趙 磊

（山西鋪龍灣煤業(yè)有限公司，山西 大同 037104）

1 工作面概況

樹兒里煤業(yè)3#煤開采過程中煤層自燃危險性較大，容易出現(xiàn)自燃發(fā)火，且生產(chǎn)集中，8204 工作面為一進(jìn)一回雙巷布置，切眼布置在井田東盤區(qū)邊界處，垂直于煤層走向，全長165 m。8204 工作面所采煤層遺煤多，2019 年11 月4 日至2020 年1 月31 日工作面通過采落差3.0～4.0 m、寬度和長度最大達(dá)55 m 和60 m、煤層厚度均值為2.0 m 的斷層帶，開采煤量5 210 t。2020 年2 月16 日至2 月21 日工作面通過采落差0.5 m、寬度和長度最大達(dá)25 m 和14 m、煤層厚度均值為0.6 m 的斷層帶，采集煤量211t。工作面大量遺煤主要滯留在采空區(qū)內(nèi)20～40 m。在回采工作面日推進(jìn)度無法保證時，采空區(qū)內(nèi)遺煤在氧化帶內(nèi)滯留的時間會大大延長，遺煤必將發(fā)生緩慢氧化蓄熱反應(yīng)，當(dāng)熱量聚集達(dá)到一定限度后，受到采空區(qū)漏風(fēng)等因素的影響，必然引發(fā)遺煤自燃[1]。與此同時，工作面煤層含硫量較高，煤層中的黃鐵礦等硫化物與氧氣結(jié)合后會迅速發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，并釋放出大量熱量，加速煤炭氧化的同時還會加劇煤炭膨脹和分裂[2]。

2 防滅火方案及主要材料用量

8204 回采工作面采空區(qū)遺煤主要位于采空區(qū)下部，頂板及冒落區(qū)較低位置發(fā)生自燃火災(zāi)隱患的可能性較大，再加上遺煤量多，如果單純采用噴灑阻化劑、注漿等常規(guī)措施，可能無法取得理想的防滅火效果。為此，決定在實(shí)施噴灑阻化劑、注漿等常規(guī)措施的基礎(chǔ)上，采用工作面密閉，減少漏風(fēng)，并向采空區(qū)注氯化鎂及注氮等措施。

2.1 阻化劑溶液用量

工作面阻化劑溶液一次噴灑量及一次噴灑體積分別按照式（1）、式（2）確定：

式中：G 為工作面阻化劑溶液一次噴灑量，t；K1為工作面阻化劑溶液一次噴灑量加量系數(shù)，取1.2；K2為浮煤密度，t/m，根據(jù)實(shí)測取1.0 t/m；L 為回采工作面長度，m，取165 m；B 為工作面阻化劑溶液一次噴灑寬度，m，按照1.2 m 的工作面日推進(jìn)度取值；h 為底板浮煤層厚，m，取0.2 m；A 為浮煤吸收阻化劑溶液量，根據(jù)實(shí)測結(jié)果取50 kg/t；V 為工作面阻化劑溶液一次噴灑體積，m3；γ 為阻化劑溶液密度，t/m3，根據(jù)實(shí)測結(jié)果取1.05 t/m3。

經(jīng)計算，8204 工作面阻化劑溶液一次噴灑量為2.38 t，噴灑體積2.27 m3，當(dāng)稀釋度取15%時，所需阻化劑溶液用量為0.357 t。故該工作面過斷層期間應(yīng)準(zhǔn)備工業(yè)MgCl2礦井阻化劑0.357 t。

2.2 注氮量

根據(jù)煤礦開采及防滅火實(shí)踐，通常根據(jù)防滅火區(qū)空間大小及自燃程度進(jìn)行注氮量確定，且《煤礦安全規(guī)程》也并未提供統(tǒng)一的計算方法，為此，根據(jù)同一地區(qū)其他煤礦工作面過構(gòu)造帶防滅火經(jīng)驗(yàn)，8204 工作面防滅火過程中主要根據(jù)噸煤進(jìn)行注氮量計算，公式如式（3）：

式中：QN為工作面采空區(qū)注氮量，m3/h，A 為煤產(chǎn)量，t/a；K 為工作面回采率，%，取0.84%。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入式（3）后得到的8204 工作面過斷層期間注氮量為1 000～1 500 m3/h。

3 防滅火技術(shù)應(yīng)用

3.1 注氯化鎂及注氮防火

結(jié)合8204 工作面采空區(qū)過斷層期間防滅火要求，注氮防滅火惰化指標(biāo)7%，通過2 臺制氮量1 200 m3/h、輸出壓力0～1 MPa 的DM1200-10 型礦用井下移動制氮機(jī)輸出體積分?jǐn)?shù)至少為97%的氮?dú)?，此后氮?dú)獗氵M(jìn)入進(jìn)風(fēng)順槽中沿采空區(qū)設(shè)置的直徑108 mm 的PE 管路。在開切眼處設(shè)置第一個氮?dú)忉尫趴?，并待釋放口在采空區(qū)內(nèi)的埋深達(dá)到30 m 后開始注氮，與此同時埋入第二趟注氮管路，待其在采空區(qū)內(nèi)埋深達(dá)到30 m 后開始注氮，并同時停止第一趟管路注氮操作。如此循環(huán)往復(fù)，直至工作面回采結(jié)束。

在注氮過程中，如果工作面各項(xiàng)氣體指標(biāo)均顯示正常，則應(yīng)采用間歇式注氮，注氮頻次為1 次/d，2h/次，注氮量應(yīng)保持在1 000～1 500 m3/h 以內(nèi)；相反，若監(jiān)測結(jié)果顯示工作面CO 氣體濃度持續(xù)上升，則應(yīng)連續(xù)注氮并將注氮量增大至2 000～3 000 m3/h。

3.2 黃泥灌漿加注三相泡沫

該煤礦3#每層存在較大的自燃危險性，為此采用地面固定式灌漿方式采后灌漿以封閉工作面。在副斜井灌漿廠房中布置灌漿站，按照設(shè)計要求將一定比例的水和漿材混合后制成漿液，并沿輸漿管路借助泥漿泵或自然壓力差將其輸送至井下。一般情況下，工作面防火灌漿系數(shù)取值在3～12%，考慮到該地區(qū)其他煤礦防滅火實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該煤礦黃泥灌漿系數(shù)取5%。依據(jù)該煤礦回采工作面漿液輸送距離、注漿方式、煤層傾角、注漿材料以及同地區(qū)其他煤礦實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，該煤礦8204 工作面泥漿土水比按照1:5 取值，并根據(jù)防滅火實(shí)際效果適當(dāng)調(diào)整。

按照該回采工作面防滅火方案設(shè)計，黃泥灌漿線路為地面灌漿站→回風(fēng)斜井→回風(fēng)大巷→301 盤區(qū)軌道巷→302 盤區(qū)回風(fēng)巷→302 盤區(qū)軌道巷→8204工作面軌道順槽→8204 工作面，灌漿線路總長2800m?？紤]到灌漿線路較長，灌漿量大，故灌漿干管和支管分別選擇外徑108 mm、壁厚4 mm 以及外徑89 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管。灌漿站將黃土輸送至定量料斗后通過水沖刷料斗內(nèi)黃土，泥漿隨即流動至制漿機(jī)中與水混合成漿液，經(jīng)由濾漿器過濾后通過注漿泵輸送至井下。

為提升回采工作面采空區(qū)防滅火效果，將三相泡沫發(fā)泡劑摻加進(jìn)黃泥灌漿系統(tǒng)，使黃泥漿、空氣經(jīng)過充分發(fā)泡后成為分散性混合體，能均勻有效覆蓋采空區(qū)浮煤，防止普通黃泥漿液沿阻力較小通道流失而難以有效覆蓋采空區(qū)浮煤的情況。摻加三相泡沫發(fā)泡劑后的黃泥漿液可長時間保持泡沫結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，泡沫破碎后便能均勻覆蓋浮煤，避免煤料吸附氧氣后發(fā)生氧化、自燃。該回采工作面黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)額定制漿量為60 m3/min，注漿池將漿液注入井下后再通過抽液泵將三相泡沫發(fā)泡劑加入注漿管路，也就是說，三相泡沫發(fā)泡劑在注漿管、壓風(fēng)管及發(fā)泡器等的共同作用下注入至采空區(qū)。

4 防滅火技術(shù)應(yīng)用效果

回采期間，在8204 回采工作面上隅角及回風(fēng)巷設(shè)置自然發(fā)火觀測點(diǎn)，應(yīng)用JSG-8 型煤礦束管監(jiān)測系統(tǒng)對所采煤層進(jìn)行自燃火災(zāi)監(jiān)測與預(yù)報，并每間隔兩天進(jìn)行一次氣體抽樣分析。

8204 回采工作面在2021 年2 月25 日在工作面上隅角處檢測到體積分?jǐn)?shù)為50×10-6%左右的CO 氣體，到采取以上控風(fēng)防火、注氯化鎂及注氮防火、噴灑阻化劑以及黃泥灌漿加注三相泡沫等治理措施后，上隅角位置CO 氣體于3 月2 日—3 月10 日持續(xù)升高，達(dá)到5 200×10-6%后持續(xù)下降，并逐漸趨于正常穩(wěn)定范圍。在該回采工作面上隅角處CO 氣體濃度位于正常狀態(tài)后，于4 月2 日開始對相同區(qū)域內(nèi)指標(biāo)氣體濃度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測，結(jié)果詳見表1。

表1 8204 回采工作面上隅角氣體濃度監(jiān)測結(jié)果

對回采工作面相應(yīng)位置進(jìn)行密閉處理并注氮后，采空區(qū)內(nèi)O2濃度仍保持在較高水平，造成采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化過程持續(xù)進(jìn)行，使工作面上隅角處CO 濃度不斷升高，并伴隨有C2H4持續(xù)出現(xiàn)；此后在密閉區(qū)內(nèi)高濃度氮?dú)饬康挠绊懴?，O2濃度持續(xù)降低，遺煤氧化的趨勢也逐漸減緩，C2H4濃度最終降低至0，CO 濃度出現(xiàn)拐點(diǎn)并持續(xù)降低。考慮到注氮時間較短，采空區(qū)內(nèi)高溫點(diǎn)仍可能存在，遺煤重新氧化的可能性仍較大，為此還應(yīng)當(dāng)持續(xù)注氮，直到回采工作面上隅角處CO 體積分?jǐn)?shù)降至0、氧氣體積分?jǐn)?shù)降至5%以下，持續(xù)至少1 個月并保證采空區(qū)內(nèi)火災(zāi)隱患徹底消除后，恢復(fù)正常生產(chǎn)。

5 結(jié)論

綜上所述，回采工作面過斷層期間，往往會因推進(jìn)速度較慢，遺煤較多等原因而增大自燃風(fēng)險。樹兒里煤業(yè)3#煤8204 工作面在既有開采技術(shù)及實(shí)踐的基礎(chǔ)上，采用降低風(fēng)量、密閉施工、注氯化鎂及注氮防火、黃泥灌漿加注三相泡沫等防滅火措施，切斷采空區(qū)與工作面之間的氣體交換的同時使采空區(qū)產(chǎn)生CO氣體。監(jiān)測結(jié)果表明，該回采工作面過斷層期間采用以上綜合防滅火技術(shù)后采空區(qū)內(nèi)火災(zāi)隱患徹底消除，為工作面正常生產(chǎn)提供了安全穩(wěn)定的條件。