易自燃綜放工作面快速拆架綜合防滅火技術(shù)措施應(yīng)用研究

張良飛,張士鈺

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司 官地礦,太原 030022)

易自燃煤層防發(fā)火一直是學(xué)術(shù)研究熱點(diǎn),注漿、注氮、均壓等技術(shù)措施被大量適應(yīng)性地應(yīng)用于各個(gè)礦井自燃防滅火中。綜放工藝由于設(shè)備笨大復(fù)雜、前期準(zhǔn)備長(zhǎng)、頂放部分回采率低等原因,極易著火,且發(fā)火點(diǎn)隱蔽性強(qiáng),存在重大安全隱患[1-2]。西山煤電官地礦28417綜放工作面放頂部分8#煤層為Ⅱ類易自燃煤層,遺煤多,且在距停采線15 m處為拆除支架而鋪網(wǎng),頂煤冒落在網(wǎng)上不能放出,加上工作面支架及后部溜子上方的煤炭,支架后部采空區(qū)存在一條寬20 m左右的破碎煤條帶,具備持續(xù)供氧、熱量聚集和足夠的氧化時(shí)間等條件,極易氧化自燃,給工作面設(shè)備安全拆除帶來了難題。結(jié)合以往拆架方面的經(jīng)驗(yàn),官地礦28417工作面提出了一條雙通道快速拆架綜合防滅火新思路,取得了良好效果。

1 工作面概況

官地礦28417綜放工作面開采8#、9#煤層。其中8#煤層自燃發(fā)火傾向性為Ⅱ類自燃煤層,9#煤層自燃發(fā)火傾向性為Ⅲ類不易自燃煤層。工作面蓋山厚度314～425 m,平均厚度369 m。井下位于中四采區(qū),東部為28412工作面采空區(qū),西部為28416工作面采空區(qū),上部為16405、16407、23414、23416、23418工作面采空區(qū)。3#煤與8#煤層間距約62.29 m,6#煤與8#煤層間距約22.56 m,8#煤與9#煤層間距約0.2～2.3 m。工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采9#煤、放8#煤綜采低位放頂煤綜合機(jī)械化采煤方法。工作面采用副巷進(jìn)風(fēng),正巷回風(fēng)的“U”型通風(fēng)系統(tǒng)。工作面設(shè)計(jì)可采走向長(zhǎng)617 m,采長(zhǎng)200 m。8#煤層平均厚度3.5 m(可采),9#煤層平均厚度3.21 m,8#煤與9#聯(lián)合開采平均厚度7.64 m,煤層傾角3°～20°。煤體偏脆,節(jié)理層理發(fā)育,易碎。

2 自燃發(fā)火危險(xiǎn)因素分析

2.1 采空區(qū)漏風(fēng)大具備持續(xù)供氧條件

拆架期間,通風(fēng)系統(tǒng)被破壞,為遺煤自燃提供了充足的氧氣。當(dāng)工作面的支架開始拆除后,架頂煤炭隨之冒落,堵塞了原有的通風(fēng)斷面,局部阻力加大,迫使工作面的進(jìn)風(fēng)流向采空區(qū)深部擴(kuò)散,增大了工作面采空區(qū)后方的漏風(fēng)寬度；且這部分區(qū)域內(nèi)存在大量浮煤,為自燃提供了充足的物質(zhì)氧化條件。U型采煤面本在上下隅角就容易出現(xiàn)空頂區(qū),再加上綜放面這部分煤難以放出,被大量遺留在采空區(qū),既為采空區(qū)提供了漏風(fēng)通道,又為遺煤自燃提供了蓄熱物質(zhì)條件[3-4]。

2.2 拆架時(shí)間長(zhǎng)具備氧化蓄熱時(shí)間條件

綜放工作面工藝復(fù)雜、設(shè)備笨重,不僅拆架時(shí)間長(zhǎng),前期準(zhǔn)備也耗時(shí)大,為煤炭自燃發(fā)火提供了足夠的氧化蓄熱時(shí)間。

2.3 遺煤多具備蓄熱物質(zhì)條件

由于接近停采線,需要撤架,所以在距停采線15 m處不放頂煤而為拆架鋪網(wǎng),這就使得在停采線后方采空區(qū)內(nèi)留有一條寬15～20 m,長(zhǎng)與工作面傾斜長(zhǎng)等長(zhǎng)的破碎煤條帶,再加上支架和后部溜子上方的煤炭,采空區(qū)內(nèi)存在大量浮煤,具有持續(xù)供氧、熱量聚集和足夠的氧化時(shí)間等條件,極易氧化自燃[5-8]。

3 拆架期間綜合防滅火技術(shù)措施

礦井火災(zāi)防治作為一項(xiàng)系統(tǒng)工程,只靠單一的措施遠(yuǎn)達(dá)不到預(yù)期防火效果,因此,結(jié)合官地礦28417工作面實(shí)際地質(zhì)條件,提出了一套人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測(cè)、均壓減漏風(fēng)雙通道快拆、注漿降溫、注氮惰化和阻化劑噴灑隔絕等方法相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)措施。

3.1 人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測(cè)防滅火

工作面拆架期間,加強(qiáng)束管預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作,建立了28417工作面防滅火臺(tái)賬。對(duì)1#-38#架、39#-135#架拆架工作面回風(fēng)流以及上隅角的氣體定期人工取樣化驗(yàn)分析,包括CH4、CO2、CO、氣溫等,并且加大發(fā)火標(biāo)志性氣體取樣頻率。同時(shí),瓦斯員加強(qiáng)對(duì)各種氣體檢查,每天對(duì)每個(gè)支架后部采空區(qū)的遺煤以及支架前、后部間隙的遺煤進(jìn)行一次全覆蓋的溫度、CO檢查和測(cè)量,并確保拆架工作面、回風(fēng)流安設(shè)的CH4、CO、溫度傳感器準(zhǔn)確無誤。

3.2 均壓減漏風(fēng)雙通道快拆防滅火

拆架前為了減少采空區(qū)漏風(fēng),防止煤層氧化自燃,工作面距停采線15 m開始停止放頂煤工作,并將上、下隅角的堵漏風(fēng)砂袋墻縮短為5 m一組,且改為雙排砂袋留入采空區(qū),進(jìn)一步減少采空區(qū)漏風(fēng)。在工作面收尾擴(kuò)循環(huán)結(jié)束后,在上隅角垛雙層砂袋對(duì)采空區(qū)進(jìn)行徹底封堵,并用黃泥抹嚴(yán),減少采空區(qū)漏風(fēng)。圖1為工作面拆架期間通風(fēng)系統(tǒng)圖。

圖1 工作面拆架期間通風(fēng)系統(tǒng)圖Fig.1 Ventilation system in support removal of working face

拆架前提前在工作面切眼60 m位置,即40#支架處施工一條回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷,作為正、副巷出架時(shí)的回風(fēng)通道。28417綜放工作面一共有135個(gè)支架,工作面采用兩頭同時(shí)拆架工藝,1#-38#支架經(jīng)工作面正巷拆出,39#-135#支架經(jīng)工作面副巷拆出。工作面拆除的第一個(gè)支架是40#支架,然后將39#支架作為副巷拆架方向木垛架,依次往外進(jìn)行拆架；將38#支架拆除后作為正巷拆架方向木垛架,依次往外進(jìn)行拆架。

工作面拆架期間,在28417正巷皮帶頭,距28417正巷小風(fēng)門20 m處安裝2臺(tái)功率為22 kW的局部通風(fēng)機(jī),對(duì)正巷1#-38#支架拆架工作面的拆架處進(jìn)行供風(fēng);在28417副巷,距28417副巷口20 m處安裝2臺(tái)功率為30 kW的局部通風(fēng)機(jī),一旦39#-135#支架拆架工作面頂板垮塌,造成回風(fēng)通道堵塞,立即啟用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)進(jìn)行拆架。

在28417工作面1#-38#拆架工作面的支架拆除完畢后,提前在正巷口構(gòu)筑永久密閉,對(duì)1#-38#架拆架工作面及正巷進(jìn)行永久封閉。而39#-135#架拆架工作面則繼續(xù)利用全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行供風(fēng)拆架。拆架結(jié)束永久封閉時(shí),采用具有流動(dòng)性的速凝固化劑代替黃土通過泥漿泵注入雙石墻內(nèi)做為充填材料,提高封閉質(zhì)量。

工作面采用正、副巷雙向拆架作業(yè),加快了工作進(jìn)度。同時(shí)，在拆除1#-38#架時(shí)采用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng),提高了進(jìn)風(fēng)隅角負(fù)壓,減少了后部采空區(qū)漏風(fēng),并且在1#-38#架拆除完畢后,提前實(shí)施永久密閉,實(shí)現(xiàn)了分段提前封閉。拆架期間風(fēng)量由1 200 m3/min降低至400～500 m3/min,既滿足作業(yè)要求,又降低了采空區(qū)氧化帶的含氧量,有效防止后部采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火。

3.3 注漿降溫隔絕防滅火

利用采空區(qū)注漿,可以潤(rùn)濕煤巖體,增加外在水分,為煤體降溫吸熱,同時(shí)漿液可以充填煤巖體孔裂隙,增大空氣流動(dòng)阻力,進(jìn)而減少煤與氧氣的接觸反應(yīng)面,還使得采空區(qū)冒落煤巖快速膠結(jié)固化,增加采空區(qū)的氣密性。因此,在工作面收尾擴(kuò)循環(huán)結(jié)束后出支架前,在工作面支架間隙向后部采空區(qū)補(bǔ)打注漿鉆孔[9-10]。

開孔位置在工作面支架間隙9#煤層頂板處,終孔位置在8#煤層頂板后部支架尾梁后采空區(qū)氧化帶內(nèi)。初步先在每?jī)蓚€(gè)支架的間隙施工注漿鉆孔,共計(jì)施工注漿鉆孔135個(gè),施工后發(fā)現(xiàn)若干CO涌出點(diǎn)及高溫點(diǎn),故在局部地點(diǎn)施工注漿鉆孔,加大注漿量,又施工鉆孔65個(gè),則共計(jì)施工鉆孔200個(gè)。鉆孔施工采用ZDY400型鉆機(jī),鉆孔直徑80 mm；封孔管采用DN40 的鋼管,采用聚氨酯進(jìn)行封孔,封孔深度不低于6 m。注漿鉆孔水平距為10 m,終孔垂高5 m,鉆孔水平角垂直于后部采空區(qū),傾角為27°,深度12 m。注漿時(shí)采用泥漿泵進(jìn)行注漿,注漿材料為速凝固化劑甲乙料,注漿時(shí)與水的質(zhì)量比例為1:1.5。注漿時(shí)做到每孔都注,注漿量根據(jù)實(shí)際情況確定,以鉆孔注滿或泥漿通過裂隙涌出作為停止注漿的依據(jù)。圖2為注漿鉆孔示意圖。

圖2 注漿鉆孔示意圖Fig.2 Schematic diagram of grouting drilling

3.4 注氮惰化采空區(qū)防滅火

氮?dú)馐且环N無毒不可燃惰性氣體,采空區(qū)注氮可以降低氧氣濃度,因此拆架期間,仍使用28416副巷聯(lián)絡(luò)巷巷道內(nèi)的兩臺(tái)型號(hào)為DM-1000型的移動(dòng)式注氮泵向采空區(qū)24 h不停注氮。注氮管路從注氮泵站沿28416副巷鋪設(shè)，通過中四區(qū)集中皮帶巷至28417副巷口,之后沿28417副巷鋪設(shè)至工作面機(jī)尾端頭，埋入下隅角采空區(qū)30 m,并用木垛加以保護(hù),氮?dú)獬鰵饪谔幑苈凡捎? m花管,用鐵絲網(wǎng)包裹,注氮口距巷道底板高度控制在1.5 m以上,向工作面采空區(qū)持續(xù)不間斷地注入體積分?jǐn)?shù)大于97%的氮?dú)?注氮流量不低于870 m3/h。

3.5 阻化劑噴灑隔絕防滅火

利用阻化劑可以增加煤巖體蓄水吸熱能力，形成液膜包圍煤巖體表面，增加煤巖體化學(xué)惰性，提高煤巖體氧化活化能。因此，在工作面回采至擴(kuò)循環(huán)前30 m處,利用28417副巷控制列車后部設(shè)置的移動(dòng)阻化泵站(阻化泵型號(hào)為BH-160/12.5-G),向工作面全長(zhǎng)噴灑阻化劑,充分濕潤(rùn)進(jìn)入采空區(qū)的浮煤。噴灑阻化劑材料為氯化鎂,其質(zhì)量分?jǐn)?shù)由原來的15%改為20%。在拆架過程中每拆除一個(gè)支架均對(duì)其后部及采空區(qū)的浮煤進(jìn)行一次阻化劑噴灑,以達(dá)到最佳阻化防火效果。

4 治理效果分析

圖3為28417及相鄰工作面拆架期間的溫度變化情況。由圖3可知,拆架最初15 d內(nèi),支架后方溫度普遍較高,在50℃左右。這是由于拆架初期,后方煤體已暴露一段時(shí)間,且進(jìn)回風(fēng)隅角漏風(fēng)大,部分防滅火措施還未執(zhí)行,所以出現(xiàn)發(fā)火蓄熱情形。15 d之后,溫度超過60 ℃，氧化升溫減緩,各種防滅火措施也開始發(fā)揮作用,溫度慢慢下降,自燃現(xiàn)象得到控制。20 d之后,28417拆架面溫度穩(wěn)定控制在了25℃左右,相比于相鄰工作面的40 ℃,表面溫度、發(fā)火控制良好。

圖3 拆架期間溫度變化情況圖Fig.3 Temperature variation during support removal

圖4為拆架期間CO的含量隨時(shí)間變化的情況。從圖4中可以看出,與28417相鄰的拆架工作面CO的含量皆較高,并且直至拆架結(jié)束一直保持在50×10-6左右；而28417工作面的CO體積分?jǐn)?shù)最大為20×10-6,大部分時(shí)間段為(8～9)×10-6,煤體氧化自燃得到控制,確保了工作面拆架安全。

圖4 拆架期間CO含量變化情況Fig.4 CO volume fraction variation during support removal

5 結(jié)論

人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測(cè)防滅火、均壓減漏風(fēng)雙通道快拆防滅火、注漿降溫隔絕、注氮惰化采空區(qū)和阻化劑噴灑隔絕氧氣等綜合防滅火技術(shù)措施的應(yīng)用，在官地礦28417綜放拆架面取得了良好的效果。通過上述技術(shù)措施的實(shí)施,拆架面溫度控制在25℃左右,CO體積分?jǐn)?shù)控制在10×10-6以下,工作面在40 d內(nèi)安全順利地實(shí)現(xiàn)拆架封閉工作。該綜合技術(shù)措施針對(duì)性強(qiáng),實(shí)施簡(jiǎn)單,為同類礦井提供了技術(shù)借鑒。