王亞超,景興鵬,張辛亥,肖 旸
(1.西安科技大學(xué)能源學(xué)院,陜西 西安 710054;2.中煤科工集團(tuán)西安研究院,陜西 西安710054;3.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710054 )
煤自燃火災(zāi)一直以來就是我國(guó)煤礦的重大災(zāi)害之一。我國(guó)煤炭自燃火災(zāi)十分嚴(yán)重,因此煤層火災(zāi)的防治技術(shù)成為了礦井安全技術(shù)的重點(diǎn)。煤層火災(zāi)防治技術(shù)主要包括注水、壓注凝膠[1-2]、惰性氣體[3]、黃泥漿[4-5]、注三相泡沫[6]、噴灑阻化劑[7]、注膠體材料[8-9]等方法。目前煤礦防滅火技術(shù)采用較多的是膠體系列防滅火材料和三相泡沫等材料的滅火技術(shù)。對(duì)于亭南煤礦103綜放面的實(shí)際情況和結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù),在停采撤架期間采用綜合防滅火技術(shù)措施,從而保障103綜放面安全順利撤架。
亭南煤礦位于彬長(zhǎng)礦區(qū)中部,井田面積33.82 km,主采侏羅系8#煤層,平均厚度8.29m。礦井采用一對(duì)立井單水平開拓,劃分為四個(gè)盤區(qū),采煤方法為傾斜長(zhǎng)壁綜放開采。根據(jù)亭南煤礦8#煤層煤塵爆炸指數(shù)為30.06%~30.86%,爆炸火焰長(zhǎng)度為300mm,煤塵具有爆炸性;8#煤層吸氧量為0.46~0.51mL/g,自燃傾向等級(jí)二類,發(fā)火期為3~6個(gè)月。該礦周邊開采同一煤層的礦井實(shí)際最短自然發(fā)火期為1個(gè)月。亭南煤礦的瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果為低瓦斯礦井,瓦斯相對(duì)涌出量9m3/t,絕對(duì)涌出量13.62m3/min。通風(fēng)方式為中央并列式,兩臺(tái)主扇型號(hào)均為GAF-23.7-11.8-1,電機(jī)功率為560 kW,等積孔為4.1m2,礦井負(fù)壓1600Pa,總進(jìn)風(fēng)量為7914m3/min,總回風(fēng)量為9004m3/min,礦井有效風(fēng)量率為86.1%。煤礦回采過程中,103綜放工作面回風(fēng)隅角監(jiān)測(cè)到的CO濃度升高,一般為20~30ppm,回風(fēng)隅角后部CO濃度還有所增大,但沒有出現(xiàn)乙烯乙炔等其它自燃標(biāo)志氣體。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)深部埋管監(jiān)測(cè)到CO濃度達(dá)100ppm左右,O2濃度為14%左右,從近期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)看,CO濃度比較穩(wěn)定,沒有增加或降低的傾向。根據(jù)煤礦工作面的氣體監(jiān)測(cè)結(jié)果分析,采空區(qū)仍然存在一定量的漏風(fēng),浮煤氧化放出CO氣體,但采空區(qū)溫度仍然較低。通過數(shù)據(jù)分析推算出103面采空區(qū)散熱帶處于距離工作面20m的采空區(qū),氧化升溫帶位于距離工作面20~120m的范圍,其最寬處位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè),氧化升溫帶在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的寬度也很大,其采空區(qū)三帶分布如圖1所示。因此該重點(diǎn)處理氧化升溫帶寬度比較大的進(jìn)風(fēng)側(cè),對(duì)采空區(qū)回風(fēng)順槽處也要加強(qiáng)處理。
圖1 亭南煤礦103工作面采空區(qū)三帶分布示意圖
由于亭南煤礦103工作面風(fēng)量大,難以自工作面監(jiān)測(cè)到采空區(qū)出現(xiàn)自燃標(biāo)志氣體濃度升高等變化。為盡早預(yù)報(bào)采空區(qū)自燃,日常監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如下:①高位瓦斯抽放管作為一個(gè)測(cè)點(diǎn),每天定時(shí)采氣樣色譜分析其氣體成分及濃度;②采空區(qū)回風(fēng)隅角深部埋管每天采氣樣進(jìn)行色譜分析,該監(jiān)測(cè)點(diǎn)采樣頭位于巷道頂板,水平方向距離工作面15~40m處;③工作面距離回風(fēng)隅角處布置CO傳感器,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)回風(fēng)隅角CO變化情況;④瓦檢員每班在工作面巡檢,每隔40m一個(gè)點(diǎn),用金屬管伸入到支架后部頂板最里端,抽出氣樣用便攜儀分析其瓦斯及CO、O2等。如果有CO等標(biāo)志氣體異常,則采樣帶回地面色譜分析;⑤通防隊(duì)每天將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)填入固定表格,上報(bào)通風(fēng)科分析采空區(qū)煤自燃的動(dòng)態(tài)發(fā)展,如果發(fā)現(xiàn)自燃標(biāo)志氣體(主要是CO)連續(xù)升高或出現(xiàn)C2H4等異?,F(xiàn)象,則說明有煤層自燃趨勢(shì),盡快采取注膠防滅火措施。通過檢測(cè)可以判斷亭南煤礦103綜放面的自燃特征,從而可以制定綜合的防滅火綜合技術(shù)。
結(jié)合亭南煤礦103綜放面的實(shí)際條件和各種防滅火技術(shù)的特點(diǎn),確定了因地制宜,合理地運(yùn)用注氮、堵漏、灌漿、注膠及礦井應(yīng)急防滅火技術(shù),對(duì)103綜放面的煤層火災(zāi)進(jìn)行綜合防治的總體思路如圖2所示。
圖2 103綜放面自燃防治總體思路
接近停采線時(shí)(距離停采線100m以內(nèi)),工作面每推進(jìn)30m左右,用輕質(zhì)膏體充填材料封堵采空區(qū)“兩道”,封堵方法為:向采空區(qū)兩道的頂板附近掛注輕質(zhì)膏體充填材料的管路(1寸高壓軟管),將注輕質(zhì)膏體充填材料的設(shè)備(ZHJ-5/1.8G型礦用移動(dòng)式防滅火注漿裝置)運(yùn)送到井下充填區(qū)域附近,將預(yù)設(shè)管路連接到注輕質(zhì)膏體材料設(shè)備。隨著工作面推進(jìn),軟管到達(dá)工作面后15~20m處,用設(shè)備壓注輕質(zhì)膏體材料至采空區(qū),材料自動(dòng)膨脹并且將順槽封堵實(shí)。
采空區(qū)“兩道”注膠預(yù)防自燃。接近停采線時(shí),將灌漿管路預(yù)埋在“兩道”注輕質(zhì)膏體充填封堵材料位置后約15m處的煤柱側(cè)頂板處,膨脹封堵墻完成后,即沿管路向采空區(qū)注膠或灌漿。其工作面兩道的封堵以及注膠防滅火技術(shù)如圖3所示。
圖3 工作面兩道封堵及注膠防滅火平面示意圖
103綜放工作面是亭南煤礦第二個(gè)采煤工作面,該綜放面停采后,為了防止停采撤架期間煤層自燃,對(duì)采空區(qū)兩道進(jìn)行了封堵,在采空區(qū)軌順側(cè)距離停采線20m以內(nèi)的范圍用黃土裝袋壘成密集的墻體進(jìn)行了封堵,并在封堵墻外噴艾格勞尼,封堵比較嚴(yán)密。在采空區(qū)皮順側(cè)(回風(fēng)順槽)停采線處也用黃土裝袋壘墻并在封堵墻外噴羅克休進(jìn)行了封堵(但該封堵墻后仍有較大空洞,沒有充填嚴(yán)實(shí))。此外,在103綜放工作面支架后部頂板處注高分子膠體。
1) 堵漏。采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)用黃土袋充填得比較嚴(yán)實(shí),內(nèi)部基本沒有空間,其表面用水泥噴漿進(jìn)行了處理,根據(jù)情況可選用高分子膠體對(duì)漏風(fēng)裂隙進(jìn)行充填;
2) 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)停采線處用土袋墻進(jìn)行了封堵,其表面用艾格勞尼進(jìn)行了噴涂。但存在漏風(fēng)通道,從一些縫隙外可以監(jiān)測(cè)到較高濃度的CO、CH4等氣體。為了減少?gòu)脑撎幍穆╋L(fēng),用松散體打鉆、下套管一次完成設(shè)備自回風(fēng)隅角向采空區(qū)深部施工鉆孔,以便插管注膠體。根據(jù)采空區(qū)冒落情況,該處鉆孔終孔位置水平方向在距離工作面后15~20m,和回風(fēng)側(cè)煤壁5~10m處,垂直方向位于煤層頂板處。該處形成一個(gè)寬、高和深分別約為6~8m的膠體隔離帶,注膠量約100~150m3。
3) 為了防止采空區(qū)自燃,用松散體打鉆、下套管一次完成設(shè)備自工作面向采空區(qū)后部打鉆注高分子膠體。鉆孔終孔位置處于工作面尾梁后3~4m,煤層頂板以上1m左右,鉆孔間距一般為15m左右,在進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)側(cè)各30m范圍鉆孔加密到8m左右,則整個(gè)工作面需打約13個(gè)鉆孔。水平位置如圖4所示。每個(gè)鉆孔注膠量約為40m3,端頭附近鉆孔注膠約80m3;
4) 向支架后上部打鉆注膠,防止工作面頂煤自燃。該鉆孔間距亦為15m左右,與支架后部鉆孔均勻相間排列,終孔位置位于支架尾梁后部煤層頂板處,每孔注膠20m3左右。
圖4 工作面有停采時(shí)注膠防滅火平面示意圖
煤炭自燃必須有連續(xù)的供氧條件,熱量的產(chǎn)生有依賴空氣中氧氣的供給,所以在煤礦防滅火技術(shù)措施中,要嚴(yán)格的控制空氣的連續(xù)供給是問題的關(guān)鍵所在。在嚴(yán)格控制空氣的供給下,也要對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮措施,其步驟如下:①盡量加快撤面速度,各項(xiàng)防火工作盡量不影響撤架帶度,停采后30天內(nèi)完成撤面和封閉工作面工作;②工作面停采撤架時(shí)盡量減小工作面風(fēng)量;③停采期間持續(xù)向采空區(qū)注氮,注氮口位于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距離停采線10~30m處;④撤面后及時(shí)快速地封閉工作面,保障安全。
回風(fēng)隅角CO持續(xù)增加時(shí),可以據(jù)分析結(jié)果向預(yù)計(jì)的發(fā)火部位大量壓注復(fù)合膠體,迅速抑制煤層自燃。
由于預(yù)計(jì)工作面進(jìn)風(fēng)測(cè)氧化升溫帶寬度最大,采空區(qū)回風(fēng)順槽出氧化帶寬度也很大,這些區(qū)域是煤層自燃危險(xiǎn)性最大的區(qū)域,所以注復(fù)合膠體鉆孔終點(diǎn)位置為:進(jìn)風(fēng)側(cè)距離進(jìn)風(fēng)順槽15m和35m,距離工作面架尾約15m處(氧化升溫帶外)的煤層頂板處各一個(gè)鉆孔,和回風(fēng)側(cè)距離工作面架尾約15m(氧化升溫帶外)的煤層頂板處施工一個(gè)鉆孔。
為了保證注復(fù)合膠體的質(zhì)量,注膠方法為:從地面注漿池沖漿,制備的泥漿在地面緩沖池中沉淀后抽出其頂部清水,使?jié){濃度達(dá)到水土比1∶2~1∶1,然后進(jìn)行灌漿。為了防止?jié){液沉淀堵塞管路,可以在地面灌漿池加懸浮劑(與漿比例為1∶1000)。復(fù)合膠體膠凝劑在井下注膠鉆孔附近(距離鉆孔50m以內(nèi))由設(shè)備加入,其添加量每立方米漿加入1kg膠凝劑。
復(fù)合膠體注膠流量可以達(dá)到每小時(shí)30m3以上,能夠迅速充填采空區(qū),預(yù)防煤層自燃或撲滅煤層火災(zāi)。
1) 根據(jù)亭南礦103綜放工作面實(shí)際,結(jié)合氣體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),掌握了綜放工作面采空區(qū)的三帶分布情況;在防滅火技術(shù)措施后,103工作面CO濃度近期維持穩(wěn)定,監(jiān)測(cè)不到煤層自燃標(biāo)志氣體,表明該工作面采空區(qū)煤溫沒有明顯升高。
2) 對(duì)兩道、停采線和采空區(qū)采取了壓注輕質(zhì)膏體、高分子膠體、復(fù)合膠體等材料的綜合防滅火技術(shù)措施;并加強(qiáng)通風(fēng)系統(tǒng)管理,減少工作面風(fēng)量等防滅火技術(shù)措施,工作面封堵、注膠和防滅火等工作都比較扎實(shí),對(duì)煤層自燃起到了重要作用。
3) 通過對(duì)綜放面防滅火技術(shù)措施更好地保證撤面期間工作面不發(fā)生煤層自燃危險(xiǎn),重視防滅火技術(shù)的落實(shí),工作取得了很好的效果;為其他煤礦綜放面煤層自燃提供比較好的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。
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