傾斜分層大采高綜采工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究

徐志強(qiáng) 邵小平

摘要：根據(jù)杭來灣煤礦30105回采工作面工程概況，采取了注漿、注氮、噴灑阻化劑、正規(guī)組織生產(chǎn)等綜合防滅火技術(shù)，有效地防止了采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火，對類似地質(zhì)的礦井有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)；防滅火技術(shù)；煤層自燃

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.10.096

1工程概況

杭來灣煤礦3號(hào)煤屬特厚煤層，煤層厚度8.27m～10.66m，平均厚度為9.13m。煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類，屬于容易自燃煤。采煤方法為傾斜分層大采高復(fù)合假頂綜合機(jī)械化采煤法，開采高度5.0m左右。30105上回采工作面采用傾向長壁采煤法，工作面采用后退式開采，工作面長度為299.5米，推進(jìn)長度4310米。為了保證綜采工作面的安全生產(chǎn)，杜絕采空區(qū)自燃發(fā)火，結(jié)合我礦目前防滅火技術(shù)條件，決定在30105上綜采工作面采用以灌漿為主，以注氮?dú)夂蛧姙⒆杌瘎檩o的綜合防滅火措施。

230105上回采工作面采空區(qū)綜合防滅火技術(shù)

2.1灌漿防滅火

（1）粉煤灰泥漿灌漿步距：根據(jù)我礦自燃發(fā)火期和綜采工作面推進(jìn)速度確定粉煤灰泥漿灌漿步距定為180米一注。如遇特殊時(shí)期隨時(shí)進(jìn)行注漿。

（2）粉煤灰泥漿灌漿生產(chǎn)工藝：①灌漿方法：采用采空區(qū)密閉墻預(yù)埋管隨采隨灌生產(chǎn)工藝，粉煤灰泥漿灌漿時(shí)水灰比為4∶1。②管路敷設(shè)：由地面注漿站使用DN159鋼管作為粉煤灰泥漿注漿管路，此管路布置路線為：回風(fēng)斜井—回風(fēng)大巷—30105工作面輔運(yùn)順槽（回風(fēng)順槽）—30105工作面采空區(qū)密閉墻。注漿連接軟管與采空區(qū)預(yù)埋注漿管相對應(yīng)，隨工作面推進(jìn)不斷前移。③在工作面初次放頂前20米時(shí)，對采空區(qū)上、下隅角進(jìn)行粉煤灰泥漿灌漿。以后每隔100米對采空區(qū)上、下隅角注漿一次。最后，在工作面停采時(shí)對采空區(qū)上、下隅角注漿一次。④當(dāng)工作面上隅角出現(xiàn)自燃發(fā)火隱患時(shí)，在工作面內(nèi)每隔15道架向采空區(qū)打鉆，利用鉆孔向采空區(qū)進(jìn)行粉煤灰泥漿灌漿，直至自燃發(fā)火隱患消失。⑤支架上方出現(xiàn)高溫點(diǎn)或明火時(shí)，向支架上方打鉆灌漿。工作面需連續(xù)停采三天以上時(shí)，對上、下隅角進(jìn)行灌漿。

（3）灌漿量計(jì)算。

礦井日灌漿量計(jì)算公式為：

Q=∑ni=1QWi，其中QWi=GWh（δ+1）MρCHLN

式中：Q—礦井日灌漿量，m3/d；n—同時(shí)回采工作面?zhèn)€數(shù)，礦井移交時(shí)布置1個(gè)工作面，則n=1；Qwi—第i個(gè)工作面日灌漿量，m3/d；G—工作面日產(chǎn)煤量，24242t/d；W—沿工作面布置方向灌漿寬度，取250m；h—漿液覆蓋厚度，取0.25m；

δ—土水比，灌漿水土比確定為4；M—漿液制成率，0.9；ρc—煤的密度，1.32t/m3；H—工作面回采高度，取5m；L—工作面長度，300m；N—灌漿添加劑防滅火效率因子的數(shù)值，取206。經(jīng)過計(jì)算，Q=1671.6（m3/d）。

設(shè)計(jì)取Q=1675m3/d，則每小時(shí)灌漿量Q=1675m3/h。礦井日灌漿所需材料量為：

Qt=KtQδ+1

式中：Qt—日灌漿所需材料量，m3/d；Kt—日取灌漿材料系數(shù)，取1.1；經(jīng)過計(jì)算，Qt=368.5（m3/d）。

2.2采空區(qū)注氮?dú)夥罍缁?/p>

2.2.1注氮量計(jì)算

（1）按產(chǎn)量計(jì)算。

按產(chǎn)量計(jì)算的實(shí)質(zhì)就是向采空區(qū)注入一定流量的氮?dú)猓杌刻觳擅核纬傻目臻g體積，使其氧化濃度降低到惰化指標(biāo)所需要的注氮流量，可按下式計(jì)算：

Qn=A/（1440ρtη1η2）·（C1/C2-1）

式中：Qn—注氮流量，m3/min；A—年產(chǎn)量，綜采工作面為8.0Mt/a；t—年工作日，取330d；ρ—煤的容重，取1.32t/m3；η1—管路輸?shù)?，?.90；η2—注氮防火效率，取0.60；C1—采空區(qū)平均含氧量，取20.8%；C2—采空區(qū)防火惰化指標(biāo)，按7%。經(jīng)過計(jì)算，Qn1≈2800m3/h。

（2）按瓦斯量計(jì)算。

Qn=QC/（1.0-C）

式中：Qn—注氮流量，m3/min；Q—工作面風(fēng)量，取1500m3/min；C—工作面回風(fēng)巷中的瓦斯?jié)舛?，?%。經(jīng)過計(jì)算，Qn1=912m3/h。

（3）按采空區(qū)氧化帶氧濃度計(jì)算。

Qn=（C1-C2）×QNCN+C2-1，

式中：Qn—注氮流量，m3/min；QV-采空區(qū)氧化帶的漏風(fēng)量，取12m3/min；C1-采空區(qū)氧化帶內(nèi)原始氧濃度；C2-注氮防火惰化指標(biāo)，取7%；CN-注入氮?dú)庵械牡獨(dú)鉂舛龋?8.5%。經(jīng)過計(jì)算，Qn=654m3/h。

綜合上述計(jì)算，井下3號(hào)煤上分層綜采工作面注氮量Qn=2800m3/h。

2.2.2制氮設(shè)備選型

（1）設(shè)計(jì)依據(jù)。

礦井投產(chǎn)時(shí)，井下裝備1個(gè)綜采工作面，防滅火需要注氮量為2800m3/h，制氮機(jī)組工作地點(diǎn)標(biāo)高約為+1020.00m。

（2）制氮設(shè)備選型。

計(jì)入輸?shù)苈仿鈸p失及海拔高度對制氮機(jī)組空氣壓縮機(jī)排氣量的影響等因素后，設(shè)計(jì)計(jì)算綜采工作

面所需制氮設(shè)備氮?dú)猱a(chǎn)量Q=3393.6m3/h?？紤]到本礦井實(shí)際條件，為減少輸送氮?dú)夤苈仿鈸p失和管路沿程阻力損失，設(shè)計(jì)確定選用井下移動(dòng)式碳分子篩變壓吸附制氮設(shè)備，并且為不增加井下供水量，節(jié)省制氮機(jī)組冷卻用水的供給和排出費(fèi)用，冷卻方式選用風(fēng)冷式。

根據(jù)計(jì)算所需制氮設(shè)備氮?dú)猱a(chǎn)量，選用4套DT-1000型井下移動(dòng)式碳分子篩制氮機(jī)組，4套機(jī)組同時(shí)工作。每套制氮裝置的主要技術(shù)參數(shù)為：氮?dú)猱a(chǎn)量：1000Nm3/h；氮?dú)饧兌龋骸?8%；輸出壓力：0.6MPa可調(diào)；裝機(jī)功率：321kW；主電動(dòng)機(jī)電壓：660V；冷卻方式：風(fēng)冷。制氮設(shè)備放置于輔運(yùn)大巷制氮硐室內(nèi)，通過輸?shù)苈穼⒌獨(dú)馑椭辆C采工作面。

（3）氮?dú)廨斔凸苈贰?/p>

氮?dú)廨斔凸苈饭軓桨凑掌漭斔途嚯x最遠(yuǎn)點(diǎn)壓力損失不超過0.1MPa計(jì)算確定，計(jì)算氮?dú)廨斔凸苈穬?nèi)徑185.79mm，氮?dú)廨斔凸苈愤x用219煤礦井下用聚乙烯管，氮?dú)廨斔凸苈费鼐C采工作面運(yùn)輸巷鋪設(shè)一趟，長度約4500m。

（4）采空區(qū)注氮方法。

井下注氮硐室注氮泵與順槽注氮管路連接，當(dāng)工作面采過預(yù)埋管時(shí)，運(yùn)行注氮機(jī)組，產(chǎn)生的高壓氮?dú)馔ㄟ^注氮管路向采空區(qū)注氮。注氮系統(tǒng)路線：制氮機(jī)—30105工作面輔運(yùn)順槽—30105工作面采空區(qū)。

2.3使用阻化劑防滅火

采用化學(xué)物質(zhì)噴灑煤體表面是國內(nèi)外正在使用的一種防止煤炭自燃的方法，即采用無機(jī)鹽類化合物與水配制成溶液。對采空區(qū)遺煤進(jìn)行噴灑形成一種很薄的膜，使煤體表面不能發(fā)生氧化；另一方面保持煤體的水分不至于散發(fā)，防止煤炭自燃。根據(jù)使用阻化劑進(jìn)行防滅火的經(jīng)驗(yàn)，采用Cacl2作為阻化劑，利用BH40阻化劑噴灑泵，通過管路在工作面每完成一個(gè)循環(huán)對采空區(qū)遺煤，工作面上、下隅角噴灑一次。

2.4加強(qiáng)采空區(qū)出口、聯(lián)巷的封閉，防止火災(zāi)事故

工作面聯(lián)巷的封閉方法，采用混凝土及磚墻砌筑，填充鵝卵石與高分子密閉堵水材料。內(nèi)墻為1000mm混凝土墻，外墻為1000mm磚墻，兩墻距離500mm，中間用鵝卵石及高分子材料充填，密閉墻掏槽要求與采區(qū)防火密閉一致，根據(jù)要求留出觀測孔、措施孔、反水管等。

3防滅火安全技術(shù)措施

（1）灌漿開通前即實(shí)行探放水，待水壓力充分釋放后再實(shí)施灌漿工作。

（2）注氮時(shí)對注氮管路進(jìn)行檢查，注氮時(shí)必須檢查工作面及其回風(fēng)巷中氧氣濃度，氧氣濃度不低于20%，否則采取措施進(jìn)行處理。

（3）注氮時(shí)必須對工作面風(fēng)量進(jìn)行測定，保證工作面風(fēng)量1800m3/min，如果發(fā)現(xiàn)風(fēng)量不足，必須采取措施處理，保證工作面風(fēng)量。

（4）保證工作面監(jiān)測探頭能夠持續(xù)正常工作，連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)氣體成分的變化情況，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)告處理。