)防火規(guī)范》(GB 51078—2015)中要求，輸漿管道管徑內(nèi)徑選擇不應(yīng)大于臨界直徑，該礦安裝的注漿管路為114 mm符合規(guī)范要求。管道壁厚計(jì)算公式為

δ≥δj+2.5,δj=Pd/2[σ]φ

(3)

式中，2.5為考慮制造壁厚公差及腐蝕裕度的附加值，mm；δj為計(jì)算壁厚，mm；δ為采用壁厚，mm；d為管路內(nèi)徑，mm；[σ]按碳鋼Q235，取113；P為最大計(jì)算壓力，MPa，P=γH/1 000;γ為泥漿密度，1.182 t/m3;H為高差，取224 m。經(jīng)計(jì)算δ=3.70 mm，設(shè)計(jì)采用D114 mm×6 mm無(wú)縫鋼管，符合要求。

輸漿管路總水頭損失的計(jì)算見式(4)、式(5)

HT=(1+KΞ)×∑m=Lj×ij

(4)

i=?αλv2ρm/2gDρ+KJμs(ρm-ρ/ρs-ρ)(ρs-ρm/ρ)ω/v」×10-2

(5)

式中，HT為輸漿管道總水頭損失,MPa；KΞ為輸漿管道局部阻力系數(shù)，取0.125；m為輸漿管道段數(shù)，1段；Lj為分段管路長(zhǎng)度，m；管道長(zhǎng)度約2 000 m；i為輸漿管路沿程水力坡降，MPa/m；v為漿液流速，m/s；D為管道內(nèi)徑，取0.108 m；KJ為顆粒推移運(yùn)動(dòng)比例與自由沉降速度和流速之間關(guān)系系數(shù)，取11；μs為顆粒與管道的摩擦阻力系數(shù)，取0.50。經(jīng)計(jì)算，對(duì)于D114 mm×6 mm的管道，HT=160.0 m；灌漿站至工作面最不利點(diǎn)高差為170.00 m，標(biāo)高+1 570 m以下采用靜壓灌漿可滿足井下灌漿要求，標(biāo)高+1 570 m以上采用加壓灌漿可滿足井下灌漿要求。

2.3 注惰防滅火

工作面正常推進(jìn)期間一般不注氮，在工作面初采、停采、過構(gòu)造、回撤、緩慢推進(jìn)時(shí)，以及檢測(cè)到回風(fēng)流CO濃度超過24×10-6時(shí)開始注氮。根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)選用埋管注氮工藝，即工作面進(jìn)風(fēng)巷沿采空區(qū)埋設(shè)一趟管路，當(dāng)釋放口埋入采空區(qū)30 m后開始注氮，注氮結(jié)束后埋入另外一趟管路待工作面向前推進(jìn)30 m后開始注氮，隨著工作面向前推進(jìn)如此循環(huán)，當(dāng)工作面及兩道風(fēng)流中氧氣濃度小于18%時(shí)停止注氮，防止工作面氧氣濃度過低影響正常工作。如果發(fā)現(xiàn)注氮壓力異常、管路破損或管路堵死，必須立即倒換管路。

圖2 注氮管埋設(shè)及釋放口位置Fig.2 Nitrogen injection pipe burial and release port location

2.3.1 注氮量

確定注氮量主要根據(jù)防滅火區(qū)的空間大小及自燃程度確定，其實(shí)質(zhì)是在單位時(shí)間內(nèi)注氮充滿采煤所形成的空間，使氧氣濃度降到防滅火惰化指標(biāo)以下[1012]?；夭晒ぷ髅孀⒌繎?yīng)采用式(6)計(jì)算

(6)

式中，QN為注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶的漏風(fēng)量，取16 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)原始氧濃度，設(shè)計(jì)取11.8%；C2為注氮防火惰化指標(biāo)，設(shè)計(jì)取7%；CN為注入氮?dú)庵械牡獨(dú)饧兌龋O(shè)計(jì)取97%。經(jīng)計(jì)算，1703工作面注氮量為1 152 m3/h。礦井共布置一個(gè)綜放工作面，礦井注氮能力為1 400 m3/h，現(xiàn)有注氮設(shè)備滿足要求。

2.3.2 注氮管路

輸?shù)苈纺┒藟毫砂词?7)計(jì)算

(7)

式中，P1為輸?shù)苈饭┑^對(duì)壓力,取1.05 MPa；P2為輸?shù)苈纺┒私^對(duì)壓力，不小于0.2 MPa；Qmax為管路最大輸?shù)浚琺3/h；D0為基準(zhǔn)直徑，取150 mm；Di為實(shí)際輸?shù)苈分睆?mm；Li為相同直徑管路長(zhǎng)度，km；λ0為基準(zhǔn)管路的阻力損失系數(shù)，取0.026；λi為實(shí)際輸?shù)苈返淖枇p失系數(shù)。經(jīng)計(jì)算，P2為0.9 MPa，大于按最遠(yuǎn)輸送距離為4.05 km計(jì)算的0.2 MPa，滿足《煤炭礦井設(shè)計(jì)防火規(guī)范》的要求。

3 效果分析

106煤礦1703工作面在開采過程中，根據(jù)工作面防滅火設(shè)計(jì)進(jìn)行防治，采空區(qū)內(nèi)CO濃度較低，基本低于18×10-6，可以判斷，采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火的可能，防治效果良好。2020年4月份17036工作面因故需停產(chǎn)。停產(chǎn)期間束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)表明，采空區(qū)內(nèi)CO濃度上升，CO濃度超過35×10-6，根據(jù)1703工作面防滅火設(shè)計(jì)，每天24 h不間斷壓注氮?dú)猓瑫r(shí)，每天注漿時(shí)間4小時(shí)，灌注量約240 m3。該期間對(duì)采空區(qū)90 m處(氧化帶內(nèi))的O2濃度和CO濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，濃度變化如圖3所示，采空區(qū)進(jìn)行灌注液態(tài)氮?dú)夂?，CO濃度迅速降低，由62×10-6降至20×10-6以下，滅火效果明顯。

圖3 采空區(qū)氣體濃度變化Fig.3 Changes of gas concentration in goaf

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)1703綜放工作面的實(shí)際開采情況，回采過程中采取預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、灌漿防滅火、注惰防滅火等綜合防滅火技術(shù)措施。通過束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在工作面回采過程中有效控制了采空區(qū)煤層自燃現(xiàn)象，CO體積分?jǐn)?shù)控制在允許范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)防滅火的目的，保證了綜放工作面的安全高效回采。綜合防滅火措施取得了顯著的應(yīng)用成效，為類似條件下的工作面自然發(fā)火防治提供一定的參考。