李更川

(準(zhǔn)格爾旗云飛礦業(yè)有限公司,內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾 010308)

0 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)煤礦開采力度的不斷加大，煤層發(fā)生自燃的問題也日漸嚴(yán)重。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采空區(qū)自燃已經(jīng)占到了煤礦火災(zāi)的60%。對(duì)于防滅火技術(shù)我國(guó)學(xué)者也提出很多創(chuàng)新性的方法，例如郝建國(guó)[1]提出利用地面灌注復(fù)合膠體作為注漿材料，以聚脲酸酯高分子發(fā)泡材料封堵漏風(fēng)通道，并通過(guò)地面灌注液態(tài)氮?dú)夂偷孛婀嘧⒆杌瘎┫嘟Y(jié)合的方式使得火區(qū)安全得到保障；付向明[2]提出均壓與注氮相結(jié)合，間斷性向采空區(qū)進(jìn)行注氮；李琨[3]利用原有探水鉆孔圈定上部采空區(qū)異常高溫區(qū)，在已有黃泥灌漿系統(tǒng)與注氮系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增設(shè)三相阻化泡沫系統(tǒng)，形成集監(jiān)控、防治、處理于一體的采空區(qū)火災(zāi)治理系統(tǒng)。王坤[4]研究了注氮流量和“三帶”的分布規(guī)律之間的關(guān)系，確定了注氮深度和注氮流量；蘇偉偉[5]針對(duì)煤層特厚、易自燃、含矸率高、頂板破碎等基本特征，認(rèn)為采空區(qū)丟煤嚴(yán)重、端頭漏風(fēng)量大、初采準(zhǔn)備期和回撤期長(zhǎng)等問題是誘發(fā)綜放采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因。范廣龍[6]等重點(diǎn)關(guān)注通風(fēng)系統(tǒng)平衡點(diǎn)，根據(jù)氣壓值變化及時(shí)調(diào)整風(fēng)窗開口大小以達(dá)到實(shí)時(shí)均壓的目的。

由于串草圪旦煤礦煤層賦存淺，采空區(qū)與地表之間容易出現(xiàn)裂隙，在開采過(guò)程中極易產(chǎn)生大量漏風(fēng)，且煤層為易自燃煤層，易造成采空區(qū)遺煤氧化。所以最為直接且最有效的方法就是以均壓通風(fēng)為主，封堵漏風(fēng)和防滅火材料為輔，從根本上解決遺煤氧化的問題。另一方面因工作面采用綜放開采導(dǎo)致采空區(qū)遺煤較多，這也是易發(fā)生火災(zāi)的一大誘因，所以隔氧降溫是從源頭上控制了遺煤氧化。本文以6105工作面為例，對(duì)6105工作面停采期間采取多種采空區(qū)防滅火措施，保證了煤礦的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

6105工作面位于一水平一盤區(qū)6煤層，工作面以北為主運(yùn)大巷保護(hù)煤柱。以東為6104綜放工作面，已回采完畢。以西為6106綜放工作面，已回采完畢。以南無(wú)采掘工程。上覆4、5煤層無(wú)采掘工程。工作面煤層埋深130～150 m。煤層總體發(fā)育呈東北高，西南低。煤層傾角由南向北、由西向東逐漸增大。煤層厚度9.6～15.4 m，平均12.3 m。傾角平均5°，自燃傾向性等級(jí)為I級(jí)，最短自然發(fā)火期為46天。6105工作面傾斜長(zhǎng)度為141 m，工作面安裝有83臺(tái)液壓支架，采高為3.8 m，放頂煤高度8.5 m，且煤層厚度不穩(wěn)定，部分7～8 m，甚至?xí)_(dá)到12 m。

根據(jù)工作面在9月初進(jìn)行的架后采空區(qū)氣體分析，回風(fēng)側(cè)架后測(cè)得CO濃度為20×10-6，工作面67架后在9月6日測(cè)得CO濃度為189×10-6，表明工作面架后采空區(qū)遺煤正持續(xù)氧化、蓄熱。此時(shí)工作面已推進(jìn)715 m。由于工作面已停采25天且復(fù)工時(shí)間未定，故為防止長(zhǎng)時(shí)間停采導(dǎo)致采空區(qū)遺煤氧化，已采取以下措施：①工作面從初采至今一直采用均壓措施防止采空區(qū)漏風(fēng)；②停采期間工作面兩班注氮，流量在500 m3/h；③工作面全長(zhǎng)噴灑且開始架后灌注阻化劑，進(jìn)行架后遺煤阻化；④持續(xù)加強(qiáng)采空區(qū)氣體監(jiān)測(cè)與分析。

2 自燃防治的思路

根據(jù)停采時(shí)間及工作面現(xiàn)場(chǎng)情況，針對(duì)其淺埋深的特點(diǎn)，最有效且從根本上防止遺煤氧化的方法就是實(shí)行均壓通風(fēng)和封堵漏風(fēng)相結(jié)合；另外針對(duì)煤質(zhì)易自燃的特點(diǎn)，需要考慮降低氧氣濃度來(lái)實(shí)現(xiàn)隔氧降溫。所以綜合以上提出工作面兩端封堵漏風(fēng)和對(duì)架后遺煤進(jìn)行隔氧、降溫相結(jié)合的治理思路：

2.1 封堵漏風(fēng)

煤炭氧化的基礎(chǔ)條件是煤與氧氣接觸[8]，所以減少漏風(fēng)是最直接的控制煤自燃的手段之一。具體操作可以在工作面兩端頭進(jìn)行普瑞特II注漿充填，封堵漏風(fēng)通道，進(jìn)一步減少采空區(qū)漏風(fēng)，使得采空區(qū)內(nèi)部的氧氣濃度降低以抑制煤自燃；

2.2 對(duì)架后遺煤進(jìn)行隔氧、降溫

治理過(guò)程分為三步：首先工作面全長(zhǎng)打測(cè)溫、測(cè)氣鉆孔，確定工作面采空區(qū)不同深度的氧氣濃度分布及CO等標(biāo)志性氣體的含量；其次針對(duì)測(cè)得CO等標(biāo)志性氣體濃度高的測(cè)點(diǎn)前后補(bǔ)打加密探測(cè)鉆孔，進(jìn)一步判斷煤炭氧化重點(diǎn)區(qū)域；最終根據(jù)氣體及溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)確定隱患治理深度，并進(jìn)行工作面全長(zhǎng)架后打鉆灌注普瑞特I防滅火材料進(jìn)行覆蓋，保持采空區(qū)遺煤持久隔氧、降溫，針對(duì)重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)注漿治理。

表1 防治遺煤氧化注漿鉆孔參數(shù)表

3 防滅火綜合治理措施

3.1 工作面兩端封堵漏風(fēng)

考慮工作面兩端頭采空區(qū)垮落、壓實(shí)情況相對(duì)較差，故選擇普瑞特II型充填防滅火材料進(jìn)行漏風(fēng)通道封堵，減少漏風(fēng)。

圖1 防治遺煤氧化注漿鉆孔布置示意圖

3.1.1 封堵區(qū)域

封堵區(qū)域?yàn)檫M(jìn)、回風(fēng)隅角及各向工作面延伸5架范圍內(nèi)。

3.1.2 注漿鉆孔布置

通過(guò)進(jìn)、回風(fēng)隅角及兩端頭架間，向采空區(qū)遺煤中打設(shè)鉆孔，鉆孔仰角打設(shè)，終孔高度距底板之上3～4 m，鉆孔進(jìn)入煤體5～10 m。在兩隅角位置各布置2～3個(gè)孔，鉆孔按扇形布置。在工作面兩端則每個(gè)架間施工一個(gè)鉆孔。進(jìn)風(fēng)隅角由于頂板垮落不佳，鉆孔布置好后，則靠近架后打設(shè)袋子墻或板閉或者吊掛風(fēng)筒布等臨時(shí)封堵設(shè)施。每個(gè)鉆孔施工完成后應(yīng)及時(shí)檢測(cè)孔內(nèi)氣體情況，并做好記錄、分析，根據(jù)氣體檢測(cè)情況，對(duì)打鉆注漿方案進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.2 采空區(qū)氣體及溫度檢測(cè)

由于工作面采用均壓通風(fēng)措施，故針對(duì)采空區(qū)各氣體情況需加強(qiáng)檢測(cè)以指導(dǎo)下一步防滅火工作。

圖2 工作面兩端頭袋子墻及注漿充填封堵示意圖

3.2.1 架后煤體表面檢測(cè)

采用紅外熱成像溫度檢測(cè)儀檢測(cè)工作面全長(zhǎng)架后煤體表面溫度，并做好記錄，查看有無(wú)溫度異常區(qū)域。

3.2.2 架后采空內(nèi)部檢測(cè)

工作面從進(jìn)風(fēng)端至回風(fēng)端每隔40 m左右，從支架架間向采空區(qū)打一個(gè)探測(cè)鉆孔，鉆孔沿工作面推采方向平行煤層底板鉆進(jìn)，開孔高度距底板2～3 m，具體開孔高度根據(jù)實(shí)際穩(wěn)鉆情況進(jìn)行調(diào)整，鉆孔要求最終深度為50 m。①每個(gè)鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中，每鉆進(jìn)10 m停鉆，然后采用負(fù)壓抽氣泵抽取孔內(nèi)氣樣，進(jìn)行色譜分析；②鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程中不進(jìn)行孔內(nèi)溫度測(cè)量，孔內(nèi)溫度測(cè)量工作在鉆孔施工完成若干小時(shí)以后進(jìn)行。優(yōu)先進(jìn)行氣體檢測(cè)工作，溫度測(cè)量后續(xù)可根據(jù)情況持續(xù)開展。

3.2.3 檢測(cè)

對(duì)目前測(cè)得的CO氣體濃度較高的測(cè)點(diǎn)前后10架范圍內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)化檢測(cè)，進(jìn)一步查找遺煤氧化升溫區(qū)域。

3.3 工作面全長(zhǎng)架后注漿治理

為防止架后采空區(qū)內(nèi)遺煤長(zhǎng)時(shí)間氧化蓄熱，針對(duì)工作面全長(zhǎng)架后遺煤區(qū)域打鉆灌注普瑞特I防滅火材料，進(jìn)行全面覆蓋、隔氧降溫。結(jié)合普瑞特Ⅰ型防滅火材料特性，針對(duì)治理范圍一般每隔3臺(tái)液壓支架在架間布置一組注漿鉆孔，鉆孔深、淺布置，采用專用一次性防滅火鉆頭、防滅火鉆桿配合氣動(dòng)架柱式鉆機(jī)或電動(dòng)鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔。架后采空區(qū)遺煤治理分為兩部分：一是支架后尾梁頂部的淺部松散遺煤區(qū)域，二是根據(jù)前期氣體檢測(cè)分析得出的采空區(qū)遺煤“氧化帶”區(qū)域。在前期氣體及溫度檢測(cè)工作完成之前，淺部鉆孔設(shè)計(jì)終孔點(diǎn)為架后8 m、煤層底板以上6 m左右位置，架間注漿鉆孔設(shè)計(jì)如圖3所示。及時(shí)抽取鉆孔頂部氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并準(zhǔn)確記錄，以便具體了解采空區(qū)遺煤氧化情況。鉆孔參數(shù)見表2。

圖3 架間鉆孔示意圖

表2 鉆孔參數(shù)表

3.4 其他措施

(1) 加強(qiáng)工作面的氣體監(jiān)測(cè)工作，工作面可每隔10架設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，CO氣體濃度較高的區(qū)域應(yīng)增補(bǔ)檢測(cè)點(diǎn)。

(2) 由于工作面埋深淺，地表裂隙發(fā)育，漏風(fēng)隱患明顯，加強(qiáng)地表裂隙回填施工工作，從源頭治理漏風(fēng)。

(3) 停采期間，應(yīng)加強(qiáng)通風(fēng)管理，保證工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定。

(4) 停采期間，注漿施工前后，工作面都應(yīng)持續(xù)注氮、惰化采空區(qū)，同時(shí)做好工作面內(nèi)氧氣濃度的監(jiān)測(cè)工作。

4 治理效果分析

如圖4所示，在9月9日對(duì)6015工作面實(shí)行封堵、監(jiān)測(cè)等綜合防滅火措施后，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間觀察上隅角CO濃度總體呈下降趨勢(shì)，且最后維持在12～16PPM之間，且也沒有檢測(cè)到C2H4出現(xiàn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明采取的綜合防滅火技術(shù)取得了明顯成效，有效控制了采空區(qū)遺煤氧化以及采空區(qū)自然發(fā)火問題。

圖4 上隅角CO濃度變化

5 結(jié)論

(1) 結(jié)合6105工作面煤層賦存特性和發(fā)火特點(diǎn)，分析得出該工作面采空區(qū)遺煤氧化的主要原因是地表漏風(fēng)、由于采用放頂煤開采導(dǎo)致的采空區(qū)較多遺煤以及工作面停采。

(2) 針對(duì)其淺埋深、易自燃、破碎煤等特點(diǎn)，從源頭遏制采空區(qū)遺煤氧化，分別對(duì)工作面兩端進(jìn)行封堵漏風(fēng)、對(duì)工作面全長(zhǎng)進(jìn)行注漿處理和均壓通風(fēng)相結(jié)合的綜合治理方案，以達(dá)到立體化防護(hù)的目的。

(3) 實(shí)行綜合治理方案后工作面回風(fēng)隅角CO濃度保持在12～16PPM之間，表明有效控制了采空區(qū)煤炭氧化，從根本上防止了采空區(qū)火災(zāi)的發(fā)生。