郭 彬

(山西汾西礦業(yè)集團南關(guān)煤業(yè)有限責任公司,山西 靈石 031304)

當?shù)V井回采煤層具有自然發(fā)火傾向時,煤炭回采過程中需針對性制定防滅火技術(shù)措施,受井下環(huán)境惡劣、煤層賦存條件復雜等影響,采取單一的防滅火技術(shù)往往無法實現(xiàn)較好的防滅火效果[1-2]。為確保煤炭生產(chǎn)安全,礦井多采用綜合防滅火技術(shù),雖然可起到較好防滅火效果,但是也面臨防滅火工作壓力大、執(zhí)行路線不清晰等問題[3-5]。南關(guān)礦1204工作面2號煤層具有自燃傾向性,文中就以1204工作面防滅火工作開展為工程背景,對采面使用的綜合防滅火技術(shù)進行分析,以期為其他礦井類似情況采面防滅火工作開展提供經(jīng)驗借鑒。

1 工程概況

南關(guān)礦為兼并重組整合礦井,井田面積36.045 3 km2,生產(chǎn)規(guī)模9×105t/a,批準開采2號、9號、10號、11號煤層。現(xiàn)開采的2號煤層厚0.12～3.15 m,平均2.7 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單。頂板多為泥巖、細粒砂巖、粉砂巖或砂質(zhì)泥巖,底板多為泥巖、砂質(zhì)泥巖、細粒砂巖或粉砂巖。2021年4月30日,山西省煤炭工業(yè)廳綜合測試中心對2號煤層的煤自燃傾向性進行了鑒定:揮發(fā)分26.83%、煤吸氧量為0.68 cm3/g,自燃傾向性等級為Ⅱ類,屬自燃煤層,煤層最短自然發(fā)火期為69 d.

2號煤層1204工作面東距井田邊界885 m,西側(cè)為1202工作面(2009年8月已回采),北為一采區(qū)軌道上山大巷,南距二采區(qū)邊界552 m.1204工作面所在區(qū)域總體呈單斜構(gòu)造,東北高西南低,材料巷長度為742 m,最大坡度23°;運輸巷長度為722 m,最大坡度23°;切眼長度42 m,高差為10 m,最大坡度13°.1204工作面回采區(qū)域內(nèi)發(fā)育有多條斷層,采用全風壓“U”型通風方式,1204運巷進風,1204材巷回風,設(shè)計供風量為595 m3/min.

2 綜合防滅火技術(shù)

2.1 火災監(jiān)測預警技術(shù)

2.1.1 安全監(jiān)控系統(tǒng)

南關(guān)礦選用KJ95x安全監(jiān)控系統(tǒng),監(jiān)測監(jiān)控隊和通風區(qū)安排專人做好各類傳感器的日常管理、標校工作,確保實時監(jiān)測,為防滅火管理提供可靠的依據(jù)。傳感器種類及安設(shè)情況如圖1所示。

在1204上隅角、1204材巷工作面、1204材巷回風流、1204運輸巷溜煤眼上方、工作面煤機等位置布置甲烷傳感器;在1204上隅角、1204材巷回風流、1204運輸巷膠帶機頭滾筒下風側(cè)10～15 m等位置布置一氧化碳傳感器;在1204運輸巷膠帶機頭滾筒下風側(cè)10～15 m位置布置煙霧傳感器;在1204上隅角、1204材巷回風流布置溫度傳感器;在1204材巷工作面布置粉塵傳感器;在1204上隅角布置氧氣傳感器。

2.1.2 束管監(jiān)測系統(tǒng)

南關(guān)礦選用JSG-8井下束管監(jiān)測系統(tǒng),地面設(shè)有束管監(jiān)測系統(tǒng)機房,可對煤層自然發(fā)火指標性氣體進行檢測分析。束管鋪設(shè)路線:束管監(jiān)測機房—行人斜井(32芯)—采軌道上山(32芯)—+720聯(lián)巷(32芯)—采回風巷(16芯)—1204材回聯(lián)巷(3芯)—1204材巷(3芯)—1204采空區(qū)(3芯)。具體采面束管布置情況如圖2所示。

圖2 采面束管布置示意

根據(jù)束管監(jiān)測工作面采空區(qū)氧氣數(shù)據(jù)及中煤科工集團重慶研究院有限公司為南關(guān)礦編制的《綜采工作面自燃“三帶”監(jiān)測與分析研究報告》,采空區(qū)12 m后氧氣體積分數(shù)低于18%處于氧化帶,進入采空區(qū)大約66 m后氧氣體積分數(shù)低于7%處于窒息帶。為此,在采面材料巷內(nèi)安設(shè)3芯束管,一路束管位于采空區(qū)12 m范圍內(nèi),一路束管位于采空區(qū)12～66 m范圍內(nèi),一路束管位于采空區(qū)66 m以外,以實現(xiàn)對散熱帶、氧化帶和窒息帶進行監(jiān)測。每一路束管抽氣口應安設(shè)束管采樣器,并實行編號管理。具體束管的布點方法見圖3.

圖3 采空區(qū)及上隅角位置束管測點布置示意

在工作面上隅角(0～12 m范圍內(nèi))布置1個測點,進入采空區(qū)(12～66 m范圍內(nèi))設(shè)1個測點,進入采空區(qū)66 m左右布置1個測點。保持采空區(qū)內(nèi)部回風側(cè)范圍2個測點、上隅角范圍1個測點,待距工作面最遠測點進入采空區(qū)66 m后,即可結(jié)束此測點觀測,重新設(shè)置測點。

地面通過束管采樣儀抽取氣樣至地面色譜分析,分析參數(shù)主要有氧氣(O2)、氮氣(N2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6),每天檢測1次,分析數(shù)據(jù)打印報表并上報,若發(fā)現(xiàn)某項數(shù)據(jù)超標或者存在異常,則應立即分析并針對性采取治理措施。

2.2 采面正?；夭善陂g防滅火技術(shù)

2.2.1 噴灑阻化劑

1204工作面正常回采期間每天在檢修班向上、下隅角與工作面支架間噴灑阻化劑,以延緩采空區(qū)遺煤氧化。采面采用移動式阻化劑噴灑壓注系統(tǒng):日常噴灑選用2臺BQG170/0.25型礦用氣動隔膜泵,工作泵壓為0.25 MPa,額定風壓為0.55 MPa,最大耗氣量為1.5 m3/min,噴射量為170 L/min,采用氣動方式噴灑阻化劑。選用工業(yè)氯化鈣作為阻化劑對工作面進行噴灑。阻化劑噴灑泵、儲液箱已安設(shè)在1204工作面刮板輸送機機尾底托板處并鋪設(shè)專用阻化劑管路,并隨工作面的推進隨時移動。將礦用氣動隔膜泵、儲液箱固定在刮板輸送機機尾底托板處,阻化劑放置于回采工作面回風巷超前支護段外。

1) 阻化劑濃度確定。阻化劑濃度的合理性是降低成本、提高阻化效果的重要方面[6]。根據(jù)以往經(jīng)驗,20%的CaCL2溶液阻化率較高,阻化效果較好;CaCL2溶液低于20%阻化效果逐漸減弱;超過20%的CaCL2溶液阻化效果未見明顯增強但成本變高[7-9]。阻化劑濃度控制在15%～20%之間為最佳,因此阻化劑濃度定為20%.

2) 阻化劑量用量計算。

阻化劑噴灑量計算:

V=QyηρcLHS

(1)

式中:V為阻化劑噴灑量,m3;Qy為噸煤用液量(范圍0.04～0.06 m3),取0.04 m3;η為工作面丟煤率,取5%;ρc為煤的密度,取1.37 t/m3;L為工作面長度,取42 m;H為工作面回采高度,取2.7 m;S為工作面日推進度,取3.6 m.

將上述參數(shù)帶入公式(1)即可求得V=1.12 m3.

阻化劑用量計算:

M=Vρyρn

(2)

式中:M為阻化劑需用量,t;V為阻化劑噴灑量,取1.12 m3;ρy為阻化劑溶液密度,取1.18 t/m3;ρn為阻化劑溶液濃度,取20%.將上述參數(shù)帶入公式(2)即可求得M=0.264 t.

1204工作面一次噴灑量約為1.12 m3,阻化泵噴射量取170 L/min,可得出一次噴灑時間為t=1.12/0.17=6.6 min,所以一次凈噴灑耗時6.6 min.

2.2.2 注氮防滅火

1204工作面正?；夭善陂g不進行注氮,若出現(xiàn)CO、C2H2、C2H4、C2H6等遺煤自然發(fā)火標志性氣體,改為連續(xù)注氮。1204工作面采用開放式注氮,注氮方法為回采工作面進風隅角埋管注氮。管路鋪設(shè)路線:地面注氮泵站—行人斜井—一采軌道上山—+720回風巷—一采回風巷—1204運巷—1204下隅角采空區(qū)氧化帶,具體采面注氮管路鋪設(shè)情況如圖2所示。制氮設(shè)備采用碳分子篩制氮設(shè)備,型號為DTJY-1000-97,氮氣流量1 000 m3/h,氮氣體積分數(shù)不小于97%,出口壓力0～0.8 MPa.

注氮管路采用10 cm管,在工作面下隅角提前將10 cm錐形管路(前4 m)埋入采空區(qū)大于10 m,向采空區(qū)注入氮氣。埋入采空區(qū)管路前4 m采用錐形連接的方式,如圖4所示。埋管后,待工作面推進40 m,鋪設(shè)另一趟注氮管路,工作面再推進10 m,新鋪設(shè)的注氮管路與原管路法蘭盤直接溝通(即“邁步50 m”),使注氮管路的出氣口始終保持在氧化帶。

圖4 錐形連接示意

2.3 非正?；夭善陂g的防滅火技術(shù)

非正?；夭善陂g包括:工作面初采、遇斷層(月推進小于60 m)、末采回收等時期,在上述非正常開采時期內(nèi),兩巷道及采空區(qū)浮煤氧化時間最長,是重點發(fā)火區(qū)域。非正常開采期間管理措施:

1) 工作面非正常回采期間,通風區(qū)應編制專項防滅火措施,并經(jīng)審批后執(zhí)行。

2) 通風區(qū)應根據(jù)現(xiàn)場實際情況合理調(diào)整測點計劃,并繪制相應的巡回檢測圖表,根據(jù)實際需要增加檢測次數(shù)和地點。

3) 非正常開采期間,由于工作面推進速度較慢,工作面遺煤的暴露時間較長,加之存在一定的漏風,易造成煤層自燃,故生產(chǎn)技術(shù)部、資源地質(zhì)部、調(diào)度指揮中心等相關(guān)部門應對工作面推進度較慢的問題合理安排、部署。

4) 非正常開采期間,隊組要及時對上、下隅角進行退錨、放頂,減少采空區(qū)漏風。降低采空區(qū)漏風量,減小采空區(qū)自然發(fā)火的危險性。

5) 加強上、下隅角、工作面支架間阻化劑噴灑,工作面停采時應噴灑煤壁,延緩遺煤氧化。

6) 加強束管預測預報和人工預測預報工作,加強工作面上下端頭、支架架間CO和溫度檢測,編制束管分析報告,以此判斷煤層發(fā)火程度,并上報總工程師及通風區(qū)長審批。

7) 非正?；夭蓵r期,工作面注氮時機為每天注氮1次。

2.4 工作面回采結(jié)束后的封閉及灌漿措施

工作面回采結(jié)束后,通風隊必須在45 d對巷道進行封閉,利用井下移動黃泥灌漿泵對采空區(qū)進行灌漿,由通風隊提前編制工作面黃泥灌漿方案,灌漿時必須嚴格執(zhí)行所規(guī)定的內(nèi)容,由通風隊安排專人負責。

灌漿設(shè)備為ZHJ-30/5灌漿泵,額定壓力5 MPa,額定排量30 L/min,輸出功率15 kW;電機型:YBK2-160-4 ,功率15 kW.漿液的水固比應根據(jù)泥漿的輸送距離、煤層傾角,灌漿方式及灌漿材料和季節(jié)等因素通過實踐確定,一般情況下為4∶1.具體灌漿量和灌漿天數(shù)根據(jù)現(xiàn)場實際情況而定,以灌完采空區(qū)漿液從措施孔溢出為準。具體采空區(qū)灌漿工藝如圖5所示。

圖5 灌漿工藝示意

1204工作面在回采期間采用上文所述防滅火技術(shù)措施后,采面進風隅角、回風隅角、回風巷以及采空區(qū)等位置CO、溫度等參數(shù)均在正常范圍內(nèi),整個生產(chǎn)期間未有遺煤自然發(fā)火征兆,為采面煤炭高效回采奠定了良好基礎(chǔ)。

3 結(jié) 語

1) 南關(guān)礦回采的2號煤層具有自然發(fā)火傾向,為確保采面回采安全,提出在采面生產(chǎn)期間綜合使用安全監(jiān)控系統(tǒng)、宿管監(jiān)測系統(tǒng)以及人工檢測方式對煤層自然發(fā)火情況進行監(jiān)測。在正常生產(chǎn)期間,通過噴灑阻化劑方式進行防滅火,具體一次噴灑量約為1.12 m3;1204工作面正?；夭善陂g不進行注氮,若出現(xiàn)CO、C2H2、C2H4、C2H6等標志性氣體,改為連續(xù)注氮,從進風隅角位置,及時惰化采空區(qū)。并對采面在非正常回采期間主要通過減少漏風、強化阻化劑噴灑、每天注氮以及強化監(jiān)測等手段進行防滅火;在回采結(jié)束后采用及時密閉、采空區(qū)灌漿等手段進行防滅火。

2) 依據(jù)1204工作面現(xiàn)場情況構(gòu)建的火災監(jiān)測以及防滅火技術(shù)措施可確保采面回采安全,在1204工作面回采期間,未出現(xiàn)有采空區(qū)遺煤自然發(fā)火問題,為采面煤炭安全回采創(chuàng)造了良好條件。