陳本偉

(安徽理工大學 安全科學與工程學院,安徽 淮南 232001)

目前,我國多個礦區(qū)推廣應用切頂沿空留巷無煤柱開采技術,該技術有巷道掘進率低、煤炭回收率高、應力集中影響小等顯著優(yōu)勢[1-3]。然而,切頂沿空留設的巷道將與上工作面采空區(qū)直接接觸,形成敞開式采空區(qū),采空區(qū)漏風通道大大增加,自然發(fā)火危險性極大,嚴重威脅礦井的安全高效生產[4-5]。特別是針對厚煤層分層開采工作面,采空區(qū)內自然發(fā)火隱患更為突出[6-7]?；诖?本文以張集煤礦1613A工作面為研究背景,開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措施。

1 工程概況

淮河能源集團張集煤礦1613A工作面走向長度1 503 m,傾斜長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壁綜合機械化分層開采,上分層平均采高4.5 m,下分層厚度為2～4.0 m.工作面所開采煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級,屬于自燃煤層,自然發(fā)火期3～6個月。

1613A工作面回采期間通過切頂留巷的方式,將工作面運順保留下來作為相鄰的1615A工作面的軌順。1613A工作面回采期間采用一進兩回的“Y”型通風方式,通風系統如圖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)火在本質上作為一種燃燒放熱現象,其發(fā)火離不開可燃物、助燃物、點火源這3個基本要素,同時煤自然發(fā)火作為煤與氧氣復合的特殊過程,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)內遺煤。由于受煤炭自身賦存條件、目前開采方法和技術裝備水平的影響,綜采工作面在開采過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)內的松散狀堆積性遺煤以及采空區(qū)邊緣的裂隙煤柱,構成了發(fā)火的可燃物條件。

2) 通風供氧條件。在生產過程中,必須源源不斷地將新鮮風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)之間存在漏風通道,新鮮風流給作業(yè)地點創(chuàng)造良好作業(yè)條件的同時,也不可避免地經支架間縫隙、上下隅角、煤柱裂隙等向采空區(qū)內漏風,這些漏風為采空區(qū)內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個布滿裂隙、輕微漏風的區(qū)域,在地溫、遺留煤炭與空氣緩慢氧化放熱共同的作用下,加之漏風的風速小,使得局部溫度逐漸升高,在采空區(qū)內形成蓄熱條件。

4) 時間條件。工作面正常推進過程中,采空區(qū)內的“三帶”都是隨工作面動態(tài)變化的,即使存在上述燃燒的條件,因為蓄熱時間不足,也很難形成自然發(fā)火,但在一些特殊條件下,如過斷層等地質構造、回采收作等工作面推進速度受限時,采空區(qū)內的遺煤就有了自然發(fā)火的時間條件。

2.2 1613A綜采工作面自然發(fā)火風險區(qū)域研判

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

1) 采空區(qū)內部。開采區(qū)域煤層厚度約3.5～8.5 m,平均煤厚6.5 m,工作面采用分層開采,上分層平均采高4.5 m,故采空區(qū)內遺留約2～4 m厚的底煤,加上回采過程中形成的散落狀遺煤,采空區(qū)內存在大量遺煤,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,與1613A工作面運順(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工作面運順之間的煤巖柱在礦壓的作用下產生裂隙,導致西三1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通道,兩個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通道,所以該區(qū)域煤柱發(fā)火隱患較大。

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

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

3 沿空留巷綜采工作面綜合防滅火技術

3.1 減少松散遺煤

1613A工作面回采過程中跟頂回采,提前對斷層面、應力異常區(qū)等地質構造帶附近煤體進行注漿加固,過地質構造帶期間及時調整回采參數,盡量減少采空區(qū)松散遺煤?；夭蛇^程中遇到丟煤較多的區(qū)域,采取噴灑無機防滅火材料的方式對松散遺煤進行防滅火預處理。

3.2 封堵漏風通道

1613A工作面在回采過程中,對運順留巷段與采空區(qū)之間、運順留巷段與工作面下方的-600 m疏水巷之間、經由瓦斯治理鉆孔向采空區(qū)這3個主要的漏風通道,分別采取針對性的封堵措施:①對留巷段與采空區(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1層風筒布,進一步減少向采空區(qū)的漏風;②對-600 m疏水巷由于受工作面采動應力影響而形成的裂隙進行噴漿堵漏,及時消除漏風通道;③對連通采空區(qū)的鉆孔及時注漿封堵,減少漏風。采區(qū)封堵措施前漏風量為261.6 m3/min,漏風率為9.6%;封堵漏風通道后,漏風量為186.8 m3/min,漏風率為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系統進行灌漿,灌漿路線為:地面灌漿站—灌漿鉆孔—北一2號回風石門—西二2號回風石門—西二-478 m回風大巷—西翼6煤第一回風巷—-430～-483 m第一回風斜巷—-483 m西三回風大巷—西二1煤新增集中回風巷—西三1煤-465～-495 m集中回風斜巷—1613A軌順—采空區(qū)。將工作面軌順灌漿管路與風、水管路形成交替邁步式灌漿系統,管路預埋至采空區(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,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為灌注時間,取6 h/d.

按每天灌注6 h計算,每天需要灌漿量100.8 m3.基于理論計算及現場實際情況,1613A工作面采用D108 mm管路,實際日均灌漿122 m3.

3.4 注氮

張集煤礦(北區(qū))地面有注氮車間1座,車間內安裝北京長順安達公司生產的DM-5000型制氮機組1套,制氮能力為5 000 m3/h,通過1個D194 mm的注氮鉆孔變徑后與井下注氮管路系統相聯。

在1613A運順新接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D51 mm的三通(配套有對應的閘閥)。自切眼往外,每隔30 m往采空區(qū)設置1根D108 mm長度為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D51 mm高壓軟管與注氮干管上三通連接。

圖3 運順注氮管路系統布置及改造示意

工作面自初次放頂結束開始,利用預留在切眼內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1613A工作面注氮量進行計算:

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

式中:QN為1個工作面的注氮量,m3/h;Q0為采空區(qū)的氧化帶的漏風量,與煤層厚度、頂板管理方式、工作面通風方式等因素有關,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數,原始氧氣體積分數在采空區(qū)氧化帶內是漸變值,一般為10%～15%,設計取13%;C2為采空區(qū)惰化防火指標,一般取7%～10%;設計取7%;CN為注入氮氣的體積分數,設計取97%;K為備用系數,一般取1.2～1.5,設計取1.4.

基于理論計算及現場實際情況,1613A工作面生產時,實際注氮量為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1個D51 mm變D25 mm的三通變通及D25 mm的球閥,通過1根長5 m的D25 mm高壓軟管伸入支架后方,每班往底板及時灑漿(或灑MEA)。

圖4 1613A工作面灑漿管路示意

4 應用效果

通過以上防滅火綜合技術措施,在1613A運順留巷段布置5處防滅火測點,分別為:1號(開切眼位置)、2號(開切眼向外30 m位置)、3號(開切眼向外60 m位置)、4號(開切眼向外90 m位置)、5號(開切眼向外120 m位置)。通過測點處預埋束管取樣及溫度監(jiān)測系統對防滅火效果進行分析。結果表明:各測點處基本未測到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 語

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)內遺煤、通風供氧時漏風、采空區(qū)較好的蓄熱條件及工作面推進所創(chuàng)造的時間等。

2) 針對1613A工作面沿空留巷分層開采的實際工程現狀,分析得出該工作面自然發(fā)火的風險區(qū)域主要集中在采空區(qū)內部、-600 m疏水巷與留巷段之間的煤柱、切眼、收作線、斷層及地質構造帶區(qū)域。

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