三交河煤礦2-2-601工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

張建華

（霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦，山西 洪洞041600）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦2-2-601工作面位于978水平六采區(qū)南翼，其西側(cè)為實(shí)體煤，南端為實(shí)體煤，北端鄰六采區(qū)皮帶巷。工作面最大埋深約296 m，開(kāi)采2-2煤層，煤層厚度1.03～2.76 m，平均厚度2.06 m，直接頂以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主，2-2-601工作面走向長(zhǎng)度約1 800 m，傾向長(zhǎng)度253 m，采用綜合機(jī)械化開(kāi)采，通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，2-2煤層屬自燃煤層，煤層自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)，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”分布規(guī)律的分析及防滅火方案的設(shè)計(jì)。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布

為掌握2-2-601工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，現(xiàn)采用預(yù)埋束管的方式進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)氣體成分的檢測(cè)作業(yè)，檢測(cè)范圍為工作面250 m，測(cè)點(diǎn)每間隔50 m設(shè)置1個(gè)，本次檢測(cè)方案共計(jì)布置10個(gè)測(cè)點(diǎn)，其中采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)布置6個(gè)，工作面及回風(fēng)順槽布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

測(cè)點(diǎn)采用預(yù)埋束管的方法進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)氣體的抽取與檢測(cè)，每根束管負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)一點(diǎn)的氣體，不同束管之間通過(guò)顏色不同來(lái)區(qū)分測(cè)點(diǎn)位置，探頭采用直徑8 mm的過(guò)濾式探頭，布置探頭時(shí)將其抬高0.5 m以防止積水堵塞束管，埋管及探頭布置見(jiàn)圖1。

圖1 埋管及觀測(cè)探頭布置形式示意圖

在工作面回采期間，通過(guò)對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體的持續(xù)觀測(cè)，能夠得出隨著采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)氧濃度、CO濃度與采空區(qū)深度間的曲線圖見(jiàn)圖2。

分析圖2可知，隨著埋入采空區(qū)深度的不斷增大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)的氧濃度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)埋入采空區(qū)深度0～100 m的范圍內(nèi)，氧濃度的下降幅度較低，當(dāng)埋入深度大于100 m時(shí)，氧濃度的下降速率開(kāi)始逐漸增大；回風(fēng)側(cè)在埋入采空區(qū)0～70 m的范圍內(nèi)，氧濃度的下降幅度較低，當(dāng)埋入深度大于70 m后，氧濃度的下降速度開(kāi)始逐漸增大；據(jù)此可知采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧濃度的下降速率高于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)椴煽諈^(qū)上方為主要的漏風(fēng)通道，在風(fēng)流的作用下，采空區(qū)上方的氧氣濃度較高，即導(dǎo)致采空區(qū)上方氧濃度高于采空區(qū)下方。

圖2 采空區(qū)氧濃度、CO濃度-埋入采空區(qū)深度曲線圖

根據(jù)煤層自燃理論[1-2]，結(jié)合2號(hào)煤層特征確定采用CO作為衡量遺煤自燃的指標(biāo)時(shí)，當(dāng)CO濃度高于24×10-6，即代表遺煤具有自燃危險(xiǎn)性；分析圖2可知，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)在氧氣濃度＞10%時(shí)，CO濃度達(dá)到一定值后基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，據(jù)此可知，采空區(qū)在常溫狀態(tài)下，氧氣濃度在10%左右時(shí)可有效抑制采空區(qū)浮煤的自燃現(xiàn)象；在氧氣濃度低于5%時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度便開(kāi)始逐漸降低。

另外從圖3可看出，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)埋入的深度不斷增加，在采空區(qū)0～90 m范圍內(nèi)CO濃度相對(duì)較低，當(dāng)埋入深度在90～150 m范圍內(nèi)時(shí)，該區(qū)域CO濃度相對(duì)較高，O2濃度基本在10%～18%范圍內(nèi)，氧氣濃度能夠?yàn)檫z煤氧化提供供養(yǎng)條件，進(jìn)而導(dǎo)致遺煤自燃氧化速度較快，最終表現(xiàn)為CO濃度較大，最大峰值達(dá)到33×10-6；在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)110.8 m深度和回風(fēng)側(cè)87.6 m深度后，采空區(qū)內(nèi)氧氣含量不斷下降，而CO濃度開(kāi)始逐漸升高，即可大致判定為采空區(qū)進(jìn)入了氧化升溫帶。

根據(jù)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)劃分方法及步驟[3-4]，結(jié)合實(shí)測(cè)氣體數(shù)據(jù)，最終可確定采空區(qū)散熱帶主要分布在距工作面10～100 m范圍內(nèi)，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)由于漏風(fēng)的影響，導(dǎo)致散熱帶在中部相對(duì)較淺，約為95 m；窒息帶分布在距離工作面155～165 m范圍內(nèi)，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)為165 m、回風(fēng)側(cè)為137 m，采空區(qū)中部為160 m，即采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、中部、回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的寬度分別為55、50、50 m，具體采空區(qū)自燃“三帶”范圍見(jiàn)表1，自燃“三帶”分布規(guī)律見(jiàn)圖3。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍數(shù)據(jù)表

圖3 采空區(qū)自燃“三帶”分布圖

3 防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

根據(jù)2-2-601工作面的地質(zhì)條件，結(jié)合上述采空自燃“三帶”的分析結(jié)果，確定采空區(qū)防滅火方案為封堵漏風(fēng)+注氮降氧+黃泥灌漿相結(jié)合的方案，具體防滅火方案各項(xiàng)技術(shù)措施如下：

1）封堵漏風(fēng)。在工作面回采期間，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷兩端頭采用堆積沙袋進(jìn)行端頭的封堵，沙袋墻的寬度為巷道的寬度，高度應(yīng)大于600 mm，并確保沙袋墻接頂接幫嚴(yán)實(shí)，沙袋墻在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷端頭每間隔50 m布置1道，沙袋墻堆設(shè)完畢后，在墻體表面噴涂高分子材料，以保障墻體的密封效果，在進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域墻體堆設(shè)時(shí)，提前預(yù)埋好注漿管路，具體布置形式如圖4所示。

圖4 回采巷道端頭封堵漏風(fēng)示意圖

2）注氮降氧。工作面回采期間進(jìn)行采空區(qū)注氮作業(yè)，以有效降低氧氣的含量[5-6]，注氮采用交替注氮的方式，交替邁步距離為25 m；注氮管路布置在進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)的注氮管路大于50 mm，當(dāng)注氮管路埋入采空區(qū)25 m后，即可開(kāi)始注氮作業(yè)，并進(jìn)行第2趟管路的鋪設(shè)，當(dāng)?shù)?趟管路埋入采空區(qū)25 m后，即可停止第1趟管路的注氮，開(kāi)啟第2趟管路進(jìn)行注氮作業(yè)，如此反復(fù)進(jìn)行注氮作業(yè)，具體注氮管路布置形式如圖5所示。

圖5 注氮管路布置形式示意圖

3）黃泥灌漿。根據(jù)2-2-601工作面賦存條件及開(kāi)采特點(diǎn)，在回風(fēng)順槽內(nèi)每間隔40 m布置1趟灌漿管路，管徑大于100 mm，灌漿采用隨采隨灌的方式，漿液采用黃泥漿，灌漿系統(tǒng)主要包括漿液制備、運(yùn)輸、和灌注，黃泥漿在礦井地面設(shè)置灌漿站，由地面攪拌站攪拌完成后，通過(guò)灌漿管路將黃泥漿輸送至采空區(qū)回風(fēng)順槽灌漿點(diǎn)位置，具體灌漿系統(tǒng)見(jiàn)圖6。

圖6 灌漿系統(tǒng)示意圖

3.2 效果分析

工作面采用上述防滅火方案后，通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的持續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合人工測(cè)試的方式，對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體進(jìn)行3個(gè)月的監(jiān)測(cè)分析，能夠繪制得出采空區(qū)CO含量與埋入采空區(qū)深度的曲線圖，具體見(jiàn)圖7。

圖7 采空區(qū)CO含量曲線圖

分析圖7可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)的CO含量呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，CO含量的最大值為18×10-6，未超過(guò)24×10-6，CO含量較高的區(qū)域出現(xiàn)在埋入采空區(qū)290～321 m的位置處，該區(qū)域由于埋入采空區(qū)過(guò)深，采取的防滅火措施基本無(wú)法擴(kuò)散至該區(qū)域，但當(dāng)埋入深度大于321 m后，由于上覆巖層在自重應(yīng)力作用下逐漸壓實(shí)，該區(qū)域的氧氣含量逐漸降低，進(jìn)而出現(xiàn)CO含量又逐漸降低的現(xiàn)象?；谏鲜龇治隹芍?，當(dāng)工作面采空區(qū)采用上述防滅火方案后，有效減緩了采空區(qū)內(nèi)遺煤的氧化，防止了采空區(qū)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象。

4 結(jié)論

根據(jù)2-2-601工作面賦存情況及開(kāi)采特征，采用采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)的方式進(jìn)行自燃“三帶”分布規(guī)律的分析，根據(jù)分析結(jié)果得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、中部、回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的寬度分別為55、50、50 m，設(shè)計(jì)采空區(qū)采用封堵漏風(fēng)+注氮降氧+黃泥灌漿相結(jié)合的防滅火方案，實(shí)施后的CO含量分析結(jié)果可知，該方案有效抑制了遺煤的氧化，確保了采空區(qū)內(nèi)無(wú)自燃現(xiàn)象出現(xiàn)，為工作面的安全生產(chǎn)提供了保障。