正壓通風(fēng)礦井易自燃復(fù)合煤層綜放工作面火災(zāi)防治實(shí)踐

任顯財(cái)

(國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司大柳塔煤礦，陜西 榆林 719315)

礦井火災(zāi)是直接威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，按引火源類型可分為外因火災(zāi)和內(nèi)因火災(zāi)。內(nèi)因火災(zāi)為煤炭自燃火災(zāi)，占礦井火災(zāi)的90%以上[1-4]。發(fā)生礦井自燃火災(zāi)不僅持續(xù)時(shí)間長、影響范圍大，而且還會產(chǎn)生大量的高溫?zé)煔饧坝卸居泻怏w，嚴(yán)重時(shí)往往還有可能引發(fā)煤塵及瓦斯爆炸事故，對礦井高效生產(chǎn)造成重大影響，嚴(yán)重威脅煤礦工作者的生命安全[5-8]。

以大柳塔煤礦復(fù)合區(qū)12下203綜放工作面采空區(qū)火災(zāi)事故為例，研究了正壓通風(fēng)礦井易自燃復(fù)合煤層綜放工作面火災(zāi)治理技術(shù)，可為類似開采條件的礦井安全回采及災(zāi)害治理提供有效技術(shù)保障[9-10]。

1 礦井概況

該礦井所采煤層為12煤復(fù)合區(qū)煤層，煤層埋藏深度35.0～81.8 m，屬淺埋深易自燃復(fù)合煤層。12煤復(fù)合區(qū)煤層平均厚度10 m，采用上下分層開采，“上分層綜采4 m、下分層綜放6 m”的開采方法，上分層已于2006年回采完畢[11-12]。礦井通風(fēng)方法為壓入式通風(fēng)，通風(fēng)方式為混合式[13-14]。

1.1 12下203綜放工作面基本概況

12下203綜放工作面東側(cè)為12下201采空區(qū)，西側(cè)為12下205接續(xù)工作面，南側(cè)為12煤北輔運(yùn)巷，北側(cè)為 12煤火燒邊界，上方為12上203采空區(qū)[15]。工作面走向長度1 577.8 m，工作面傾斜長度251.4 m。煤層地面標(biāo)高1 167.5～1 217.6 m，底板標(biāo)高1 108.6～1124.4 m，煤厚度1.83～3.02 m，設(shè)計(jì)采高3.5 m，放頂煤高度2.5 m。工作面的主回撤通道、輔回撤通道和開切眼均在實(shí)體煤下掘進(jìn)，3條巷道全部在上分層工作面巷道煤柱下掘進(jìn)[16]。截至2021年1月 22日，12下203綜放工作面已安全回采1 517.3 m，剩余長度60.5 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 12下203綜放工作面布置示意圖

1.2 12下203綜放工作面通風(fēng)系統(tǒng)

12下203綜放工作面采用U型通風(fēng)，新鮮風(fēng)流通過12下205回風(fēng)巷、12下203運(yùn)輸巷送到工作面，新鮮風(fēng)流通過工作面變成污風(fēng)后再通過12下203回風(fēng)巷送出，工作面配備風(fēng)量1 084 m3/min，滿足生產(chǎn)需求。

2 采空區(qū)自然發(fā)火經(jīng)過及原因分析

2.1 自然發(fā)火經(jīng)過

2021年1月21日經(jīng)12下205回風(fēng)巷15聯(lián)絡(luò)巷密閉預(yù)埋束管發(fā)現(xiàn)12下203采空區(qū)對應(yīng)15聯(lián)絡(luò)巷位置處CO體積分?jǐn)?shù)突然升高至202×10-6，22日升高至3 033×10-6，23日升高至15 562×10-6，24日升高至27 186×10-6，且出現(xiàn)乙烷C2H6、乙烯C2H4、乙炔C2H2等高溫標(biāo)志性氣體。25日井下發(fā)現(xiàn)12下205回風(fēng)巷15聯(lián)絡(luò)巷附近(上分層24#聯(lián)絡(luò)巷)架棚處出現(xiàn)火星，分析判斷認(rèn)為：12下205回風(fēng)巷過上分層24#架棚處發(fā)生煤炭自燃，著火點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 著火點(diǎn)位置示意圖

2.2 著火原因分析

礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生自然發(fā)火是多種因素共同作用的結(jié)果，在對12下203綜放工作面采空區(qū)進(jìn)行著火原因分析時(shí)必須要對礦井所處地理位置、工作面回采情況、煤層氧化自燃特性、通風(fēng)系統(tǒng)、采空區(qū)漏風(fēng)等多種影響因素綜合考慮。經(jīng)分析12下203綜放工作面自然發(fā)火原因如下：

1)煤層易于氧化自燃

12下203綜放工作面所屬12煤層，原煤著火點(diǎn)溫度最低295 ℃，氧化樣著火點(diǎn)283 ℃，屬于易燃煤層，最短自然發(fā)火期30 d；12煤上分層工作面于2002年完成回采，采空區(qū)積水量大，水浸煤體的吸氧量增加，自燃傾向性增強(qiáng)[8]；分析結(jié)果顯示，12煤上分層采空區(qū)水浸煤體最短自然發(fā)火期僅為20 d。

2)復(fù)合采空區(qū)存在大量遺煤

12下203運(yùn)輸巷、205回風(fēng)巷布置在12上203回風(fēng)巷、205運(yùn)輸巷之間32.8 m的煤柱下方，12下203運(yùn)輸巷距12上203回風(fēng)巷4.7 m，12下205回風(fēng)巷距12上205運(yùn)輸巷4.9 m，受重復(fù)采動影響，12上203回風(fēng)巷側(cè)煤柱呈條帶破碎狀態(tài)散落在采空區(qū)，由采掘布置分析得出12下203運(yùn)輸巷頂部約6.5 m厚、10 m寬的煤無法回收，導(dǎo)致采空區(qū)產(chǎn)生大量遺煤。同時(shí)，12煤復(fù)合區(qū)上下分層層間距較小，平均間距2 m，下分層巷道掘進(jìn)過上分層巷道聯(lián)絡(luò)巷位置時(shí)，采用架棚對上述區(qū)域支護(hù)，受采動影響，該區(qū)域成破碎松散煤體狀態(tài)存在。

3)多重漏風(fēng)條件為采空區(qū)遺煤自燃提供充足氧氣

12煤埋深63.4～99.3 m，受采動影響，裂隙發(fā)育直達(dá)地表，形成地表漏風(fēng)通道；主輔運(yùn)輸巷之間有多個(gè)聯(lián)絡(luò)巷，磚石密閉材料在礦壓作用下易壓裂，工作面快速回采退錨不及時(shí)，導(dǎo)致漏風(fēng)經(jīng)隅角直達(dá)采空區(qū)深部，形成本層漏風(fēng)通道；正壓通風(fēng)條件下，通過工作面兩巷道頂板圍巖裂隙松動圈，錨桿、錨索周圍裂隙，上分層采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，形成層間漏風(fēng)通道。

4)工作面停采為采空區(qū)遺煤自燃提供時(shí)間條件

12下203綜放工作面推進(jìn)至16-15聯(lián)絡(luò)巷間時(shí)遇強(qiáng)礦壓影響，造成12下203運(yùn)輸巷片幫、漏頂、底鼓嚴(yán)重，導(dǎo)致工作面半個(gè)月僅推采40 m，并向采空區(qū)遺留較多難以清理的片幫碎煤，碎煤氧化面積增大，氧化時(shí)間較長。同時(shí)，12下205回風(fēng)巷15-16聯(lián)絡(luò)巷破壞嚴(yán)重，12下205回風(fēng)巷通風(fēng)不暢，巷道維修時(shí)間長而12煤最短自然發(fā)火期僅37 d，為上覆聯(lián)絡(luò)巷破碎頂煤氧化自燃提供了時(shí)間條件，是造成此次煤炭自燃的主要原因。

5)正壓通風(fēng)礦井，火災(zāi)預(yù)警難度大

礦井采取正壓通風(fēng)，漏風(fēng)流向地面，采空區(qū)遺煤低溫氧化早期生成的少量指標(biāo)氣體被地面漏風(fēng)帶走，從而給采空區(qū)遺煤自燃的早期預(yù)警帶來困難，因此12下203綜放工作面開采時(shí)發(fā)現(xiàn)煤炭自然發(fā)火指標(biāo)氣體就意味著采空區(qū)已經(jīng)形成自然發(fā)火[17]。

3 采空區(qū)自然發(fā)火治理措施

根據(jù)12下203綜放工作面輔運(yùn)巷側(cè)著火原因分析，同時(shí)結(jié)合礦井實(shí)際條件，迅速制訂了一系列有針對性的措施來解決采空區(qū)火災(zāi)：異常架棚區(qū)域插管注水、井下施工高位孔注漿、自然發(fā)火架棚區(qū)域進(jìn)行加固、施工地面鉆孔注漿滅火、井上下封堵漏風(fēng)通道、加強(qiáng)異常區(qū)域氣體檢測等技術(shù)措施。

3.1 異常架棚區(qū)域插管注水

當(dāng)12下203綜放工作面輔運(yùn)巷15聯(lián)絡(luò)巷架棚區(qū)域發(fā)現(xiàn)明火后，立即組織人員在礦山救護(hù)大隊(duì)監(jiān)護(hù)下，使用釬桿插入異常架棚區(qū)域裂隙進(jìn)行注水，隨后采用單體錨索鉆機(jī)施工6個(gè)?25 mm注水孔，進(jìn)行插管注水，有效起到控制明火蔓延并消除明火的作用。

3.2 井下施工高位孔注漿

在井下著火架棚區(qū)域上風(fēng)側(cè)施工3個(gè)高位鉆孔，編號為1#～3#，自12下205回風(fēng)巷頂板、正副幫上部開孔，終孔位置定于上分層聯(lián)絡(luò)巷中上部位置。鉆孔貫通后連接井下注漿管路，利用地面永久注漿站、井下消防管路向上分層聯(lián)絡(luò)巷注漿、注水。井下高位鉆孔布置如圖3所示。

圖3 井下高位鉆孔布置剖面圖

3.3 自然發(fā)火架棚區(qū)域進(jìn)行加固

由于著火點(diǎn)所處架棚區(qū)域距離上分層為1.5 m左右，著火后煤層變薄，在進(jìn)行注漿的過程中，極有可能會存在泥漿下泄情況。因此必須對架棚區(qū)域進(jìn)行加固，采取“錨吊梁+單體液壓支柱+鉛絲網(wǎng)”補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，錨吊梁排距1 m，一梁六柱，工字鋼梁長5.2 m。漏頂區(qū)采用“單體液壓支柱+道木+鋼筋網(wǎng)+麻袋+沙袋”進(jìn)行封堵，為安全注漿做好準(zhǔn)備。

3.4 施工地面鉆孔注漿滅火

受井下施工條件限制，插管注水及施工高位孔注漿只能在短時(shí)間內(nèi)對小范圍的明火進(jìn)行控制，但對于采空區(qū)內(nèi)大面積火及隱蔽火源治理效果不佳。因此在制訂以上2種井下注漿、注水措施的同時(shí)設(shè)計(jì)了地面鉆孔注漿方案，共設(shè)計(jì)了1#～4#鉆孔，分別位于著火點(diǎn)四周，首先施工1#鉆孔，并歷時(shí)2 d貫通，于2021年1月28日進(jìn)行地面注漿滅火。地面鉆孔布置如圖4所示。

圖4 地面鉆孔布置示意圖

3.5 井上下封堵漏風(fēng)通道

1)井下控制漏風(fēng)技術(shù)措施

工作面實(shí)際漏風(fēng)量不得超過工作面配風(fēng)量的10%，在進(jìn)風(fēng)巷安設(shè)控風(fēng)設(shè)施并拆除回風(fēng)巷全部控風(fēng)設(shè)施，以降低工作面漏風(fēng)量、減小兩端頭壓差，確保將工作面漏風(fēng)量控制在100 m3/min左右、壓差控制在 30 Pa 左右。為防止復(fù)合區(qū)下分層巷道向上覆采空區(qū)漏風(fēng)，實(shí)施噴漿封堵漏風(fēng)，實(shí)行巷道全斷面噴漿，噴漿厚度為100 mm。

2)地面堵漏風(fēng)技術(shù)措施

工作面回采過程中產(chǎn)生連通地表的裂隙是導(dǎo)致井上下漏風(fēng)的主要原因，及時(shí)安排專人每天對地表進(jìn)行巡查，發(fā)現(xiàn)裂隙后馬上回填壓實(shí)，回填區(qū)域：超前工作面50 m，同時(shí)覆蓋兩巷道向外35 m，并要保證回填質(zhì)量，減少地表漏風(fēng)[18]。

3.6 加強(qiáng)異常區(qū)域氣體檢測

礦井采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)后，氣體檢測數(shù)據(jù)一直是被作為火災(zāi)發(fā)展情況及治理效果的重要指標(biāo)。12下203綜放工作面異常區(qū)域原有12個(gè)氣體檢測點(diǎn)，并根據(jù)情況需要另外增加5個(gè)測點(diǎn)。每天安排專人、定時(shí)、定點(diǎn)對指定的取樣點(diǎn)采氣，建立數(shù)據(jù)分析報(bào)表、繪制氣體變化曲線，為治理方案及采取治理措施后效果評估提供依據(jù)。

4 火災(zāi)治理效果及工作面安全回采

采取上述治理措施后，經(jīng)12下205回風(fēng)巷1#測點(diǎn)及開切眼2#測點(diǎn)氣體觀測分析數(shù)據(jù)及地面鉆孔驗(yàn)證情況，可以初步反映明火點(diǎn)已消除，采空區(qū)有害氣體含量持續(xù)下降,至2021年2月18日CO體積分?jǐn)?shù)已下降至100×10-6左右，無乙炔C2H2氣體，氣體分析結(jié)果如圖5所示。

圖5 井下CO體積分?jǐn)?shù)觀測結(jié)果

為避免火區(qū)復(fù)燃及防止工作面較長時(shí)間停采而再次引起后部采空區(qū)自然發(fā)火，決定于2021年2月18日對12下203綜放工作面剩余60.5 m進(jìn)行回采。已消除火點(diǎn)距離工作面1 300 m，且礦井為正壓通風(fēng)，采空區(qū)氣體通過漏風(fēng)通道流向地面，回采期間加強(qiáng)對上下隅角及工作面架間的氣體檢測，一旦發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)采取措施；同時(shí)，提高了工作面的推進(jìn)速度，于2021年 2月 23日順利貫通，安全回采結(jié)束后對工作面迅速進(jìn)行了封閉。

5 結(jié)語

1)通過對礦井現(xiàn)場勘察與生產(chǎn)情況分析，可判定煤層易于氧化自燃、采空區(qū)存在大量遺煤、多重漏風(fēng)條件提供了充足氧氣及工作面停采是導(dǎo)致12下203綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火的主要因素。

2)綜合各種防滅火措施得出，井下插管注水及井下施工高位孔注漿滅火可作為礦井自燃火災(zāi)治理的應(yīng)急處置措施；施工地面鉆孔注漿滅火是井下采空區(qū)出現(xiàn)大面積火災(zāi)治理的主要措施。

3)正壓通風(fēng)礦井，火災(zāi)預(yù)警難度大，要做到超前防范，加強(qiáng)礦井氣體檢測及日常安全檢查。