張良飛,張士鈺

(山西焦煤集團有限責任公司 官地礦,太原 030022)

易自燃煤層防發(fā)火一直是學術研究熱點,注漿、注氮、均壓等技術措施被大量適應性地應用于各個礦井自燃防滅火中。綜放工藝由于設備笨大復雜、前期準備長、頂放部分回采率低等原因,極易著火,且發(fā)火點隱蔽性強,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間等條件,極易氧化自燃,給工作面設備安全拆除帶來了難題。結合以往拆架方面的經(jīng)驗,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。工作面采用走向長壁后退式采9#煤、放8#煤綜采低位放頂煤綜合機械化采煤方法。工作面采用副巷進風,正巷回風的“U”型通風系統(tǒng)。工作面設計可采走向長617 m,采長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)火危險因素分析

2.1 采空區(qū)漏風大具備持續(xù)供氧條件

拆架期間,通風系統(tǒng)被破壞,為遺煤自燃提供了充足的氧氣。當工作面的支架開始拆除后,架頂煤炭隨之冒落,堵塞了原有的通風斷面,局部阻力加大,迫使工作面的進風流向采空區(qū)深部擴散,增大了工作面采空區(qū)后方的漏風寬度；且這部分區(qū)域內存在大量浮煤,為自燃提供了充足的物質氧化條件。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)提供了漏風通道,又為遺煤自燃提供了蓄熱物質條件[3-4]。

2.2 拆架時間長具備氧化蓄熱時間條件

綜放工作面工藝復雜、設備笨重,不僅拆架時間長,前期準備也耗時大,為煤炭自燃發(fā)火提供了足夠的氧化蓄熱時間。

2.3 遺煤多具備蓄熱物質條件

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)內留有一條寬15～20 m,長與工作面傾斜長等長的破碎煤條帶,再加上支架和后部溜子上方的煤炭,采空區(qū)內存在大量浮煤,具有持續(xù)供氧、熱量聚集和足夠的氧化時間等條件,極易氧化自燃[5-8]。

3 拆架期間綜合防滅火技術措施

礦井火災防治作為一項系統(tǒng)工程,只靠單一的措施遠達不到預期防火效果,因此,結合官地礦28417工作面實際地質條件,提出了一套人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測、均壓減漏風雙通道快拆、注漿降溫、注氮惰化和阻化劑噴灑隔絕等方法相結合的綜合防滅火技術措施。

3.1 人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測防滅火

工作面拆架期間,加強束管預測預報工作,建立了28417工作面防滅火臺賬。對1#-38#架、39#-135#架拆架工作面回風流以及上隅角的氣體定期人工取樣化驗分析,包括CH4、CO2、CO、氣溫等,并且加大發(fā)火標志性氣體取樣頻率。同時,瓦斯員加強對各種氣體檢查,每天對每個支架后部采空區(qū)的遺煤以及支架前、后部間隙的遺煤進行一次全覆蓋的溫度、CO檢查和測量,并確保拆架工作面、回風流安設的CH4、CO、溫度傳感器準確無誤。

3.2 均壓減漏風雙通道快拆防滅火

拆架前為了減少采空區(qū)漏風,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、下隅角的堵漏風砂袋墻縮短為5 m一組,且改為雙排砂袋留入采空區(qū),進一步減少采空區(qū)漏風。在工作面收尾擴循環(huán)結束后,在上隅角垛雙層砂袋對采空區(qū)進行徹底封堵,并用黃泥抹嚴,減少采空區(qū)漏風。圖1為工作面拆架期間通風系統(tǒng)圖。

圖1 工作面拆架期間通風系統(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聯(lián)絡巷,作為正、副巷出架時的回風通道。28417綜放工作面一共有135個支架,工作面采用兩頭同時拆架工藝,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,依次往外進行拆架。

工作面拆架期間,在28417正巷皮帶頭,距28417正巷小風門20 m處安裝2臺功率為22 kW的局部通風機,對正巷1#-38#支架拆架工作面的拆架處進行供風;在28417副巷,距28417副巷口20 m處安裝2臺功率為30 kW的局部通風機,一旦39#-135#支架拆架工作面頂板垮塌,造成回風通道堵塞,立即啟用局部通風機供風進行拆架。

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

工作面采用正、副巷雙向拆架作業(yè),加快了工作進度。同時，在拆除1#-38#架時采用局部通風機供風,提高了進風隅角負壓,減少了后部采空區(qū)漏風,并且在1#-38#架拆除完畢后,提前實施永久密閉,實現(xiàn)了分段提前封閉。拆架期間風量由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,可以潤濕煤巖體,增加外在水分,為煤體降溫吸熱,同時漿液可以充填煤巖體孔裂隙,增大空氣流動阻力,進而減少煤與氧氣的接觸反應面,還使得采空區(qū)冒落煤巖快速膠結固化,增加采空區(qū)的氣密性。因此,在工作面收尾擴循環(huán)結束后出支架前,在工作面支架間隙向后部采空區(qū)補打注漿鉆孔[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。初步先在每兩個支架的間隙施工注漿鉆孔,共計施工注漿鉆孔135個,施工后發(fā)現(xiàn)若干CO涌出點及高溫點,故在局部地點施工注漿鉆孔,加大注漿量,又施工鉆孔65個,則共計施工鉆孔200個。鉆孔施工采用ZDY400型鉆機,鉆孔直徑80 mm；封孔管采用DN40 的鋼管,采用聚氨酯進行封孔,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。注漿時采用泥漿泵進行注漿,注漿材料為速凝固化劑甲乙料,注漿時與水的質量比例為1:1.5。注漿時做到每孔都注,注漿量根據(jù)實際情況確定,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

氮氣是一種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)絡巷巷道內的兩臺型號為DM-1000型的移動式注氮泵向采空區(qū)24 h不停注氮。注氮管路從注氮泵站沿28416副巷鋪設，通過中四區(qū)集中皮帶巷至28417副巷口,之后沿28417副巷鋪設至工作面機尾端頭，埋入下隅角采空區(qū)30 m,并用木垛加以保護,氮氣出氣口處管路采用1 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數(shù)大于97%的氮氣,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，增加煤巖體化學惰性，提高煤巖體氧化活化能。因此，在工作面回采至擴循環(huán)前30 m處,利用28417副巷控制列車后部設置的移動阻化泵站(阻化泵型號為BH-160/12.5-G),向工作面全長噴灑阻化劑,充分濕潤進入采空區(qū)的浮煤。噴灑阻化劑材料為氯化鎂,其質量分數(shù)由原來的15%改為20%。在拆架過程中每拆除一個支架均對其后部及采空區(qū)的浮煤進行一次阻化劑噴灑,以達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,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間,且進回風隅角漏風大,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,并且直至拆架結束一直保持在50×10-6左右；而28417工作面的CO體積分數(shù)最大為20×10-6,大部分時間段為(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 結論

人工-傳感器聯(lián)合監(jiān)測防滅火、均壓減漏風雙通道快拆防滅火、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措施的應用，在官地礦28417綜放拆架面取得了良好的效果。通過上述技術措施的實施,拆架面溫度控制在25℃左右,CO體積分數(shù)控制在10×10-6以下,工作面在40 d內安全順利地實現(xiàn)拆架封閉工作。該綜合技術措施針對性強,實施簡單,為同類礦井提供了技術借鑒。