寺河煤礦二號(hào)井97306工作面采空區(qū)防滅火綜合治理技術(shù)研究與實(shí)踐

張浩浩

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 寺河煤礦二號(hào)井，山西 晉城 048000)

1 工程概況

晉能控股煤業(yè)集團(tuán)寺河煤礦二號(hào)井97306工作面位于礦井九七盤(pán)區(qū)，東為97305工作面采空區(qū)、南為礦界、西為實(shí)體煤、北為九七盤(pán)區(qū)大巷；工作面設(shè)計(jì)傾向長(zhǎng)度180 m，走向長(zhǎng)度1 350 m，可采走向長(zhǎng)度1 305 m。工作面采用綜合機(jī)械化采煤方法開(kāi)采9號(hào)煤層，煤層平均厚度1.5 m，平均含2層夾矸，夾矸厚小于0.20 m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬穩(wěn)定大部可采煤層。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，9號(hào)煤層屬于Ⅰ級(jí)易自燃煤層，現(xiàn)為防止采空區(qū)出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)自燃“三帶”和防滅火技術(shù)的研究。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

為有效掌握采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，了解采空區(qū)容易自燃的區(qū)域位置，在回采工作面進(jìn)、回風(fēng)巷方向布置束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示。束管沿工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷幫吊掛，共需單路束管8路，其中進(jìn)風(fēng)巷吊掛4路，用于工作面進(jìn)風(fēng)隅角“采空區(qū)三帶”檢測(cè)(埋設(shè)間距為50 m)，其余4路沿回風(fēng)巷布置，分別設(shè)置在上隅角處(其中3路用于回風(fēng)隅角采空區(qū)三帶檢測(cè)，埋設(shè)間距為50 m)。

97306工作面利用地面束管系統(tǒng)直接進(jìn)行氣樣分析，采樣周期為每天1次。主要對(duì)氧氣、一氧化碳、甲烷等指標(biāo)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。在進(jìn)行工作面自燃“三帶”分布劃分時(shí)，采用7%的氧氣濃度來(lái)界定[1-2]，“散熱帶” 與“氧化帶” 之間依據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)解算結(jié)果、結(jié)合氧氣濃度分布、比對(duì)相鄰礦井的實(shí)際情況，經(jīng)綜合考慮后，得出采空區(qū)自燃“三帶分布如表1所示。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍數(shù)據(jù)

3 防滅火技術(shù)與效果

3.1 防滅火方案

基于上述采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的分析結(jié)果，結(jié)合工作面及煤層的賦存特征，設(shè)計(jì)工作面采空區(qū)防滅火方案采用煤層自然發(fā)火光譜束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)、采空區(qū)汽霧阻化技術(shù)和采空區(qū)封閉注氮技術(shù)等相結(jié)合的綜合防滅火方案，具體各項(xiàng)防滅火措施如下：

3.1.1 煤層自然發(fā)火光譜束管監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)

針對(duì)采空區(qū)自燃發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，根據(jù)國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可知，常用的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要有3種：井下激光束管、地面色譜束管、井下光譜束管[3-4]。激光束管、光譜束管均是將真空泵、氣體采樣分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的聯(lián)絡(luò)巷或機(jī)電硐室內(nèi)，電信號(hào)通過(guò)傳輸電纜送到地面計(jì)算機(jī)，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存貯、火災(zāi)系數(shù)分析、爆炸危險(xiǎn)性判斷、報(bào)表打印等，具有系統(tǒng)管理和維護(hù)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。氣相色譜是將井下采空區(qū)或封閉區(qū)內(nèi)的氣體通過(guò)束管抽到地面，然后通過(guò)氣相色譜儀分析，具有分析組分多的優(yōu)點(diǎn)。經(jīng)綜合分析比較，設(shè)計(jì)選用JSG5型井下光譜束管火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)自燃?xì)怏w的監(jiān)測(cè)。

3.1.2 采空區(qū)汽霧阻化技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)較好的阻化效果，根據(jù)現(xiàn)有的阻化材料種類(lèi)，確定本次采用 CaCI2作為阻化劑，阻化劑的濃度為20%，阻化材料在該濃度下可實(shí)現(xiàn)較好的阻化和防滅火效果。97306工作面采空區(qū)的阻化系統(tǒng)設(shè)置在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，阻化系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)液箱、阻化泵、霧化器和管路等[5-6]，具體工作面阻化系統(tǒng)布置如圖2所示。影響霧化泵效果的因素主要包括壓力和流量。眾多理論研究和工程實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)霧化泵的霧化壓力可自由控制，流量應(yīng)達(dá)到2.0 m3/h以上時(shí)，可達(dá)到最佳的霧化效果。

圖2 工作面采空區(qū)汽霧阻化防滅火系統(tǒng)布置方式示意

采空區(qū)汽霧阻化工藝如下：阻化劑水濟(jì)液的容器置于巷內(nèi)，用防滅火液壓泵沿高壓軟管將阻化劑溶液輸送到霧發(fā)生器，泵上安有壓力計(jì)以便于控制輸送壓力。裝在工作面與運(yùn)輸巷交接處的霧發(fā)生器，在高壓(2.5 MPa)作用下噴出阻化汽霧，溶液的85%被分散為直徑30 μm的霧粒，并由風(fēng)流帶向采空區(qū)。

為了防止霧發(fā)生器噴嘴堵塞，在供液管路中裝有自動(dòng)過(guò)濾器。向采空區(qū)噴送霧狀阻化劑之前，應(yīng)進(jìn)行采區(qū)內(nèi)的阻力測(cè)定，確定其漏風(fēng)量和漏風(fēng)方向。為了減少?lài)娚渥杌瘎?duì)采空區(qū)空氣動(dòng)力狀態(tài)的影響，霧發(fā)生器引射的風(fēng)量不應(yīng)大于自然漏風(fēng)量。在進(jìn)行工作面阻化劑噴灑作業(yè)時(shí)，設(shè)置底板浮煤噴灑量為122 kg，工作面上下兩端頭噴灑量為300 kg。

3.1.3 采空區(qū)封閉注氮技術(shù)

采空區(qū)封閉注氮技術(shù)主要是通過(guò)向采空區(qū)內(nèi)注入液態(tài)氮?dú)?，?dāng)?shù)獨(dú)膺M(jìn)入采空區(qū)后，可有效降低采空區(qū)內(nèi)氧氣含量，使采空區(qū)內(nèi)的遺煤達(dá)不到自燃的條件，從而實(shí)現(xiàn)采空區(qū)防滅火的目的[7]。采空區(qū)內(nèi)氮?dú)獾闹饕罍缁鹱鳂I(yè)主要有3種：抑制采空區(qū)瓦斯爆炸、抑制采空區(qū)浮煤氧化自燃和撲滅采空區(qū)煤層自燃。氮?dú)夥罍缁鹪砣鐖D3所示。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)注入大量高濃度氮?dú)夂?，采空區(qū)內(nèi)的氧氣含量大幅下降，遺煤表面氧氣濃度會(huì)大幅降低，氮?dú)鈺?huì)取代氧氣吸附在煤炭裂隙表面，這在很大程度上能夠抑制遺煤的自燃氧化。

圖3 氮?dú)夥罍缁鹪砜?/p>

本次采空區(qū)注氮采用交替邁步式注氮工藝，即從工作面開(kāi)切眼的位置處每間隔20 m預(yù)埋1趟注氮支管，控制注氮流量的閥門(mén)安裝在支管上，控制注氮流量為1 000 m3/h，注氮工藝具體施工流程為：注氮支管埋入采空區(qū)的深度為20 m時(shí)，即可開(kāi)始注氮作業(yè)，當(dāng)注氮管路埋入采空區(qū)40 m后，即可停止注氮作業(yè)。采用該種注氮工藝能夠確保同時(shí)有兩趟注氮支管向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)?，在工作面正?；夭善陂g，確保注氮管路正常運(yùn)行，保障采空區(qū)內(nèi)持續(xù)有氮?dú)庾⑷搿?7306工作面采空區(qū)埋管注氮系統(tǒng)布置如圖4所示。

圖4 工作面埋管注氮工藝示意

3.2 效果分析

97306工作面采空區(qū)防滅火方案實(shí)施后，工作面回采期間，通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)CO和O2濃度數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)作業(yè)，進(jìn)風(fēng)巷60 m和回風(fēng)巷60 m內(nèi)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。

分析圖5可知，回采期間，工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷內(nèi)CO濃度最大值均小于87×10-6，且回風(fēng)巷中的CO濃度未超過(guò)14×10-6，另外通過(guò)工作面回采期間的觀測(cè)分析可知，回采期間采空區(qū)無(wú)自燃現(xiàn)象，為工作面安全回采提供了保障。

圖5 工作面采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)97306工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)束管監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行采空區(qū)自燃“三帶”規(guī)律分析，基于分析結(jié)果分別確定出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的范圍，結(jié)合自燃“三帶”分布規(guī)律，設(shè)計(jì)采空區(qū)采用監(jiān)測(cè)監(jiān)控+汽霧阻化技術(shù)+封閉注氮技術(shù)相結(jié)合的防滅火方案。根據(jù)防滅火方案實(shí)施后的效果分析可知，工作面回采期間各項(xiàng)指標(biāo)均在合理范圍內(nèi)，為工作面的安全回采提供了保障。