汾源礦綜放面采空區(qū)三帶的確定及防滅火實(shí)踐

王偉明

（霍州煤電集團(tuán)汾源煤業(yè)公司，山西 霍州 035100）

0 引 言

與其他開采方式相比，綜放工作面的巷道掘進(jìn)率低、單面產(chǎn)量高，但采空區(qū)遺煤多，存在自然發(fā)火的危險(xiǎn)[1-4]。汾源礦5-101 工作面為礦井首個(gè)綜放工作面，煤層厚度大，自然發(fā)火期短，開展采空區(qū)遺煤防滅火技術(shù)研究對(duì)實(shí)現(xiàn)煤礦的安全生產(chǎn)具有重要的意義。

1 工程概況

霍州煤電汾源礦業(yè)5-101 工作面埋深為330～410 m，黃土層厚度為18～36 m。工作面開采煤層為5 號(hào)煤，含有1～3 層不穩(wěn)定夾矸，煤層平均傾角為35°，平均厚度為10.5 m，煤頂頂?shù)装迦绫? 所示。工作面傾斜長(zhǎng)度105 m，走向長(zhǎng)度728 m，綜放開采，全部垮落法處理頂板，工作面割煤高度為2.8 m，放煤高度為7.7 m。單向下行割煤，上行清煤，割煤2 刀放煤1 次，割煤步距600 mm，放煤步距1 200 mm。

表1 5 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性（m）

采用煤自燃傾向性的氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)定方法對(duì)5號(hào)煤層進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明，5 號(hào)煤層的判定指數(shù)I為738，為Ⅱ類自燃。采用程控升溫的方法確定5 號(hào)煤層的自燃標(biāo)志性氣體為CO、C2H4、C2H2。當(dāng)煤層出現(xiàn)低溫氧化現(xiàn)象時(shí)，可以檢測(cè)到CO。當(dāng)局部溫度超過1200C 時(shí)，C2H4開始出現(xiàn)，氧化速度加快，當(dāng)超過2860C 時(shí)，C2H2開始出現(xiàn)，表示煤層氧化進(jìn)入劇烈反應(yīng)階段。采用氧化動(dòng)力學(xué)測(cè)定方法，測(cè)試推導(dǎo)出5 號(hào)煤的最短自然發(fā)火期為57 d。

2 “三帶”區(qū)域的確定

本次實(shí)測(cè)采用WRN 系列熱電偶和UT 系列測(cè)溫儀測(cè)試系統(tǒng)與束管抽氣系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析采空區(qū)氣體成分，以氧氣含量為主要指標(biāo)，以溫度為輔助指標(biāo)，作為5-101 工作面采空區(qū)自燃“三帶”的劃分依據(jù)。

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

本次測(cè)試采用在兩巷安設(shè)測(cè)點(diǎn)的方式，為提高精度，束管和熱電偶補(bǔ)償線沿采空區(qū)走向埋管，測(cè)點(diǎn)布置如圖1 所示。

圖1 兩巷測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)方式

1）在工作面回采之前，兩巷各鋪設(shè)150 m 的2寸保護(hù)套管，270 m 的單芯束管和250 m 的溫度補(bǔ)償線。

2）在工作面兩巷將保束管、溫度補(bǔ)償線等穿入保護(hù)鋼管中，單芯束管外露長(zhǎng)度不得小于500 mm。

3）在各個(gè)測(cè)點(diǎn)位置抽出束管和測(cè)溫導(dǎo)線，同時(shí)安裝探頭，用錨固劑將采樣點(diǎn)的三通封孔。

4）在兩巷內(nèi)距離工作面120 m 處的束管和溫度補(bǔ)償線出口處進(jìn)行取樣和觀測(cè)，頻率為每天1 次。

2.3 觀測(cè)結(jié)果

2.3.1 氧氣濃度觀測(cè)結(jié)果

當(dāng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后，每天采集1 次氣體樣本進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷3 號(hào)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 3 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度觀測(cè)結(jié)果

由觀測(cè)結(jié)果可以看出，

1）工作面進(jìn)風(fēng)巷漏風(fēng)相對(duì)嚴(yán)重，氧氣濃度較高。當(dāng)工作面推至測(cè)點(diǎn)前方32.2 m 時(shí)，氧氣濃度開始下降到18%以下，并且呈逐漸下降的趨勢(shì)。當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)51.9 m 時(shí)，氧氣濃度已經(jīng)下降到8%以下，在工作面后方67.2 m，氧氣濃度保持穩(wěn)定為3.2%。

2）進(jìn)入采空區(qū)后，回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度下降較快。在工作面后方7.8 m 左右，氧氣濃度由初始的20.19%下降到17.19 %，并且基本呈線性趨勢(shì)持續(xù)下降。進(jìn)入采空區(qū)20.65 m，氧氣濃度下降到8 %以下，為7.52%。

2.3.2 溫度觀測(cè)結(jié)果

采用溫升率K作為自燃三帶劃分的輔助指標(biāo)，其表達(dá)式（1）：

式中：T1為采空區(qū)初始溫度，°C；T2為后期測(cè)定的采空區(qū)溫度，°C；Δd為時(shí)間差，天；ΔT為溫度差，°C。

以9 月15 日為第1 天，在觀測(cè)期內(nèi)的溫升率變化曲線如圖3 所示。

圖3 兩巷溫升率變化曲線

由圖可以看出，從9 月25 日開始至10 月12日，回風(fēng)側(cè)溫升速率K 基本穩(wěn)定，為1 ℃/d，該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的采空區(qū)深度為7.9～21.6 m。對(duì)于進(jìn)風(fēng)側(cè)，從10 月24 日開始至11 月18 日，進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度一直處于升高趨勢(shì)，該時(shí)間段對(duì)應(yīng)的采空區(qū)深度為33～52.3 m。

2.4 “三帶”位置

根據(jù)兩巷的觀測(cè)結(jié)果，以18 %和8 %的氧氣濃度作為“三帶”劃分的依據(jù)，確定5-101 工作面兩巷采空區(qū)自燃三帶的位置見表2。

表 2 5-101 工作面“三帶”劃分（m）

3 首采面防滅火實(shí)踐

為實(shí)現(xiàn)綜放首采面的安全回采，采用黃泥灌漿、采空區(qū)注氮、加強(qiáng)監(jiān)測(cè)等綜合防滅火措施[5-6]。

3.1 黃泥灌漿

利用已經(jīng)建立的地面灌漿系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行灌漿。主要設(shè)備為NL40-80 型粘土制漿機(jī) 1 臺(tái)、JFN-2B 型泥漿凈化機(jī)1 臺(tái)和100QW50-35-11 型灌漿泵2 臺(tái)。最大制漿量為50 m3/h。漿液土水比為1∶2～1∶3 之間。注漿管路為無縫鋼管，注漿方式為托管灌漿，管路布置如圖4 所示。

圖4 采空區(qū)埋管灌漿布置圖

如果工作面采空區(qū)出現(xiàn)煤自然發(fā)火征兆，則改用兩相泡沫進(jìn)行階段性灌注，直至工作面或下隅角出現(xiàn)兩相泡沫外漏時(shí)停止。

3.2 采空區(qū)注氮

利用地面的3 套DM-1000 注氮系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮。工作面正?；夭蛇^程中采用開放式、間歇性注氮措施，每天注氮時(shí)間不小于16 h；遇地質(zhì)構(gòu)造，工作面推進(jìn)速度小于1 m/d 時(shí)，每天24 h 注漿；在工作面封閉后，采用封閉式連續(xù)注氮。

在采空區(qū)預(yù)埋設(shè)注氮管路，開切眼開始每隔一定距離從順槽支管上引出預(yù)埋注氮支管，在注氮支管上安裝閘閥，以控制氮?dú)獾淖⑷肓?。根?jù)采空區(qū)三帶的寬度，確定氮?dú)忉尫趴诘拈g距為50 m。釋放口應(yīng)高于巷道底板300 mm，與工作面平行，90°彎向采空區(qū)。如圖5 所示。

圖5 采空區(qū)注氮示意圖

3.3 應(yīng)用效果

汾源礦安裝有KJ70N 型安全監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)CO、溫度、煙霧等的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí)安設(shè)有JSG8 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的自動(dòng)取氣、連續(xù)監(jiān)測(cè)。

從工作面回采開始，一直到工作面停采密閉后60 d，CO 氣體濃度保持在10×10-6左右，溫度低于29℃，采空區(qū)無自然發(fā)火現(xiàn)象。

4 結(jié) 論

1）實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明汾源礦5 號(hào)煤層Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為57 d，在綜放開采條件下的采空區(qū)存在一定的自然發(fā)火危險(xiǎn)。

2）通過在工作面兩巷對(duì)采空區(qū)的氧氣濃度和溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確定進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的自燃帶范圍分別為32.5～51.9 、7.8～20.6 m，該范圍是采空區(qū)防滅火治理的重點(diǎn)區(qū)域。

3）通過黃泥灌漿和采空區(qū)注氮等措施，工作面采空區(qū)CO 氣體濃度保持在10×10-6左右，溫度低于29℃，采空區(qū)無自然發(fā)火現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。