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        預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火措施的效果分析

        2022-12-20 12:03:06尚少勇黃良成
        陜西煤炭 2022年6期
        關(guān)鍵詞:煤礦

        尚少勇,黃良成

        (1.榆林神華能源有限責(zé)任公司,陜西 榆林 719000;2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710054;3.西安天河礦業(yè)科技有限責(zé)任公司,陜西 西安 710000)

        0 引言

        雖然煤炭消費(fèi)比重多年來一直在下降,但是煤炭作為我國能源消費(fèi)的龍頭位置從未動搖[1-5]。在實(shí)際的礦山生產(chǎn)活動中,存在一些違規(guī)違法活動,其中,越界開采被認(rèn)為是礦業(yè)生產(chǎn)中的“毒瘤”,越界開采會導(dǎo)致國有礦產(chǎn)資源的流失,擾亂采礦權(quán)市場秩序,尤其是嚴(yán)重威脅礦山安全,例如在煤礦井下施工巷道時(shí),如果與越界開采的采空區(qū)貫通,容易引起通風(fēng)系統(tǒng)紊亂,甚至可能會引起遺煤自燃、透水和瓦斯爆炸等事故的發(fā)生[6-9]。

        目前,不少學(xué)者已經(jīng)對礦山越界開采的問題進(jìn)行了研究,如劉波等[10]的研究表明,煤礦的越界開采會導(dǎo)致副井井筒的坍塌,并利用FLAC3D軟件模擬了越界開采的破壞過程;陳蘇社等[11]確定了越界開采的小窯采空區(qū)水害的治理方案,通過人工壩體治理水患,取得了良好的效果;李智等[12]為了確定盜采巷道的具體位置,通過地面定向鉆進(jìn)過程中的鉆井液漏失、鉆孔巖屑錄井和壓水試驗(yàn)的壓力變化來判斷盜采巷道的分布情況;馬盟等[13]為了解決煤礦越界開采煤炭資源導(dǎo)致邊界煤柱被破壞的問題,提出了采用小煤柱和混凝土隔離柱相結(jié)合的邊界結(jié)構(gòu),從而有效解決了礦井涌水的問題,節(jié)約了煤炭資源;陳鳳英等[14]研發(fā)了一套防止露天礦山越界開采的預(yù)警系統(tǒng),減少了監(jiān)管礦山開采的人力成本,提高了監(jiān)管的效果;劉書龍[15]設(shè)計(jì)了煤礦越界開采監(jiān)測系統(tǒng),利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),準(zhǔn)確判斷是否有越界開采發(fā)生,其定位精度在1 m左右;劉立等[16]通過結(jié)合光學(xué)遙感數(shù)據(jù)和采礦權(quán)數(shù)據(jù),監(jiān)測了湖南省露天開采礦山的越界開采行為,并通過分析數(shù)學(xué)模型,為今后的礦山規(guī)劃提供了理論依據(jù);李明耀[17]通過分析龍?zhí)睹旱V周圍小煤礦的越界開采情況,提出了一些針對性的措施和對策。

        為了預(yù)防礦山越界采空區(qū)自然發(fā)火,文中以青龍寺煤礦為例,通過分析貫通處各項(xiàng)氣體濃度,研究了貫通點(diǎn)密閉、越界開采煤礦封閉和采空區(qū)地表裂縫回填等措施對采空區(qū)自然發(fā)火的預(yù)防效果,為煤礦越界開采導(dǎo)致采空區(qū)自然發(fā)火的防治提供參考。

        1 煤礦越界開采原因

        煤礦的越界問題由來已久,在改革開放初期,國家鼓勵(lì)鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦的發(fā)展,造成一些煤礦在無規(guī)劃的情況下過度開采煤炭資源,破壞了煤炭資源的整體性。近年來,我國發(fā)生的礦山安全事故中,有多起都與越界開采有關(guān)。造成煤礦越界開采的原因有以下6個(gè)方面:①礦山企業(yè)單純追求經(jīng)濟(jì)效益而忽略了礦山安全,無視越界開采存在的安全隱患[18]。②部分礦業(yè)權(quán)設(shè)置不合理,導(dǎo)致周邊一些零星資源并不在礦區(qū)范圍內(nèi);為了盈利,一些礦山企業(yè)在未得到批準(zhǔn)的情況下,私自開采周邊零星資源[19]。③由于技術(shù)限制,一些小煤礦無法準(zhǔn)確判斷開采范圍,導(dǎo)致煤礦越界開采情況的發(fā)生。④眾多小煤礦大多數(shù)屬于合法、私有、在生產(chǎn)礦井,屬地政府對煤炭產(chǎn)業(yè)去產(chǎn)能、調(diào)結(jié)構(gòu)的步伐較慢,故與之相鄰的大型煤礦有被其越界的較高風(fēng)險(xiǎn)。⑤從屬地政府相關(guān)部門執(zhí)法看,越界盜采行為的管控主導(dǎo)是屬地政府相關(guān)部門,隨著國家對安全、環(huán)保等方面的嚴(yán)管加大,近2 a屬地政府相關(guān)部門對越界盜采行為的日常巡察監(jiān)管力度在加大,非法開采、超層越界的風(fēng)氣和勢頭得到遏制,重視程度高,工作作風(fēng)大有改進(jìn),管控投入有所增加,管控機(jī)制正在形成,但與真正的長治久安仍有很大差距。⑥從我國煤礦對越界盜采行為探測工作看,依靠煤炭行業(yè)現(xiàn)有技術(shù)裝備開展的地面物探和鉆探等手段,在技術(shù)層面是無法做到精確查明越界盜采范圍、采空區(qū)積水積氣等情況的;而且地面探測工作存在時(shí)間長、費(fèi)用較高、精度不高的實(shí)際問題;此外,采取的巷探、鉆探等探測措施受時(shí)空局限大,只有自己掘進(jìn)的巷道靠近或貫通越界區(qū)域時(shí),探測成果才準(zhǔn)確、可靠。

        2 工程概況

        青龍寺煤礦于2016年10月試生產(chǎn),2019年5月底發(fā)現(xiàn)井田南邊界相鄰?fù)跛旱V越界盜采情況。連掘隊(duì)在井田西邊界附近井田內(nèi)掘進(jìn)5-20104回風(fēng)順槽期間,與越界不明巷道貫通,隨即報(bào)告屬地政府相關(guān)部門,由其組織開展的調(diào)查工作表明,越界巷道屬于相鄰的王塔煤礦所為。同時(shí),組織青龍寺煤礦開展了大量鉆探、巷探、人員進(jìn)入探測等工作,但截至目前,尚未徹底查明越界盜采范圍、資源破壞情況、積水積氣等情況。5-20104綜采工作面切眼已后退593 m圈定,少采出煤炭資源約60萬t。這一越界盜采行為,對青龍寺煤礦整個(gè)西翼盤區(qū)的工作面設(shè)計(jì)布置、礦井生產(chǎn)接續(xù)和采掘活動安排造成嚴(yán)重制約和影響。

        為了探明越界范圍及進(jìn)一步確定 5-20104工作面切眼、5-20105工作面切眼位置,2019年7月5日—2020年4月3日連掘隊(duì)先后與越界采空區(qū)貫通7次,具體位置如圖1所示。其中,1#、2#貫通點(diǎn)已經(jīng)永久封閉,進(jìn)入5-20104工作面采空區(qū)內(nèi)。

        圖1 貫通位置示意

        3 預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火措施

        4月22日中班,5#、6#貫通處均出現(xiàn)一氧化碳超限,并有煤層自燃標(biāo)志性氣體出現(xiàn)。為了預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火,青龍寺煤礦組織制定了預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的安全技術(shù)措施。

        3.1 貫通點(diǎn)密閉及氣體采集

        3#密閉規(guī)格為1 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻,施工完畢。4#、5#密閉規(guī)格為1 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻,施工完畢,噴漿完成。6#密閉規(guī)格為0.75 m磚墻+1 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻,施工完畢,噴漿完成。7#密閉規(guī)格為0.37 m磚墻+0.5 m磚墻+3 m黃土充填+1 m配筋砼墻+0.5 m磚墻;施工完畢,噴漿完成。

        每天對4#、5#、6#密閉點(diǎn)及綜采工作面回風(fēng)隅角人工采樣色譜分析一次,對3#、7#密閉點(diǎn)人工檢查氣體一次。

        3.2 王塔煤礦封閉

        4月24日至4月25日,礦內(nèi)派專人監(jiān)督王塔煤礦對其主井、副井、回風(fēng)井進(jìn)行封閉,密閉規(guī)格為0.5 m磚墻并抹面。對地表黑口子漏風(fēng)點(diǎn)4處初步完成堵漏,5月 9日巡查發(fā)現(xiàn)主扇蝶閥漏風(fēng),現(xiàn)場監(jiān)督關(guān)閉后,未發(fā)現(xiàn)漏風(fēng)。6月10日檢查發(fā)現(xiàn)王塔煤礦的3個(gè)黑口子,截至6月12日3處黑口子均已封堵,封堵規(guī)格為0.37 m磚墻(內(nèi)墻)+10 m砼墻,未發(fā)現(xiàn)漏風(fēng);黑拉畔對面的一處疑似黑口子,6月20日檢查發(fā)現(xiàn)已封閉;6月25日,巡查發(fā)現(xiàn)王塔煤礦私自開啟主扇蝶閥和主井密閉,礦內(nèi)監(jiān)督立即封閉了主井密閉和關(guān)閉了主扇蝶閥。6月27日,電塔礦管辦已對王塔煤礦黑口子封堵驗(yàn)收,并編號。7月6日巡查,王塔煤礦井口密閉完好不漏風(fēng)、主扇處于關(guān)閉狀態(tài)不漏風(fēng)、黑口子封堵完好不漏風(fēng)。

        3.3 采空區(qū)地表裂縫回填

        礦內(nèi)安排專人每3天檢查一次采空區(qū)地表裂縫情況。7月6日檢查發(fā)現(xiàn)5-20104工作面地表有裂縫,最寬為10 cm。安排施工單位進(jìn)行回填,回填后的裂縫,沙土充填嚴(yán)實(shí)、腳踩無明顯的下陷及空洞出現(xiàn)、無漏風(fēng)現(xiàn)象。

        4 預(yù)防自然發(fā)火措施效果分析

        4#、5#、6#密閉及綜采工作面回風(fēng)隅角的CH4、CO2、CO、O2、N2、C2H6、C2H4的濃度變化如圖2~8所示。

        圖2 密閉處及回風(fēng)隅角的CH4濃度變化

        由圖2中的CH4濃度變化可以看出,4#、5#、6#密閉及綜采工作面回風(fēng)隅角的CH4濃度均在0.025%以下,小于《煤礦安全規(guī)程》[20]和青龍寺煤礦預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火安全技術(shù)措施中規(guī)定的1%的界限,即CH4濃度并未超標(biāo)。由圖3中的CO2濃度變化可以看出,回風(fēng)隅角的CO2濃度無明顯變化,在0.25%左右;4#、5#、6#密閉的CO2濃度在4月26日至5月5日之間超過1.5%,5月5日之后,CO2濃度下降到1.5%以下,符合《煤礦安全規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)。由圖4中的CO濃度變化可以看出,回風(fēng)隅角的CO濃度無明顯變化,5月15日,CO濃度達(dá)到最高的44×10-6;4#密閉的CO濃度在5月1日從78×10-6降至0;5#密閉以4月28日為轉(zhuǎn)折點(diǎn),CO濃度從312×10-6逐漸下降到88×10-6,5月9日之后,CO濃度為0;6#密閉以4月27日為轉(zhuǎn)折點(diǎn),CO濃度從345×10-6逐漸下降到53×10-6,5月9日之后,CO濃度為0。由圖5中的O2濃度變化可以看出,回風(fēng)隅角的O2濃度正常;4#、5#、6#密閉的O2濃度在5月5日降到最低,在16.5%左右,5月5日至5月9日,O2濃度逐漸增加至18%,5月9日之后,O2濃度逐漸降低。由圖6中的N2濃度變化可以看出,4#、5#、6#密閉的N2濃度變化都呈緩慢上升趨勢;而回風(fēng)隅角的N2濃度變化波動較大。由圖7中的C2H6濃度變化可以看出,回風(fēng)隅角的C2H6濃度為0;4#密閉的C2H6濃度基本保持穩(wěn)定,但在4月28日C2H6濃度達(dá)到0.003 7%;5#和6#密閉的C2H6濃度逐漸降低,且變化趨勢相似,其中5#密閉的C2H6濃度在5月11日出現(xiàn)異常,達(dá)到0.002%。由圖8中的C2H4濃度變化可以看出,5月1日,5#密閉和6#密閉檢測到C2H4,其他時(shí)間C2H4的濃度為0。

        圖3 密閉處及回風(fēng)隅角的CO2濃度變化

        圖4 密閉處及回風(fēng)隅角的CO濃度變化

        圖5 密閉處及回風(fēng)隅角的O2濃度變化

        圖6 密閉處及回風(fēng)隅角的N2濃度變化

        圖7 密閉處及回風(fēng)隅角的C2H6濃度變化

        圖8 密閉處及回風(fēng)隅角的C2H4濃度變化

        3#和7#密閉的各項(xiàng)氣體濃度見表1。分析表1數(shù)據(jù)可知5月13日至5月23日,3#密閉和7#密閉的CH4、CO2、CO、O2濃度均未超過青龍寺煤礦預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火安全技術(shù)措施中規(guī)定的臨界值。

        表1 3#密閉和7#密閉的各項(xiàng)氣體濃度

        綜合分析3#、4#、5#、6#、7#密閉及綜采工作面回風(fēng)隅角的氣體濃度,可以得出5-20104綜采工作面回風(fēng)隅角、3#、7#密閉各項(xiàng)氣體指標(biāo)正常,越界采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火征兆未波及5-20104綜采工作面與3#、7#密閉;與越界采空區(qū)貫通的4#、5#、6#密閉內(nèi),氧氣濃度逐漸下降,氮?dú)鉂舛染徛仙?,?jīng)過分析,判斷為煤炭氧化耗氧及煤層中氮?dú)庖绯鰧?dǎo)致;5月1日出現(xiàn)乙烯氣體,之后未出現(xiàn),4月26日至5月23日均出現(xiàn)乙烷氣體,5月9日之后一氧化碳均降為零,二氧化碳無明顯變化,因此青龍寺煤礦制定的安全技術(shù)措施對預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火有積極作用。

        綜上所述,青龍寺煤礦應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)管控,繼續(xù)按公司要求做好防控工作;越界采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)警狀態(tài)可以由公司級調(diào)整為礦級。

        5 結(jié)論

        找準(zhǔn)漏風(fēng)通道是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的關(guān)鍵;施工可靠的密閉是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的重點(diǎn);精準(zhǔn)分析氣體變化情況是預(yù)防越界采空區(qū)自然發(fā)火的要點(diǎn)。

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