東川煤礦回采工作面下分層開采防火技術(shù)

王啟宇，劉小新

(陜西秦安煤礦安全評(píng)價(jià)事務(wù)有限公司，陜西 西安 710001)

0 引言

火災(zāi)是礦井的主要災(zāi)害之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井占60%以上，而內(nèi)因火災(zāi)即煤自燃火災(zāi)在礦井火災(zāi)事故中所占比例高達(dá)到90%以上[1]。破碎堆積的煤體經(jīng)過(guò)氧化吸附產(chǎn)生熱量，當(dāng)熱量得以積聚就會(huì)形成自燃火災(zāi)，由于自燃火災(zāi)的產(chǎn)生是一個(gè)發(fā)展緩慢的過(guò)程，因此可以在煤形成自燃火災(zāi)早期進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，提前采取措施消除自燃火災(zāi)隱患。而如果一旦形成火災(zāi)，火災(zāi)形成的位置又經(jīng)常位于人們難以進(jìn)入的采空區(qū)等區(qū)域，而無(wú)法準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)火源定位，這時(shí)滅火非常困難。所以內(nèi)因火災(zāi)的預(yù)防很重要，目前礦井內(nèi)因火災(zāi)的預(yù)防措施主要有：灌漿、注惰性氣體、噴灑阻化劑、注水、注凝膠和三相泡沫等[2-4]及新型的注液態(tài)CO2[5]。東川煤礦為特厚煤層，采用分層開采技術(shù)，當(dāng)回采至下分層時(shí)煤層自燃的可能性較大，必須同時(shí)預(yù)防上、下分層的火災(zāi)，因此礦井采用了頂部采空區(qū)漏風(fēng)通道封堵、頂部采空區(qū)順槽側(cè)注復(fù)合膠體、頂部采空區(qū)注氮、巷道破碎煤體注阻化劑等預(yù)防上分層火災(zāi)的措施與工作面兩道封堵、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等預(yù)防下分層火災(zāi)相結(jié)合的措施，達(dá)到有效預(yù)防煤層自燃的目的。

1 礦井及工作面概況

東川煤礦位于陜北侏羅紀(jì)煤田神北礦區(qū)大海則井田東北角，距神木市約35 km，礦區(qū)范圍由13個(gè)拐點(diǎn)坐標(biāo)圈定，開采深度+995～+1 160 m，礦區(qū)面積11.230 3 km2。礦井目前開采5-2號(hào)煤層，煤層可采厚度6.39～9.18 m，平均厚度8.09 m，井下布置1個(gè)5103下分層綜采工作面，工作面位于一盤區(qū)，上部為已回采結(jié)束的5103上分層綜采工作面采空區(qū)，其上下分層工作面基本對(duì)應(yīng)，下分層工作面略小于上分層，下分層開切眼和停采線均位于上分層對(duì)應(yīng)的切眼和停采線以內(nèi)。5103工作面煤層厚度6.75～8.45 m，平均7.60 m，其中上分層回采厚度3.4～3.8 m，下分層回采厚度2.8～3.2 m。5103下分層綜采工作面長(zhǎng)200 m，推進(jìn)度長(zhǎng)度1 696 m，采高3.0 m，采用長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化分層鋪底網(wǎng)采煤工藝，全部垮落法管理頂板。

2 下分層開采頂部采空區(qū)及巷幫防火措施

下分層工作面部分巷道較為破碎，由工作面及順槽通往頂部采空區(qū)的漏風(fēng)裂隙較多，故在下分層工作面準(zhǔn)備期間，漏風(fēng)就有可能引起頂部采空區(qū)自燃。此外，下分層采空區(qū)氧化帶范圍大，煤氧化時(shí)間長(zhǎng)，自燃危險(xiǎn)大。

2.1 頂部采空區(qū)漏風(fēng)通道封堵

由下分層順槽通往頂部采空區(qū)的探放水鉆孔、監(jiān)測(cè)鉆孔、注膠鉆孔應(yīng)封堵嚴(yán)密，避免鉆孔漏風(fēng)引起頂部采空區(qū)自燃。檢查巷道頂部破碎帶裂隙，如存在裂隙漏風(fēng)點(diǎn)，則向裂隙處頂部采空區(qū)打鉆，灌注快凝水泥漿進(jìn)行加固和堵漏，亦可向上部采空區(qū)注復(fù)合膠體，進(jìn)行堵漏防火。檢查地面漏風(fēng)裂隙，較大漏風(fēng)要用黃土覆蓋封堵。

2.2 頂部采空區(qū)順槽側(cè)注復(fù)合膠體形成隔離帶

上分層采空區(qū)順槽處有大量松散煤體，有自燃危險(xiǎn)。為防止其自燃，開采下分層時(shí)，向上部采空區(qū)注粉煤灰復(fù)合膠體，形成防火隔離帶。

膠體隔離帶灌注工藝及其間隔：由下部工作面順槽向頂部采空區(qū)每隔100～150 m施工一個(gè)鉆孔，鉆孔與煤層夾角為45°左右，終孔位于上部采空區(qū)底板以上50～100 cm，距離煤幫3 m左右處，如圖1所示。

圖1 自下分層順槽向頂部注復(fù)合膠體剖面示意Fig.1 Injecting composite colloid from lower roadway to upper goaf

沿鉆孔向頂部采空區(qū)兩順槽處注復(fù)合膠體，每個(gè)隔離帶設(shè)計(jì)10 m×10 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)，注黃泥復(fù)合膠體200 m3，黃土用量約80 m3。當(dāng)采空區(qū)監(jiān)測(cè)到CO濃度增加時(shí)，注膠量增加為2倍。

地面灌漿系統(tǒng)將黃土和水制成1∶1的泥漿，由管道輸送到井下。井下設(shè)備將復(fù)合膠體膠凝劑按0.05%～0.1%的比例與泥漿混合，然后通過(guò)鉆孔輸送到采空區(qū)，復(fù)合膠體混合液在巷道頂部失去流動(dòng)性，起到充填和覆蓋松散煤體的作用。注膠工藝如圖2所示。

圖2 復(fù)合膠體注膠防滅火工藝Fig.2 Fire prevention process of compound colloid injection

2.3 頂部采空區(qū)注氮

注氮條件：自下分層工作面順槽，通過(guò)監(jiān)測(cè)鉆孔對(duì)頂部采空區(qū)O2、CO進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如果工作面O2濃度大于7%時(shí)，則向采空區(qū)注氮；當(dāng)監(jiān)測(cè)到CO增加時(shí)，需要連續(xù)注氮，以降低氧濃度，防止煤層自燃。

注氮口位置：上分層工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)密閉預(yù)留措施孔。

注氮量：以現(xiàn)有注氮系統(tǒng)的能力，注氮流量為600(800) m3/h。氮?dú)鉂舛却笥?7%。

注氮過(guò)程中，在下分層工作面順槽布置的通往頂部采空區(qū)的監(jiān)測(cè)管監(jiān)測(cè)CO、O2等參數(shù)，當(dāng)頂部采空區(qū)CO降為0或穩(wěn)定到10×10-6以下，并且O2濃度低于7%時(shí)，可以停止注氮。

2.4 巷道破碎煤體注阻化劑

工作面間煤柱下的部分巷道煤幫破碎十分嚴(yán)重，長(zhǎng)期氧化后有自燃危險(xiǎn)。應(yīng)對(duì)所有厚度超過(guò)50 cm的松散煤體都進(jìn)行注阻化防火材料處理。

可選用如下阻化防火材料：①采用15%以上的鹵鹽阻化劑；②水玻璃(7%左右)內(nèi)加)阻化劑(5%～10%)和氫氧化鈣(3%左右)等合成濃漿；③高分子滅火劑量與水按1∶50～1∶100的比例混合。

處理方式：①人工將阻化劑濃漿澆灌到煤體表面；②采用阻化劑泵將阻化劑溶液注入松散煤體內(nèi)。

3 下分層采空區(qū)自燃預(yù)防措施

3.1 工作面兩道封堵

分層開采時(shí)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍如圖3所示。

圖3 采空區(qū)自燃氧化升溫帶范圍剖面示意Fig.3 Section of the spontaneous combustion oxidation heating zone in the goaf

在順槽巷道漏風(fēng)可控的條件下，下分層工作面前方的上分層采空區(qū)存在散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶等“三帶”[6-8]；下分層工作面后方采空區(qū)也同樣存在“三帶”。工作面前、后2個(gè)氧化升溫帶長(zhǎng)度，再加上工作面前后的散熱帶長(zhǎng)度之和，即為自燃危險(xiǎn)區(qū)域長(zhǎng)度L。

當(dāng)工作面在發(fā)火期內(nèi)推進(jìn)長(zhǎng)度超過(guò)L時(shí)，可以預(yù)防煤層自燃。根據(jù)目前觀測(cè)結(jié)果，預(yù)計(jì)工作面自燃危險(xiǎn)區(qū)域長(zhǎng)度L達(dá)到350 m左右。開采煤層自然發(fā)火期為39 d，考慮到一定的安全系數(shù)實(shí)際取35 d，則工作面最小安全推進(jìn)度為10 m/d，即工作面推進(jìn)度超過(guò)10 m/d時(shí)，可以預(yù)防煤層自燃。

當(dāng)工作面推進(jìn)度小于10 m/d時(shí)，需要在工作面兩順槽施工封堵墻。

3.2 噴灑阻化劑

3.2.1 實(shí)施阻化劑防滅火技術(shù)的條件

滿足下列條件之一，即實(shí)施噴灑阻化劑防滅火技術(shù)：①當(dāng)采空區(qū)局部地點(diǎn)遺煤厚度超過(guò)60 cm，并且工作面推進(jìn)度小于200 m/月。②當(dāng)工作面回風(fēng)隅角檢測(cè)到CO濃度超過(guò)30×10-6時(shí)。

3.2.2 噴灑工藝及位置

由于工作面中部基本沒(méi)有遺煤，工作面兩道處采空區(qū)局部有遺煤。在工作面設(shè)備列車處配備礦用阻化泵，通過(guò)高壓膠管將阻化劑溶液輸送到工作面順槽處(兩道遺煤)，向松散煤體上噴灑，噴灑量應(yīng)足以潤(rùn)濕松散遺煤。

3.3 采空區(qū)開放式注氮防滅火

3.3.1 開放式注氮條件

工作面因推進(jìn)速度小于200 m/月，且采空區(qū)存在遺煤厚度大于60 cm情況；經(jīng)采空區(qū)自燃區(qū)域判定和預(yù)測(cè)，采空區(qū)存在自燃危險(xiǎn)，需要注氮時(shí)；工作面上隅角或采空區(qū)出現(xiàn)CO，且呈連續(xù)上升趨勢(shì)，其濃度達(dá)到30×10-6以上時(shí)。

3.3.2 注氮管路敷設(shè)

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，深入切頂線以內(nèi)20～60 m區(qū)域預(yù)埋注氮管路(4寸)，當(dāng)管口進(jìn)入采空區(qū)20 m時(shí)開始注氮；工作面推進(jìn)40 m左右時(shí)，埋入下一個(gè)注氮管；當(dāng)上一個(gè)注氮口進(jìn)入采空區(qū)60 m時(shí)，更換為下一個(gè)注氮口注氮，管路敷設(shè)如圖4所示。

圖4 采空區(qū)主管-支管埋管敷設(shè)方案示意Fig.4 Buried pipe scheme of main pipe and branch pipe in goaf

3.3.3 注氮監(jiān)測(cè)

每日3班派人在工作面隅角進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)O2<19%時(shí)，立即撤出人員，減小注氮量或停止注氮，待風(fēng)流中O2>19%時(shí)方可恢復(fù)工作。

3.4 灌漿防滅火

東川煤礦下分層采空區(qū)一般情況下遺煤厚度小，工作面推進(jìn)速度快，通常不會(huì)發(fā)生煤層自燃，因此正常生產(chǎn)條件下不必灌漿。對(duì)于局部遺煤堆積厚度大的區(qū)域，當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于200 m/月時(shí)考慮注漿。

東川煤礦煤層以常溫為起始溫度的實(shí)驗(yàn)自然發(fā)火期為39 d。起慮到一定的安全系數(shù)，每隔30 d注一次漿，形成膠體隔離帶。注漿口位置處于遺煤較多的兩道，注漿量以覆蓋遺煤為限。經(jīng)計(jì)算，每次注漿量約200 m3，即工作面每側(cè)注漿200 m3，兩側(cè)共注漿400 m3。

由于水中加入1 m3黃土其體積增加約0.4 m3，按照土水比1∶3計(jì)算，每次灌漿需要黃土約60 m3，水約175 m3。工作面兩側(cè)共需黃土120 m3，用水量合計(jì)350 m3。按照灌漿能力為30 m3/h計(jì)算，采空區(qū)每側(cè)隔離帶灌漿7 h即可，兩側(cè)共需注漿約14 h。

4 防火效果分析

在5103下分層回采過(guò)程中，通過(guò)采取上、下分層針對(duì)性的預(yù)防煤層火災(zāi)的措施[9-10]，監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的CO傳感器及溫度傳感器等均未超限，在正常范圍值內(nèi)。因此，采取的防滅火措施可以有效預(yù)防煤層自燃。

通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每日的報(bào)表顯示，自然發(fā)火標(biāo)志性氣體(CO氣體及烷烯烴等)均未出現(xiàn)，因此，采空區(qū)未出現(xiàn)發(fā)火征兆。

每周通過(guò)人工采樣對(duì)密閉進(jìn)行氣樣分析，密閉墻內(nèi)未出現(xiàn)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，溫度在正常范圍內(nèi)。因此，采取的防滅火措施有效可行。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)分層開采工作面防火的重點(diǎn)區(qū)域及時(shí)間，采用頂部采空區(qū)漏風(fēng)通道封堵、頂部采空區(qū)順槽側(cè)注復(fù)合膠體、頂部采空區(qū)注氮、巷道破碎煤體注阻化劑等預(yù)防上分層火災(zāi)的措施，與工作面兩道封堵、灌漿、噴灑阻化劑、注氮等預(yù)防下分層火災(zāi)的措施相結(jié)合。

(2)分析監(jiān)測(cè)監(jiān)控、束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及人工采樣的自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，得出采空區(qū)未出現(xiàn)發(fā)火征兆，采取的防滅火措施合理可行。

(3)分層預(yù)防煤層自燃的效果和經(jīng)驗(yàn)，可以為本礦其他分層開采工作面及同類分層開采礦井特厚煤層防火提供參考。