普瑞特在大傾角易自燃煤層防滅火中的應(yīng)用

范志堂，王士華，李洪杰，李 軍，胡繼周

（1.寶雞秦源煤業(yè)有限公司，陜西 寶雞721200；2.徐州吉安礦業(yè)科技有限公司，江蘇 徐州221008）

在全國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中存在煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)的56%，因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%〔1－4〕。近年來，隨著采深的加大，工作面圍巖賦存條件趨于復(fù)雜，特別是開采易自燃煤層的大傾角綜放工作面采空區(qū)遺煤增多，綜采工作面重型設(shè)備回撤周期長(zhǎng)，也容易造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火〔5－6〕。

1 工作面概況

N104綜放工作面位于秦源煤業(yè)礦井北翼采區(qū)，該工作面上部和下部為未開拓區(qū)，以北為皮帶下山、軌道下山和回風(fēng)下山，以南為煤層變薄區(qū)。工作面標(biāo)高為＋360m～＋450m，地面標(biāo)高為＋985m～＋1010m。工作面切眼長(zhǎng)度123m，共布置84架液壓支架。N104工作面平均煤厚為6.0m，煤層傾角28°～32°，平均傾角30°，工作面采高2.5m，放頂煤高度3.5m。工作面所采3＃煤層為易自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期一般為3～6個(gè)月，最短自然發(fā)火期只有12天。工作面采用U型通風(fēng)方式，即下順槽進(jìn)風(fēng)，上順槽回風(fēng)，工作面正常回采期間需要風(fēng)量約894m3／min。N104工作面布置情況見圖1。

圖1 N104工作面布置

2 工作面發(fā)火經(jīng)過

N104工作面于2015年4月3日開始鋪網(wǎng)上繩；4月12日～4月22日擴(kuò)刷大棚，擴(kuò)刷大棚期間工作面回風(fēng)流中CO濃度穩(wěn)定在15×10－6左右；4月23日～5月3日工作面進(jìn)行面內(nèi)浮煤清理，拆除轉(zhuǎn)載機(jī)、破碎機(jī)、煤機(jī)等拆除支架前期準(zhǔn)備工作。準(zhǔn)備期間，工作面回風(fēng)流中CO濃度緩慢升高至20×10－6左右。5月4日夜班工作面開始拆除第1架過渡支架，至5月6日夜班工作面下端3架過渡支架拆除完畢，用時(shí)3天。在拆除工作面下端3架過渡支架過程中，工作面回風(fēng)流中CO濃度升高較快，由20×10－6上升至223×10－6。5月7日8點(diǎn)15分，工作面回風(fēng)流中CO濃度瞬時(shí)達(dá)到245×10－6，期間35＃支架架后CO濃度最高21×10－4，65＃支架16×10－4，75＃支架2×10－3，且35＃支架架后出現(xiàn)淡淡藍(lán)煙。

2.1 氧化原因分析

（1）N104工作面2月份推進(jìn)35m，3月份推進(jìn)42m，推進(jìn)距離均小于60m，推進(jìn)速度均較慢。

（2）距停采線30m時(shí)，工作面架后遺煤沒有放凈，采空區(qū)留有大量遺煤。

（3）工作面推采至停采線附近時(shí)，工作面架后11m左右未放頂煤，致使架后采空區(qū)停采線附近留有大量遺煤。

（4）下出口巷道頂板支護(hù)質(zhì)量較差，破碎較為嚴(yán)重，下出口斷面小，大量漏風(fēng)風(fēng)流經(jīng)下巷隅角破碎頂板裂隙進(jìn)入采空區(qū)，擴(kuò)大了采空區(qū)遺煤氧化范圍。

（5）經(jīng)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)做的煤氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)試，煤層最短自然發(fā)火期只有12天。工作面自4月3日鋪網(wǎng)上繩，至5月3日開始回撤支架，回撤準(zhǔn)備周期1個(gè)月，大大超過了煤層最短自然發(fā)火期，致使采空區(qū)遺煤氧化升溫加劇。

（6）工作面回撤期間仍采用上行通風(fēng)方式。工作面下部過渡支架回撤后，架頂煤體垮落，造成工作面下部通風(fēng)風(fēng)阻增大，大量風(fēng)流經(jīng)工作面下部煤體垮落空間進(jìn)入采空區(qū)，使采空區(qū)遺煤氧化加劇。

（7）工作面停采前所采取的預(yù)防性防火措施，雖然起到了一定的防火作用，但架前鉆孔、高位鉆孔終孔位置僅位于架后3～5m，防滅火材料覆蓋范圍較小，架間插管注水也對(duì)防滅火材料起到了一定的不良影響。

（8）高位鉆孔灌注三相泡沫時(shí)，添加的黃土容易爆管子，且容易堵塞灌漿管道。灌注的防滅火材料在采空區(qū)擴(kuò)散范圍較小，且容易堵管，高位鉆孔不能充分利用，致使高位鉆孔利用率偏低。

2.2 氧化區(qū)域初步判定

根據(jù)回撤初期35＃支架架后CO濃度達(dá)到21×10－4，65＃支架16×10－4，75＃支架2×10－3，且35＃支架架后出現(xiàn)淡淡藍(lán)煙的實(shí)際情況，結(jié)合工作面其它測(cè)點(diǎn)氣體分析數(shù)據(jù)，初步推斷工作面內(nèi)25?！?0＃支架、51～76＃支架架后采空區(qū)遺煤氧化加劇，其中25?！?3＃支架架后采空區(qū)為重點(diǎn)防滅火區(qū)域，且架后采空區(qū)遺煤氧化加劇升溫區(qū)域距離工作面10m以外。

3 工作面火區(qū)治理

針對(duì)N104工作面回撤初期出現(xiàn)的煤層氧化情況，主要采取了以下綜合防滅火措施。

（1）調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)

在工作面下口向外施工兩道調(diào)節(jié)墻，一道板墻，一道袋子墻。在N104工作面回風(fēng)巷甩道口外的北翼軌道下山布置兩部局部通風(fēng)機(jī)，一用一備。風(fēng)筒沿工作面回風(fēng)巷延接到工作面內(nèi)對(duì)工作面進(jìn)行局部正壓通風(fēng)。調(diào)整后的工作面通風(fēng)系統(tǒng)見圖2。開啟局部通風(fēng)機(jī)向工作面供風(fēng)，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量為191m3／min，工作面下巷全負(fù)壓通風(fēng)風(fēng)量86m3／min，工作面上巷回風(fēng)風(fēng)量280m3／min。

圖2 調(diào)整后通風(fēng)系統(tǒng)

（2）延深架前鉆孔注普瑞特

根據(jù)初步推斷的采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域，利用原31＃、33＃架前鉆孔，繼續(xù)使用巖石電鉆延深鉆孔，延深后鉆孔終孔位于煤層頂板架后采空區(qū)15m左右。31＃架前鉆孔延深施工完畢后隨即連接了普瑞特注漿系統(tǒng)。

（3）5月15日早班，將下巷袋子調(diào)節(jié)墻改為封閉墻，對(duì)墻體進(jìn)行噴涂、抹面，通過N105甩道接入的局部通風(fēng)機(jī)向下巷供風(fēng)。此時(shí)工作面內(nèi)的供風(fēng)全由上巷局部通風(fēng)機(jī)通過面內(nèi)風(fēng)筒進(jìn)行供風(fēng)，風(fēng)筒出風(fēng)口風(fēng)量約200m3／min。5月18日早班緊挨袋子墻砌筑一道磚墻，5月21日～23日在距全負(fù)壓通風(fēng)口5m處，對(duì)下巷施工雙層料石永久封閉墻，中間用黃土充填，并將墻內(nèi)的措施孔和觀測(cè)孔延伸至料石墻外，停止下巷局部通風(fēng)機(jī)。

（4）繼續(xù)通過下巷預(yù)埋管道向采空區(qū)24小時(shí)灌注氮?dú)饨档筒煽諈^(qū)氧氣含量。注氮機(jī)產(chǎn)生的氮?dú)饫脷庀嗌V儀取樣分析，確保氮?dú)鉂舛雀哂?7%。井下每班瓦斯員利用注氮管道三通閥門檢查氮?dú)庵醒鯕夂浚_保不高于3%。

（5）加快工作面撤架速度。支架撤出后及時(shí)對(duì)垮落頂煤灑水降溫并噴灑阻化劑。撤架期間及時(shí)移動(dòng)、拆除風(fēng)筒。通風(fēng)工區(qū)不定時(shí)對(duì)風(fēng)筒風(fēng)量、回風(fēng)巷風(fēng)流進(jìn)行測(cè)定，確保通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定。

4 普瑞特防滅火新技術(shù)的應(yīng)用

4.1 普瑞特防滅火特點(diǎn)及制備工藝

普瑞特防滅火新技術(shù)集氮?dú)?、凝膠、三相泡沫、阻化劑等防滅火技術(shù)優(yōu)點(diǎn)于一體，生成的凝膠以泡沫為載體向火區(qū)的中、高位火點(diǎn)堆積擴(kuò)散，所到之處凝膠均能有效覆蓋黏附浮煤裂隙，對(duì)火區(qū)煤體吸熱降溫并持久保持煤體濕潤(rùn)冷卻，同時(shí)有效封堵漏風(fēng)通道；材料添加劑中含有的阻化劑能長(zhǎng)久對(duì)煤體阻化，防治煤體氧化升溫；泡沫中的水固結(jié)在凝膠體內(nèi)，避免泡沫易潰漿的缺點(diǎn)；泡沫中的氮?dú)饩徛尫牛苊饬藛为?dú)注氮時(shí)氮?dú)馊菀咨⑹У娜秉c(diǎn)，持久保持火區(qū)的惰化〔7〕。

普瑞特防滅火材料由A料和B料組成，分別與水按體積比為2%和1%混合形成預(yù)混液，通過接入礦井壓風(fēng)系統(tǒng)的雙液氣動(dòng)泵輸送至普瑞特發(fā)泡成膠裝置，在發(fā)泡成膠裝置接入氮?dú)夤苈肥够旌弦喊l(fā)泡，經(jīng)發(fā)泡成膠裝置制備出的普瑞特直接通過鉆孔注入防滅火區(qū)域。普瑞特制備工藝流程見圖3。

圖3 普瑞特制備工藝流程

4.2 普瑞特防滅火材料的應(yīng)用

工作面架前31＃、33＃鉆孔延深施工完成后，在工作面上順槽距停采線20m開闊位置布置制漿站，生產(chǎn)的A、B兩種漿液通過Φ19mm高壓膠管輸送到架前發(fā)泡成膠裝置，在發(fā)泡成膠裝置處接入氮?dú)?，?jīng)發(fā)泡后的普瑞特通過架前鉆孔注入架后采空區(qū)，發(fā)泡成膠裝置隨注漿孔更換移動(dòng)。

4.3 應(yīng)用效果

通過連續(xù)向31＃、33＃鉆孔灌注普瑞特約10t后，大量的普瑞特在采空區(qū)遺煤火區(qū)內(nèi)擴(kuò)散堆積，凝膠所到之處有效對(duì)遺煤吸熱降溫，粘附封堵浮煤裂隙，35＃架架后藍(lán)煙迅速降低，工作面上隅角、回風(fēng)巷風(fēng)流中CO濃度明顯降低。

通過采取以上針對(duì)性的綜合防滅火技術(shù)措施后，N104工作面采空區(qū)遺煤火區(qū)得到快速控制，工作面上隅角、回風(fēng)巷風(fēng)流CO濃度降低至安全值以下，保證了工作面的安全回撤。

5 結(jié)語(yǔ)

1）根據(jù)N104工作面回撤初期采空區(qū)遺煤氧化發(fā)火情況，深入分析了自然發(fā)火原因，初步確定了煤層氧化發(fā)火區(qū)域。提出了針對(duì)性的面內(nèi)正壓通風(fēng)，延深架前鉆孔注普瑞特對(duì)發(fā)火區(qū)域吸熱降溫，下巷持續(xù)注氮惰化采空區(qū)的綜合防滅火技術(shù)方案。

2）通過對(duì)N104工作面采空區(qū)發(fā)火經(jīng)過和推斷發(fā)火區(qū)域的綜合分析，對(duì)31＃和33＃架前鉆孔壓注普瑞特防滅火材料后，采空區(qū)遺煤發(fā)火區(qū)域得到控制，回風(fēng)巷CO濃度迅速降低到安全值以下。普瑞特防滅火新材料具有良好的擴(kuò)散性、堆積性和穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了其它防滅火材料的不足。N104工作面回撤期間普瑞特防滅火新技術(shù)的成功應(yīng)用為類似礦區(qū)防滅火技術(shù)提供了新的參考。

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