“孤島”綜放面“立體”綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用

趙喜紅

(大同煤礦集團(tuán) 忻州窯煤礦，山西　大同　037003)

大同煤礦集團(tuán)忻州窯礦屬于高瓦斯礦井，具有百年開(kāi)采歷史，目前處于礦井開(kāi)采后期，11#層309盤區(qū)8939面是該盤區(qū)煤層的最后一個(gè)厚煤層回采工作面，屬于“孤島”開(kāi)采，回采工藝為低位放頂煤開(kāi)采。本工作面地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層破碎帶貫穿整個(gè)工作面，受礦壓因素影響，應(yīng)力顯現(xiàn)強(qiáng)烈、集中，巷道變形較大和片幫冒落多發(fā)，支架壓架，工作面推進(jìn)速度慢，采空區(qū)遺留的較多松散浮煤長(zhǎng)期處于通風(fēng)供氧狀態(tài)，增加本面煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)。另外，“孤島”工作面礦壓較大，煤柱易于壓碎，順槽頂煤易于離層、壓裂冒落，與同煤層臨近采空區(qū)連成一片，漏風(fēng)規(guī)律復(fù)雜多變，造成臨近采空區(qū)長(zhǎng)時(shí)間堆積的遺煤有自然發(fā)火隱患。該礦11#層309盤區(qū)2004年發(fā)生過(guò)煤炭自燃事故，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失。

1　工作面概況

8939工作面地面標(biāo)高1 303.5～1 331.0 m，井下標(biāo)高956～998 m.8939工作面東部為采空區(qū)，北部為云岡礦井田及礦界保護(hù)煤柱，南接901軌道、皮帶及回風(fēng)大巷，西部為8937面采空區(qū)。工作面可采走向長(zhǎng)度1 227.8 m，工作面長(zhǎng)度94.5 m，面積116 027 m2.煤層中部低，兩翼高，大致呈一向斜構(gòu)造，煤層傾角1°～9°，平均3°.煤層厚度最大為8.9 m，最小5.2 m，平均7.2 m.工作面絕對(duì)CH4涌出量4.69 m3/min，CO2絕對(duì)涌出量1.5 m3/min，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類，自燃傾向性為容易自燃，煤層自然發(fā)火期為50天。煤塵爆炸指數(shù)為24.32%，有爆炸危險(xiǎn)。工作面4巷布置，一條運(yùn)輸巷、一條尾回風(fēng)巷、一條措施巷、一條內(nèi)錯(cuò)頂回風(fēng)巷，采用“U+Ⅱ”型通風(fēng)。8939工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖見(jiàn)圖1.

圖1　309盤區(qū)8939工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖

2　回采期間漏風(fēng)及自然發(fā)火原因分析

2.1　回采期間存在漏風(fēng)通道分析

1) 根據(jù)《8939面地質(zhì)說(shuō)明書(shū)》，工作面基本頂為灰白色中砂、細(xì)砂巖，直接頂?shù)装寰鶠榛疑盎野咨?、?xì)砂巖，煤層頂、底部均屬于超硬、低透氣性巖層，并且煤層中部低、兩翼高，整個(gè)工作面位于區(qū)域向斜軸部，有一條68～70 m寬的大斷層破碎帶貫穿整個(gè)工作面，當(dāng)推進(jìn)到斷層破碎帶影響區(qū)域時(shí)，煤柱承壓大，裂隙大量發(fā)育，煤體酥軟存在氣隙，與采空區(qū)存在漏風(fēng)通道。

2) 工作面為“孤島”開(kāi)采工作面，工作面東、西、北部均為采空區(qū)，周圍封閉了大量的采空區(qū)，周圍采空區(qū)及煤體受孤島工作面采動(dòng)應(yīng)力集中作用，造成采空區(qū)存在壓裂、煤體有裂隙，與采空區(qū)構(gòu)成漏風(fēng)通道。

2.2　回采期間自然發(fā)火原因分析

1) 工作面回采率為80%，工作面后古塘有遺煤堆積，遺煤長(zhǎng)期氧化產(chǎn)生蓄熱高溫。

2) 斷層破碎帶處的碎煤呈破碎狀態(tài)則使煤的吸氧表面積增大，著火點(diǎn)明顯降低，使其自燃性顯著提高。

3) 工作面東、西、北部封閉了大量的采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)有年限長(zhǎng)久的遺煤長(zhǎng)時(shí)間氧化產(chǎn)生高溫。

3　“立體”綜合防滅火治理技術(shù)

3.1　隨采隨向后古塘遺煤噴注氯化鎂阻化劑

該礦在回采過(guò)程中選用來(lái)源廣泛、無(wú)毒無(wú)害的吸水類阻化劑、水解時(shí)呈中性、對(duì)設(shè)備腐蝕性小、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的氯化鎂作為阻化劑。噴灑氯化鎂與工作面回采同步進(jìn)行。該礦合理配置濃度為15%的氯化鎂溶液。每班安排專人實(shí)施噴注工作。利用頭巷隨串車移動(dòng)的儲(chǔ)液箱和霧化泵，噴霧泵出口接d25 mm高壓膠管至皮帶轉(zhuǎn)載機(jī)處，通過(guò)異徑三通(25/16)接15 m d16 mm高壓膠管2根與布置在進(jìn)風(fēng)上隅角，1#支架、1#支架與2#支架之間的兩個(gè)霧化器(QWF-Ⅲ型)相接，在d25 mm和d16 mm高壓膠管接頭處分別安設(shè)閥門。將阻化劑變?yōu)樽杌F，阻化汽霧以漏風(fēng)為載體，向采空區(qū)飄移，漏風(fēng)風(fēng)流飄落在容易自然發(fā)火的煤體表面，增加了煤體的外在水分，降低了煤體溫度；形成液膜包圍煤塊，并從空氣中吸收水分，使煤體表面較長(zhǎng)時(shí)間處于濕潤(rùn)；降低了煤在低溫氧氣時(shí)的氧化速度，延長(zhǎng)了煤的自然發(fā)火期。

3.2　斷層帶注永固S封堵漏風(fēng)通道

5939巷860～970 m通尺點(diǎn)段、2939巷790～900 m通尺點(diǎn)段，在掘進(jìn)和回采過(guò)程中，受孤島面集中應(yīng)力擠壓作用，煤柱整體性變形位移嚴(yán)重，斷層破碎帶受影響出現(xiàn)裂隙溝通采空區(qū)。該礦由里向外施工鉆孔并注永固S，鉆孔設(shè)在5935巷、2939巷靠采空區(qū)側(cè)，巷幫與頂板交界處，施工鉆孔和注永固S同步進(jìn)行。在破碎帶處超前注永固S，通過(guò)專用氣動(dòng)注漿泵和混合槍按1∶1配比注入到松散或破碎的煤巖體裂隙中,產(chǎn)品能滲入較細(xì)巖縫中，反應(yīng)迅速，能夠把原來(lái)松散破碎的煤巖體圍巖膠結(jié)成連續(xù)完整的受力體，減少采空區(qū)漏風(fēng)； 注永固S可超前加固5939、2939巷臨空煤柱間的破碎煤巖體，減少破碎帶煤的吸氧表面積，提高著火點(diǎn)，降低破碎帶處碎煤自燃性。8939面煤柱固注永固S鉆孔技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　8939面煤柱加固注永固S鉆孔技術(shù)參數(shù)表

3.3　注氮?dú)?/h3>

井下建立獨(dú)立注氮硐室，布置膜式分離DM-1000/8制氮機(jī)主、備用兩套，用每根6 m長(zhǎng)的4英寸無(wú)縫鋼管連續(xù)埋管敷至頭巷采空區(qū)氧化自燃帶內(nèi)，間歇式連續(xù)不間斷向工作面采空區(qū)提供氮?dú)?，消除采空區(qū)遺煤自然發(fā)火隱患。工作面回采后退至30 m時(shí)，開(kāi)始注氮工作。工作面回采注氮期間，在頭、尾巷上、下隅角用黃土裝袋砌墻進(jìn)行封堵，減少氮?dú)庀蚬ぷ髅嫘孤?，保證采空區(qū)氮?dú)鉂舛仁冀K不低于97%.將不燃燒、不助燃的氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)后，可置換出空氣，氧氣含量下降至3%以下，使采空區(qū)的浮煤缺氧而處于窒息狀態(tài)，達(dá)到防止采空區(qū)遺煤自燃的目的。工作面間歇式注氮示意圖見(jiàn)圖2.

圖2　工作面間歇式注氮示意圖

3.4　煤體注水

從距8939中間巷切眼南幫10 m開(kāi)始施工注水孔，最后一組孔施工至停車線前10 m處，按(表2)技術(shù)參數(shù)早、二、三班實(shí)施注水。超前工作面80 m開(kāi)始注水。注水后煤體的溫度不易提高，冒落的矸石濕潤(rùn)，膨脹成再生頂板，覆蓋浮煤，減少漏風(fēng)，抑制了采空區(qū)的浮煤氧化，延長(zhǎng)煤炭自然發(fā)火期。

表2　8939面注水孔技術(shù)參數(shù)表

3.5　鄰近采空區(qū)灌注黃泥漿

8939“孤島”工作面周圍全部是采空區(qū)，周圍的采空區(qū)受地表裂隙、礦井應(yīng)力顯現(xiàn)等影響造成漏風(fēng)通道，長(zhǎng)期堆積的浮煤發(fā)生煤體自燃隱患后，會(huì)造成全礦井309盤區(qū)大面積煤炭自燃，影響8939“孤島”工作面的順利開(kāi)采。所以，該礦在劉官莊建立地面灌漿站，在回采期間對(duì)8939“孤島”工作面進(jìn)行預(yù)防灌漿。地面建立200 m3的水池，用抽水泵將水引至預(yù)先按土水比1∶3倒入黃土的泥漿池內(nèi)，攪拌成黃泥漿液靠泥漿泵流入深350 m，d108 mm的灌漿管路與井下4英寸灌漿主管路對(duì)接，依次與采空區(qū)預(yù)留的4英寸灌漿管路連接進(jìn)行灌漿。黃泥漿液進(jìn)入采空區(qū)后會(huì)堵塞煤體中的裂隙，防止氧氣與煤體的大面積接觸，濕潤(rùn)的水分降低煤體的溫度，達(dá)到防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

4　技術(shù)措施效果分析

8939綜放面開(kāi)采中通過(guò)“立體”綜合防滅火治理技術(shù)后，有效防止了8939“孤島”本面采空區(qū)遺煤自燃，同時(shí)預(yù)防本煤層臨近采空區(qū)遺煤自燃，實(shí)現(xiàn)了8939“孤島”綜放工作面的安全開(kāi)采。

8939開(kāi)采期間，自然發(fā)火的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)作為自然發(fā)火觀察的重要手段，每天在本面上隅角及本層相鄰采空區(qū)取樣并進(jìn)行化驗(yàn)分析，為自然發(fā)火預(yù)防提供理論基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。8939回采期間本面上隅角及本層臨近采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體取樣化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3.

表3　自然發(fā)火標(biāo)志性氣體取樣化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)表

通過(guò)表3分析可知，11#層8939工作面開(kāi)采遇地質(zhì)構(gòu)造帶及礦壓顯現(xiàn)等諸多不利因素，推進(jìn)速度慢，月推進(jìn)小于50 m，采用立體綜合防滅火技術(shù)措施后，徹底解決了這一技術(shù)難題。開(kāi)采期間本面上隅角自然發(fā)火標(biāo)志性氣體一氧化碳維持在0～20×10-6，本煤層相鄰8937采空區(qū)未出現(xiàn)一氧化碳?xì)怏w，治理取得明顯效果，值得在同樣條件下推廣此項(xiàng)防滅火技術(shù)。

5　結(jié)　語(yǔ)

8939“孤島”工作面通過(guò)以隨采隨向后古塘遺煤噴注氯化鎂阻化劑、斷層帶注永固S封堵漏風(fēng)通道、注氮?dú)?、煤體注水為主，鄰近采空區(qū)灌注黃泥漿為輔的“立體”綜合防滅火治理后，309盤區(qū)采空區(qū)、8939“孤島”工作面采空區(qū)未出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象，保證了工作面的安全生產(chǎn)。

[1]趙建華. 采煤工作面煤層自燃防治技術(shù)研究[J].能源技術(shù)與管理，2009，(04)：72-73.

[2]段瑞. 綜放工作面采空區(qū)注氮防滅火技術(shù)工藝研究[J].山西煤炭,2011(01)：52-54

[3]胡英. 綜放工作面采空區(qū)自燃及防治措施[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2011(07)：54-55.

[4]李英華,張人偉,代曉亮,等.北辛窯礦黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)研究[J].能源技術(shù)與管理,2011,(04):63-65.

[5]王宏山,閆石,靳輝. 礦井綜合防滅火技術(shù)研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào),2012(14)：76

[6]鄧凱,黃鸝,彭偉，等. 礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究[J].煤炭技術(shù),2011,(07):79-80.

[7]秦波濤,王德明. 礦井防滅火技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào),2007,(12):80-84.

[8]李春生,張道樹(shù)，王華勝.綜放工作面煤層自燃綜合治理技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,8(11):77-79.

[9]朱良,陳朋,李碩. 深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術(shù)[J].煤礦開(kāi)采,2015,20(02):98-101.