瓦斯突出礦井堵漏風(fēng)防滅火技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

宋建偉

摘 要：以東曲礦12514綜采工作面火災(zāi)防治為背景，在對(duì)工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，闡述了工作面火災(zāi)防治的重點(diǎn)是抑制采空區(qū)漏風(fēng)，提出了進(jìn)回風(fēng)巷端頭封堵和聯(lián)絡(luò)巷密閉封堵相結(jié)合的堵漏風(fēng)措施，尤以后者為重點(diǎn)，結(jié)合數(shù)值模擬，詳細(xì)論述了密閉位置、密閉墻體結(jié)構(gòu)、充填材料和墻體厚度。應(yīng)用結(jié)果表明：堵漏風(fēng)防滅火技術(shù)實(shí)施后，有效抑制了采空區(qū)自燃傾向，工作面未發(fā)生火災(zāi)事故，保障了安全生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：采空區(qū);堵漏風(fēng);密閉;數(shù)值模擬;自燃

0 引言

高瓦斯突出礦井采空區(qū)漏風(fēng)是造成回采工作面遺煤自燃的主要原因之一，其最有效的方法是隔絕或減少供氧量、抑制煤炭氧化蓄熱，從而使其達(dá)不到著火點(diǎn)。因此，本文以東曲礦12514綜采工作面為例，開(kāi)展通過(guò)封堵漏風(fēng)通道防治采空區(qū)遺煤自然火，應(yīng)用效果良好。實(shí)踐研究，以期為其他類似礦井的火災(zāi)治理工作提供參考。

1 工作面概況

東曲礦位于山西省古交市東南，井田面積59km2，礦井設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力4.00Mt。12514綜采工作面開(kāi)采的2#具有自然發(fā)火傾向性，平均厚度為3.24m，煤層傾角0°～5°，含0～1層夾矸，夾矸厚度0.30m左右，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.02145d-1，滲透系數(shù)為0.07923m2/（MPa2·d），屬于難抽采。采用綜合機(jī)械化開(kāi)采技術(shù)，一次性采全高，軌道順槽、皮帶順槽、工作面開(kāi)切眼巷道斷面形狀均為矩形，采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)方式，皮帶順槽進(jìn)風(fēng)，軌道順槽回風(fēng)，工作面最大風(fēng)量1363m3/min。

2 自然發(fā)火危險(xiǎn)性分析

①12514工作面開(kāi)采的2#煤層埋藏較淺，地面凹凸不平，覆蓋層厚度變化大，受地下煤層開(kāi)采作業(yè)，易與地表形成塌通，形成地表漏風(fēng)通道，促進(jìn)采空區(qū)遺煤自燃;②12514綜采工作面兩順槽端頭處煤炭回采率較低，綜采支移走后，端頭未采的頂板冒落堆積成松散狀，間隙帶，形成漏風(fēng)通道，為采空區(qū)自燃創(chuàng)造條件;③工作面上下區(qū)段之間留有30m寬的保護(hù)煤柱，每隔一段距離留設(shè)聯(lián)絡(luò)巷，當(dāng)回采下區(qū)段工作面時(shí)，要與上區(qū)段相鄰的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行密閉封堵，由于封堵斷面積大，在礦山壓力的影響下，容易造成封閉不嚴(yán)實(shí)而引起漏風(fēng)，此外，保護(hù)煤柱也會(huì)在礦壓作用下出現(xiàn)不同程度的裂隙形成漏風(fēng)源;④12514綜采工作面煤層屬于難抽采，且開(kāi)采期間瓦斯涌出量較大，在采取回風(fēng)隅角埋管負(fù)壓抽放采空區(qū)瓦斯后，勢(shì)必會(huì)改變采空區(qū)內(nèi)氣體流態(tài)，工作面新鮮風(fēng)流會(huì)借助于漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū)，加大采空區(qū)漏風(fēng)，創(chuàng)造了自燃條件，擴(kuò)大了采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域;⑤工作面較長(zhǎng)，回采推進(jìn)度慢，采空區(qū)遺煤多，一旦遺煤氧化蓄熱升溫達(dá)到著火點(diǎn)自燃，高溫火源將逆著漏風(fēng)通道快速前移，高溫?zé)釟獠粩鄶U(kuò)散，自燃“三帶”也將隨之前移并呈現(xiàn)變寬趨勢(shì)，形成新的高溫點(diǎn)，進(jìn)一步擴(kuò)大自燃危險(xiǎn)區(qū)域。

由上述分析可知，12514綜采工作面漏風(fēng)是潛在造成自燃的主要誘因，因此，亟需采取措施封堵漏風(fēng)源，阻斷燃燒所需的氧氣供應(yīng)，抑制自燃傾向。

3 堵漏風(fēng)防滅火措施

3.1 進(jìn)回風(fēng)巷端頭封堵防滅火

針對(duì)12514綜采工作面兩順槽端頭頂煤冒落不嚴(yán)實(shí)、向采空區(qū)漏風(fēng)的現(xiàn)象，沿著兩順槽走向，每隔15～20m，構(gòu)筑堵漏風(fēng)墻進(jìn)行封堵，致使進(jìn)風(fēng)流在墻體壁面出現(xiàn)繞流效應(yīng)，有效增大漏風(fēng)風(fēng)阻，減少漏風(fēng)量，縮小采空區(qū)自燃“三帶”范圍和寬度，降低自燃危險(xiǎn)性。其中，封堵材料選用粉煤灰，堵漏墻厚度設(shè)計(jì)為2～3m，墻體兩側(cè)與相鄰的支架尾梁以及巷道壁面、頂板結(jié)合處嚴(yán)實(shí)密封。

3.2 聯(lián)絡(luò)巷密閉堵漏風(fēng)防滅火

12513工作面回采后，需對(duì)12513工作面軌道順槽與12514工作面皮帶順槽之間的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行密閉，以切斷采空區(qū)與12514工作面之間的空氣流動(dòng)，其密封質(zhì)量的好壞直接關(guān)系到采空區(qū)遺煤自燃防治效果，影響聯(lián)絡(luò)巷密閉穩(wěn)定性的主要因素包括區(qū)段煤柱穩(wěn)定性、密閉墻位置、采動(dòng)影響、開(kāi)采條件和密閉材料等。

3.2.1 密閉位置

不同的密閉位置會(huì)導(dǎo)致其受到的采掘影響迥然不同，關(guān)于合理密閉位置的選取，國(guó)內(nèi)外的工程實(shí)踐中，一般綜合以下幾個(gè)方面的原則：①遠(yuǎn)離應(yīng)力增高帶;②不構(gòu)筑在底板標(biāo)高最低的位置;③應(yīng)避開(kāi)地質(zhì)異常點(diǎn);④躲開(kāi)周期來(lái)壓影響區(qū)。

根據(jù)東曲礦的地質(zhì)條件和巖石力學(xué)參數(shù)，構(gòu)建尺寸為190m×105m×90m的煤巖結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用FLAC3D軟件模擬聯(lián)絡(luò)巷不同斷面處的圍巖應(yīng)力分布，如圖1所示，斷面1至斷面4分別距12513工作面采空區(qū)邊界5m、15m、20m、25m，模擬結(jié)果顯示：巷道未支護(hù)狀態(tài)下，斷面1至斷面4的底板移近量分別為26mm、30mm、33mm、25mm;巷道未支護(hù)狀態(tài)下，斷面1至斷面4的底板移近量分別為19mm、24mm、25mm、202mm?？芍?，在剖面4處頂?shù)装逡平啃?，頂板支承壓力最小，圍巖穩(wěn)定性好，最適合構(gòu)置密閉。

3.2.2 密閉墻體結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的磚混單墻結(jié)構(gòu)因其具有簡(jiǎn)單易操作、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、強(qiáng)度大、耐高溫等特性，常作為煤礦井下密閉的構(gòu)筑形式，但同時(shí)存在墻體與巷幫及頂板接觸密封不實(shí)、封閉有效性差等缺點(diǎn)，尤其當(dāng)剛性墻體受到較大應(yīng)力的影響易致裂，墻體四周圍巖裂隙發(fā)育，漏風(fēng)情況突出。鑒于這一弊端，結(jié)合國(guó)外新的研究成果，采用雙墻體充填方式構(gòu)筑12514工作面聯(lián)絡(luò)巷密閉，密閉兩側(cè)墻體用磚、混凝土等剛性材料砌筑，墻體接頂上部選用有一定的壓縮性能與抗壓強(qiáng)度封堵材料，以防頂板來(lái)壓將密閉墻體壓垮。

3.2.3 充填材料

根據(jù)近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)密閉墻的研究成果，兼顧氣密性、經(jīng)濟(jì)性和施工便捷性，選取羅克休作為12514工作面聯(lián)絡(luò)巷密閉墻之間的充填材料。羅克休材料凝結(jié)時(shí)間快，發(fā)泡倍數(shù)達(dá)到30～50倍，接頂嚴(yán)實(shí)，具有較好的氣密性，能夠保證隔斷采空區(qū)有害氣體與礦井新鮮風(fēng)流的連通，避免出現(xiàn)瓦斯積聚和采空區(qū)火災(zāi)隱患，并且具有彈性，讓壓效果明顯。

3.2.4 墻體厚度

密閉墻是由剛性墻體和充填材料構(gòu)建而成，剛性墻體厚度的確定要滿足密閉良好承載力、抗沖擊性和整體性。參考土建領(lǐng)域關(guān)于梁的沖擊破壞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式（1），計(jì)算密閉遭損毀壞時(shí)的臨界沖力，進(jìn)而推算出剛性墻體厚度約為0.5m。為了密閉的橫向穩(wěn)定性，墻體總厚度應(yīng)達(dá)到巷道高度的50%～60%，所以，確定混凝土剛性墻體厚度為1.0m（內(nèi)外當(dāng)墻體厚度均為0.5m），中間填充厚度3m。

（1）

式中：Pc為單位面積臨界沖力，MPa/m2;B為密閉剛性墻體厚度，m;H為密閉墻所在巷道凈高度，m;L為密閉墻所在巷道凈寬度，m;m1為沖擊物質(zhì)量，kg;m2為被沖擊物質(zhì)量，kg;σb為斷裂強(qiáng)度，MPa。為了密閉的橫向穩(wěn)定性，墻體總厚度應(yīng)達(dá)到巷道高度的50%～60%，所以，確定混凝土剛性墻體厚度為1.0m（內(nèi)外當(dāng)墻體厚度均為0.5m），中間填充厚度3m。

4 結(jié)語(yǔ)

12514工作面實(shí)施上述堵漏風(fēng)措施后，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)，采空區(qū)內(nèi)的一氧化碳、乙烯等煤炭自然發(fā)火指標(biāo)性氣體濃度均處于正常值范圍內(nèi)，直至回采結(jié)束，未出現(xiàn)遺煤自燃跡象，確保了工作面的安全順利回采，為本礦其他工作面的防滅火工作提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]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)，2007，17（12）：20-26.