陳本偉

(安徽理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

目前,我國(guó)多個(gè)礦區(qū)推廣應(yīng)用切頂沿空留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù),該技術(shù)有巷道掘進(jìn)率低、煤炭回收率高、應(yīng)力集中影響小等顯著優(yōu)勢(shì)[1-3]。然而,切頂沿空留設(shè)的巷道將與上工作面采空區(qū)直接接觸,形成敞開(kāi)式采空區(qū),采空區(qū)漏風(fēng)通道大大增加,自然發(fā)火危險(xiǎn)性極大,嚴(yán)重威脅礦井的安全高效生產(chǎn)[4-5]。特別是針對(duì)厚煤層分層開(kāi)采工作面,采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火隱患更為突出[6-7]。基于此,本文以張集煤礦1613A工作面為研究背景,開(kāi)展沿空留巷綜采工作面煤炭自然發(fā)火因素分析,并提出工作面綜合防滅火技術(shù)措施。

1 工程概況

淮河能源集團(tuán)張集煤礦1613A工作面走向長(zhǎng)度1 503 m,傾斜長(zhǎng)200 m,煤厚3.5～8.5 m,平均煤厚6.5 m,該工作面采用走向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化分層開(kāi)采,上分層平均采高4.5 m,下分層厚度為2～4.0 m.工作面所開(kāi)采煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí),屬于自燃煤層,自然發(fā)火期3～6個(gè)月。

1613A工作面回采期間通過(guò)切頂留巷的方式,將工作面運(yùn)順保留下來(lái)作為相鄰的1615A工作面的軌順。1613A工作面回采期間采用一進(jìn)兩回的“Y”型通風(fēng)方式,通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。

2 沿空留巷綜采工作面煤炭自然發(fā)火因素分析

2.1 自然發(fā)火條件分析

煤炭自然發(fā)火在本質(zhì)上作為一種燃燒放熱現(xiàn)象,其發(fā)火離不開(kāi)可燃物、助燃物、點(diǎn)火源這3個(gè)基本要素,同時(shí)煤自然發(fā)火作為煤與氧氣復(fù)合的特殊過(guò)程,自身又有著特殊的燃燒條件。沿空留巷綜采工作面煤炭自然發(fā)火條件主要如下:

1) 采空區(qū)內(nèi)遺煤。由于受煤炭自身賦存條件、目前開(kāi)采方法和技術(shù)裝備水平的影響,綜采工作面在開(kāi)采過(guò)程中不可避免地存在一定量的遺留煤炭,尤其是在采空區(qū)內(nèi)的松散狀堆積性遺煤以及采空區(qū)邊緣的裂隙煤柱,構(gòu)成了發(fā)火的可燃物條件。

2) 通風(fēng)供氧條件。在生產(chǎn)過(guò)程中,必須源源不斷地將新鮮風(fēng)流送至綜采工作面供給人員呼吸、稀釋粉塵和有毒有害氣體。由于工作面與采空區(qū)之間存在漏風(fēng)通道,新鮮風(fēng)流給作業(yè)地點(diǎn)創(chuàng)造良好作業(yè)條件的同時(shí),也不可避免地經(jīng)支架間縫隙、上下隅角、煤柱裂隙等向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng),這些漏風(fēng)為采空區(qū)內(nèi)的遺煤提供了氧氣條件。

3) 蓄熱條件。綜采工作面采用全部垮落法管理頂板,采空區(qū)頂板隨采隨冒,在支架后方形成了1個(gè)布滿裂隙、輕微漏風(fēng)的區(qū)域,在地溫、遺留煤炭與空氣緩慢氧化放熱共同的作用下,加之漏風(fēng)的風(fēng)速小,使得局部溫度逐漸升高,在采空區(qū)內(nèi)形成蓄熱條件。

4) 時(shí)間條件。工作面正常推進(jìn)過(guò)程中,采空區(qū)內(nèi)的“三帶”都是隨工作面動(dòng)態(tài)變化的,即使存在上述燃燒的條件,因?yàn)樾顭釙r(shí)間不足,也很難形成自然發(fā)火,但在一些特殊條件下,如過(guò)斷層等地質(zhì)構(gòu)造、回采收作等工作面推進(jìn)速度受限時(shí),采空區(qū)內(nèi)的遺煤就有了自然發(fā)火的時(shí)間條件。

2.2 1613A綜采工作面自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域研判

根據(jù)前述綜采工作面煤炭自然發(fā)火條件分析,結(jié)合本1613A工作面沿空留巷分層開(kāi)采的實(shí)際狀況,得出該工作面在回采過(guò)程中受自然發(fā)火威脅的區(qū)域主要有:

1) 采空區(qū)內(nèi)部。開(kāi)采區(qū)域煤層厚度約3.5～8.5 m,平均煤厚6.5 m,工作面采用分層開(kāi)采,上分層平均采高4.5 m,故采空區(qū)內(nèi)遺留約2～4 m厚的底煤,加上回采過(guò)程中形成的散落狀遺煤,采空區(qū)內(nèi)存在大量遺煤,有很大的隱患。

2) -600 m疏水巷與留巷段之間的煤柱。-600 m疏水巷位于1613A工作面下方15 m的巖層內(nèi),與1613A工作面運(yùn)順(切頂留巷)平面間距25 m.工作面回采之后,西三1煤-600 m疏水巷與1613A工作面運(yùn)順之間的煤巖柱在礦壓的作用下產(chǎn)生裂隙,導(dǎo)致西三1煤-600 m疏水巷與留巷段之間的煤巖柱形成松散煤體。-600 m疏水巷作為1613A工作面留巷段的回風(fēng)通道,兩個(gè)巷道之間又存在壓差,煤巖柱在形成松散煤體的情況下又有了漏風(fēng)通道,所以該區(qū)域煤柱發(fā)火隱患較大。

3) 開(kāi)切眼及收作線附近。工作面開(kāi)切眼及收作線附近,漏風(fēng)量較大,開(kāi)切眼與收作線附近工作面推進(jìn)速度較正常情況變慢,煤柱與遺煤等暴露時(shí)間長(zhǎng),存在一定程度的發(fā)火隱患。

4) 斷層及地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū)域。1613A工作面回采范圍內(nèi)受到FS609、F1613A76、F1613A77等幾條落差大于3 m的斷層的影響。由于構(gòu)造應(yīng)力的作用,斷層附近的煤體完整性較差,工作面過(guò)斷層期間回采難度加大,散落遺煤增多,推進(jìn)速度降低,因此斷層附近也是防火的重點(diǎn)區(qū)域。

3 沿空留巷綜采工作面綜合防滅火技術(shù)

3.1 減少松散遺煤

1613A工作面回采過(guò)程中跟頂回采,提前對(duì)斷層面、應(yīng)力異常區(qū)等地質(zhì)構(gòu)造帶附近煤體進(jìn)行注漿加固,過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶期間及時(shí)調(diào)整回采參數(shù),盡量減少采空區(qū)松散遺煤?；夭蛇^(guò)程中遇到丟煤較多的區(qū)域,采取噴灑無(wú)機(jī)防滅火材料的方式對(duì)松散遺煤進(jìn)行防滅火預(yù)處理。

3.2 封堵漏風(fēng)通道

1613A工作面在回采過(guò)程中,對(duì)運(yùn)順留巷段與采空區(qū)之間、運(yùn)順留巷段與工作面下方的-600 m疏水巷之間、經(jīng)由瓦斯治理鉆孔向采空區(qū)這3個(gè)主要的漏風(fēng)通道,分別采取針對(duì)性的封堵措施:①對(duì)留巷段與采空區(qū)之間的擋矸墻噴射混凝土封堵裂隙,噴射混凝土后,再在擋矸墻外敷設(shè)1層風(fēng)筒布,進(jìn)一步減少向采空區(qū)的漏風(fēng);②對(duì)-600 m疏水巷由于受工作面采動(dòng)應(yīng)力影響而形成的裂隙進(jìn)行噴漿堵漏,及時(shí)消除漏風(fēng)通道;③對(duì)連通采空區(qū)的鉆孔及時(shí)注漿封堵,減少漏風(fēng)。采區(qū)封堵措施前漏風(fēng)量為261.6 m3/min,漏風(fēng)率為9.6%;封堵漏風(fēng)通道后,漏風(fēng)量為186.8 m3/min,漏風(fēng)率為6.8%.

3.3 灌黃泥漿

1613A工作面回采期間,利用地面灌漿站和井下灌漿管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行灌漿,灌漿路線為:地面灌漿站—灌漿鉆孔—北一2號(hào)回風(fēng)石門(mén)—西二2號(hào)回風(fēng)石門(mén)—西二-478 m回風(fēng)大巷—西翼6煤第一回風(fēng)巷—-430～-483 m第一回風(fēng)斜巷—-483 m西三回風(fēng)大巷—西二1煤新增集中回風(fēng)巷—西三1煤-465～-495 m集中回風(fēng)斜巷—1613A軌順—采空區(qū)。將工作面軌順灌漿管路與風(fēng)、水管路形成交替邁步式灌漿系統(tǒng),管路預(yù)埋至采空區(qū),交替30 m、50 m和70 m,如圖2所示。

工作面灌漿量:

式中:G為工作面日產(chǎn)量,t/d;W為工作面灌漿寬度,取70 m;h為漿液覆蓋厚度,取0.05～0.25 m;δ為土水比倒數(shù),取4;M為漿液制成率,取0.9;ρc為煤的密度,取1.3 t/m3;h為工作面回采高度,取4.5 m;L為工作面長(zhǎng)度,取200 m;N為注漿添加劑防滅火效率因子,取2;t為灌注時(shí)間,取6 h/d.

按每天灌注6 h計(jì)算,每天需要灌漿量100.8 m3.基于理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,1613A工作面采用D108 mm管路,實(shí)際日均灌漿122 m3.

3.4 注氮

張集煤礦(北區(qū))地面有注氮車(chē)間1座,車(chē)間內(nèi)安裝北京長(zhǎng)順安達(dá)公司生產(chǎn)的DM-5000型制氮機(jī)組1套,制氮能力為5 000 m3/h,通過(guò)1個(gè)D194 mm的注氮鉆孔變徑后與井下注氮管路系統(tǒng)相聯(lián)。

在1613A運(yùn)順新接1趟D159 mm注氮管路,如圖3所示。自切眼往外,每隔31.5 m(約7根管路)在新接的D159 mm的干管上撥1個(gè)D51 mm的三通(配套有對(duì)應(yīng)的閘閥)。自切眼往外,每隔30 m往采空區(qū)設(shè)置1根D108 mm長(zhǎng)度為4.5 m的措施管(措施管安裝D51 mm悶頭,外露檔矸墻300～500 mm),措施管通過(guò)D51 mm高壓軟管與注氮干管上三通連接。

圖3 運(yùn)順注氮管路系統(tǒng)布置及改造示意

工作面自初次放頂結(jié)束開(kāi)始,利用預(yù)留在切眼內(nèi)的防火措施管和留巷段擋矸墻上的防火措施管,全天候24 h連續(xù)向采空區(qū)注氮,注氮范圍原則上控制在工作面至留巷段采空區(qū)100 m.

對(duì)1613A工作面注氮量進(jìn)行計(jì)算:

QN=60KQ0(C1-C2)/(CN+C2-1)

式中:QN為1個(gè)工作面的注氮量,m3/h;Q0為采空區(qū)的氧化帶的漏風(fēng)量,與煤層厚度、頂板管理方式、工作面通風(fēng)方式等因素有關(guān),取5～10 m3/min,一般為10 m3/min;C1為采空區(qū)氧化帶的平均氧氣體積分?jǐn)?shù),原始氧氣體積分?jǐn)?shù)在采空區(qū)氧化帶內(nèi)是漸變值,一般為10%～15%,設(shè)計(jì)取13%;C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo),一般取7%～10%;設(shè)計(jì)取7%;CN為注入氮?dú)獾捏w積分?jǐn)?shù),設(shè)計(jì)取97%;K為備用系數(shù),一般取1.2～1.5,設(shè)計(jì)取1.4.

基于理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,1613A工作面生產(chǎn)時(shí),實(shí)際注氮量為1 250 m3/h.

3.5 噴灑阻化劑(MEA)

在1613A工作面架檔布置1套灑漿管路,如圖4所示。灑漿管路固定于工作面支架后立柱后面梁上,每次隨鏈板機(jī)前移。干管采用D51 mm的高壓軟管與軌順D108 mm灌漿支管連接。灑漿管路每隔10 m留設(shè)1個(gè)D51 mm變D25 mm的三通變通及D25 mm的球閥,通過(guò)1根長(zhǎng)5 m的D25 mm高壓軟管伸入支架后方,每班往底板及時(shí)灑漿(或?yàn)EA)。

圖4 1613A工作面灑漿管路示意

4 應(yīng)用效果

通過(guò)以上防滅火綜合技術(shù)措施,在1613A運(yùn)順留巷段布置5處防滅火測(cè)點(diǎn),分別為:1號(hào)(開(kāi)切眼位置)、2號(hào)(開(kāi)切眼向外30 m位置)、3號(hào)(開(kāi)切眼向外60 m位置)、4號(hào)(開(kāi)切眼向外90 m位置)、5號(hào)(開(kāi)切眼向外120 m位置)。通過(guò)測(cè)點(diǎn)處預(yù)埋束管取樣及溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)防滅火效果進(jìn)行分析。結(jié)果表明:各測(cè)點(diǎn)處基本未測(cè)到CO,溫度變化范圍為23～27 ℃,遺煤自燃得到了有效控制,確保了工作面的安全回采。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 分析得出綜采工作面煤炭自然發(fā)火條件主要有采空區(qū)內(nèi)遺煤、通風(fēng)供氧時(shí)漏風(fēng)、采空區(qū)較好的蓄熱條件及工作面推進(jìn)所創(chuàng)造的時(shí)間等。

2) 針對(duì)1613A工作面沿空留巷分層開(kāi)采的實(shí)際工程現(xiàn)狀,分析得出該工作面自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域主要集中在采空區(qū)內(nèi)部、-600 m疏水巷與留巷段之間的煤柱、切眼、收作線、斷層及地質(zhì)構(gòu)造帶區(qū)域。

3) 對(duì)1613A工作面自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域提出了針對(duì)性的綜合防滅火技術(shù),包括減少采空區(qū)松散遺煤、噴(注)漿封堵漏風(fēng)、采空區(qū)內(nèi)灌黃泥漿、注氮、噴灑阻化劑等綜合防滅火技術(shù),消除了沿空留巷分層開(kāi)采工作面采空區(qū)內(nèi)的自然發(fā)火隱患,保證了工作面的安全生產(chǎn)。