武文慶

(汾西礦業(yè)集團(tuán) 高陽(yáng)煤礦， 山西 孝義 032300)

礦井火災(zāi)是危害礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一,由煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%以上。常規(guī)的礦井防滅火措施有注漿、注氮、灑阻化劑等，主要應(yīng)用于工作面采煤時(shí)采空區(qū)的防滅火。山西焦煤汾西礦業(yè)集團(tuán)公司大多數(shù)礦井開(kāi)采煤層有自燃傾向，工作面在正常開(kāi)采推進(jìn)的過(guò)程中，常規(guī)的防滅火措施效果較為明顯，但在工作面回收期間，常規(guī)措施不能有效杜絕煤炭自然發(fā)火，嚴(yán)重危害礦井安全生產(chǎn)。

1 概 況

汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽(yáng)煤礦31108工作面位于孝義市賢者村北約900 m，西曹村西南約1 000 m，地表有黃土覆蓋。地面標(biāo)高+885～+950 m，工作面標(biāo)高+540～+660 m，蓋山厚度平均為317 m. 開(kāi)采太原組9-10-11#煤層，煤層最小厚度8.04 m，最大厚度9.36 m，平均厚度8.7 m. 煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤巖層傾角平均為8°. 煤種為瘦煤，穩(wěn)定可采。工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為0.79 m3/min；煤塵具有爆炸性，爆炸性指數(shù)為22.63%；煤層自燃傾向性為自燃，傾向性等極為Ⅱ類(lèi)，最短自然發(fā)火期為83天。

采用傾向長(zhǎng)壁綜合機(jī)械化低位放頂煤采煤法，割煤高度2.7 m，放煤高度6 m，采放比為1∶2.2. 工作面共有135臺(tái)支架，當(dāng)工作面采至距停采線位置20 m時(shí)停止放頂煤。

2 煤炭自然發(fā)火的防治原則

煤炭自燃的3個(gè)必備條件中，僅切斷其中一個(gè)條件就能有效預(yù)防煤炭自燃。3個(gè)條件中，第一條“易于低溫氧化的粉煤或碎煤呈堆積狀態(tài)存在”，為客觀存在的不可消除因素。因此，預(yù)防煤炭自燃控制的條件關(guān)鍵在于控制第二條“存在適宜的通風(fēng)供氧條件”及第三條“煤體中存在的熱量不易散發(fā)”，即降低煤體中的含氧及給煤體降溫，就可有效防止煤炭的自燃。

3 采空區(qū)“垂直三帶”的劃分

采空區(qū)“三帶”一般劃分為通風(fēng)散熱帶、氧化帶、窒息帶。

“垂直三帶”的測(cè)試：在31108運(yùn)輸巷(回風(fēng))距停采線20 m處的巷道煤幫(面對(duì)工作面)掘一個(gè)2.1 m×2.1 m×2.1 m的鉆場(chǎng)，從鉆場(chǎng)施工2號(hào)、3號(hào)兩個(gè)取氣鉆孔，鉆孔終孔分別位于停采后支架上部10 m和20 m. 1號(hào)鉆孔垂高較低，直接用錨桿機(jī)對(duì)支架上方打鉆(孔深5 m)取氣。鉆孔內(nèi)插入d25 mm套管，下到終孔位置，套管出口端1 m加工成花管，套管內(nèi)插入束管，封嚴(yán)鉆孔，封孔長(zhǎng)度不小于1 m. 當(dāng)工作面停采時(shí)開(kāi)始取氣，并記錄數(shù)據(jù)，見(jiàn)表1.

表1 支架上部鉆孔氣體濃度表

通過(guò)數(shù)據(jù)匯總分析，得出31108綜放工作面距煤層底板20 m以上高度的氧含量為6.7%，該高度以上空間為窒息帶；距煤層底板4 m(支架上方1 m)的氧含量為18%，該高度以下空間為通風(fēng)散熱帶；煤層底板以上5～20 m的空間氧含量為17.8%～6.7%，該空間為氧化帶。

4 綜放回收工作面易自然發(fā)火地點(diǎn)“三道線”確定

1) 第一道線。

第一道線為采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界帶。根據(jù)2018年高陽(yáng)煤礦采空區(qū)“三帶”研究結(jié)果，綜放工作面在不采取注氮措施時(shí)“三帶”劃分為通風(fēng)散熱帶0～28 m，氧化帶為28～105 m，窒息帶為105 m以內(nèi)；在采取注氮惰化的情況下，采空區(qū)約30 m以里為窒熄帶，15～30 m為氧化帶，0～15 m為散熱帶。如停采、回撤支架時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，采空區(qū)氧化帶與窒熄帶交界帶(采空區(qū)內(nèi)15～30 m)的浮煤將進(jìn)一步氧化，極易自燃，一旦這些地點(diǎn)自燃，其升高的一氧化碳?xì)怏w將很快涌入工作面，造成一氧化碳超限?！暗谝坏婪阑鹁€”示意圖見(jiàn)圖1.

圖1 “第一道防火線”示意圖

2) 第二道線。

第二道線為采空區(qū)冷卻帶上方的氧化帶。由于綜放工作面做停采工序時(shí)20 m以外不放頂，工作面推進(jìn)后造成采空區(qū)0～20 m大量碎煤堆積，碎煤不僅在水平方向堆積，而且在垂直方向也有一定量的堆積，雖然工作面切頂線以里15 m范圍為采空區(qū)冷卻帶，其下部浮煤不易自然發(fā)火，但其上部堆積的碎煤處于漏風(fēng)較小、供氧適宜、氧化生成的熱量不易被帶走的氧化帶中，容易自然發(fā)火。特別是切頂線以里10 m范圍內(nèi)的區(qū)域，采空區(qū)更易自然發(fā)火。

3) 第三道線。

第三道線為支架上部1 m以上存煤帶。高陽(yáng)煤礦31108工作面平均煤厚8.7 m，采高2.7 m，結(jié)合“垂直三帶研究”結(jié)論得出支架上方1 m以上，頂煤氧含量一般為15%～18%(該含量是最易氧化的氧含量范圍)，因此支架上方1 m至頂板8.7 m處的碎煤帶為31108工作面第三道線。

“第二、三道防火線”示意圖見(jiàn)圖2.

圖2 “第二、三道防火線”示意圖

5 綜放回收工作面“三道線”防火技術(shù)

1) 第一道防火線。

第一道防火線為采空區(qū)埋管注氮防滅火。根據(jù)上述分析，支架回收時(shí)，采空區(qū)氧化帶與窒息帶交界處最易氧化自燃，注漿時(shí)漿液不易到達(dá)，最有效的防火方法是用氮?dú)饨档驮撎幍难鯕夂?，抑制其氧化。因此，回收期間利用采空區(qū)埋管連續(xù)注氮?dú)?，直至全部回收完畢[1].

為了能有效惰化采空區(qū)氧化帶，向采空區(qū)埋入兩根注氮管，一根注氮管埋入采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)以里30 m處，主要降低氧化帶和窒息帶交界處浮煤的氧含量;另一根注氮管埋入采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)以里20 m處，主要降低氧化帶前半部氧含量，兩根注氮管注氮總流量不少于600 m3/h，氮?dú)饧兌葹?8%，注氮方式為連續(xù)注氮?dú)?。第一道防火線注氮防火示意圖見(jiàn)圖3.

圖3 第一道防火線注氮防火示意圖

為及時(shí)掌握第一道防火線內(nèi)的氣體情況，便于調(diào)整注氮量，有效保證防滅火安全，在工作面回風(fēng)順槽，沿上隅角向采空區(qū)留設(shè)20 m束管，束管監(jiān)測(cè)示意圖見(jiàn)圖4. 每天對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行自動(dòng)采樣分析，每3天進(jìn)行人工采樣對(duì)比分析。人工采樣數(shù)據(jù)分析結(jié)果見(jiàn)表2.

圖4 第一道防火線束管監(jiān)測(cè)示意圖

表2 人工采樣數(shù)據(jù)分析表

由表2可知，采取防火線技術(shù)措施后第一道防火線內(nèi)CO濃度由0.014 2%降到0.002 1%，O2濃度由17.6%降到6.9%，溫度由32 ℃降到19 ℃，將防火線內(nèi)CO、O2濃度及溫度控制到防滅火技術(shù)要求范圍內(nèi)。

2) 第二道防火線。

第二道防火線是高位鉆孔注水、注氮防滅火。每5臺(tái)支架向支架尾梁上方打鉆孔1個(gè)，開(kāi)孔位置距前梁端頭2.2 m，d50 mm，鉆孔分為26°、36°兩個(gè)角度交替進(jìn)行。鉆孔角度為26°時(shí)，孔深13 m，鉆孔終孔位于切頂線后10 m的煤層頂板中；鉆孔角度為36°時(shí)，孔深10 m，鉆孔終孔位于切頂線后5 m的煤層頂板中，以打透到采空區(qū)為準(zhǔn)。鉆孔施工到位后，不拔鉆桿，進(jìn)行注水、注氮，特別是有異常的支架還必須補(bǔ)充鉆孔。鉆孔完成后先進(jìn)行注水，直到采空區(qū)遺煤全部濕潤(rùn)后，改注水為注氮，煤層干燥后再進(jìn)行注水，注氮、注水依次交替進(jìn)行。根據(jù)高陽(yáng)煤礦21103、31108、31114等多個(gè)回收工作面對(duì)注水后數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，每個(gè)注水鉆孔可以覆蓋直徑約5 m的范圍。第二道防火線高位鉆孔注水、注氮防火示意圖見(jiàn)圖5.

圖5 高位鉆孔注水、注氮防火示意圖

第二道防火線內(nèi)的氣體監(jiān)測(cè)方法，每10臺(tái)支架打一個(gè)角度30°，孔深11 m的鉆孔,鉆孔終孔位置位于切頂線后5～10 m的煤層頂板中，鉆孔施工到位后，不拔鉆桿，在鉆桿內(nèi)安設(shè)束管，并封堵好孔口。每天對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行自動(dòng)采樣分析，每3天對(duì)人工采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，見(jiàn)表3.

表3 人工采樣數(shù)據(jù)分析表

由表3可知，采取措施后第二道防火線CO、O2濃度控制到防滅火技術(shù)要求范圍內(nèi)。

3) 第三道防火線。

第三道防火線為支架上部打鉆注水、注氮。在支架上方打鉆進(jìn)行目標(biāo)注水降溫和注氮降氧，其方法為：每隔1架支架從架縫向支架上方打鉆，鉆孔角度為60°、50°交替進(jìn)行，鉆孔d50 mm，終孔位置以打到采空區(qū)頂板為準(zhǔn)。每個(gè)鉆孔每天注水30 min，注水期間隨時(shí)觀察水溫，如果水溫超過(guò)28 ℃，則說(shuō)明這架支架上方浮煤正在氧化升溫，立即對(duì)支架進(jìn)行注氮降氧[2]. 第三道防火線小鉆孔注水、注氮防火示意圖見(jiàn)圖6.

圖6 小鉆孔注水、注氮防火示意圖

6 效果分析

1) 采空區(qū)“垂直三帶”的確定，為支架上部防滅火提供了理論支持。

2) 31108工作面回收時(shí)，利用“三道線”防滅火技術(shù)，有效防止了工作面的自然發(fā)火，確保了工作面安全回收。

3) 31108工作面回收期間，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)順槽30 m和20 m處(第一道防火線)分別埋設(shè)一根注氮管進(jìn)行注氮，完全惰化自燃帶，有效防止了采空區(qū)自然發(fā)火。

4) 對(duì)31108工作面第二、三道防火線進(jìn)行目標(biāo)注水降溫配合目標(biāo)注氮降氧，有效治理了工作面出現(xiàn)的自然發(fā)火異常點(diǎn)。

5) 工作面采用一天一次束管自動(dòng)采樣分析和三天一次的人工取樣對(duì)比分析的防滅火監(jiān)測(cè)方法，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有利于及時(shí)發(fā)現(xiàn)采空區(qū)氣體異常，為治理采空區(qū)自燃提供了可靠的依據(jù)。

6) 注氮防火措施效果明顯，管理方便，但如果注氮量過(guò)大，將會(huì)降低工作面氧氣濃度，因此應(yīng)掌握好注氮量，才能確保作業(yè)人員的安全。

7 結(jié) 語(yǔ)

以采空區(qū)“垂直三帶”“三道線”作為回收工作面防滅火工作的理論依據(jù)，并針對(duì)各道防線采取了針對(duì)性的防滅火技術(shù)措施。工作面回收時(shí)采用立體防火技術(shù)，建立三道防火線，能有效地防止工作面的自然發(fā)火，保障工作面安全回收，但采空區(qū)自然發(fā)火防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有及時(shí)回收支架并封閉采空區(qū)，才是防止采空區(qū)自然發(fā)火的根本措施。