李 偉

(華晉焦煤有限責(zé)任公司 沙曲二號(hào)煤礦， 山西 柳林 033300)

煤自燃是礦井的五大災(zāi)害之一，采空區(qū)煤自然發(fā)火存在火源點(diǎn)隱蔽、難探測(cè)、難治理等問(wèn)題。其中，高瓦斯及突出礦井中煤與瓦斯自燃形成的復(fù)合災(zāi)害是所有動(dòng)力災(zāi)害中危險(xiǎn)性最大、事故后果最嚴(yán)重的災(zāi)害[1]. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)存在煤與瓦斯自燃復(fù)合災(zāi)害的礦井約占自然發(fā)火礦井總數(shù)的49%[2].

“110工法”開(kāi)采工藝在我國(guó)煤礦的推廣應(yīng)用，有效提高了井下煤炭資源回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，緩解了礦井采掘接續(xù)緊張的問(wèn)題[3]. 采用110工法開(kāi)采工作面，易受開(kāi)采動(dòng)壓影響，采空區(qū)形成大量漏風(fēng)通道，加之留巷側(cè)破碎松散頂板堆積，自然發(fā)火安全隱患大。沙曲二號(hào)煤礦屬于瓦斯突出礦井，其中5#煤層5302工作面首次采用“110工法”進(jìn)行開(kāi)采，同時(shí)鉆取多個(gè)高位抽采孔進(jìn)行瓦斯抽采，但存在“開(kāi)切眼斷面大、漏風(fēng)嚴(yán)重、采空區(qū)遺煤量多”等問(wèn)題，容易發(fā)生煤層自燃。因此，對(duì)5302工作面開(kāi)展高位抽采條件下的防滅火技術(shù)研究。

1 高位瓦斯抽采下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律

1.1 5302工作面概況

沙曲二號(hào)煤礦5#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，屬于自燃煤層，最短自然發(fā)火期為84 d. 5302工作面平面布置見(jiàn)圖1，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度1 081 m，工作面切眼長(zhǎng)236 m/194 m，采高2.2 m，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。目前5302工作面上部4301、4302、4303三個(gè)采空區(qū)連成一片，形成大面積采空區(qū)，自燃危險(xiǎn)性強(qiáng)。

5302綜采工作面設(shè)計(jì)采用兩進(jìn)一回“Y”型通風(fēng)方式，即5302軌道巷作為進(jìn)風(fēng)巷，5302膠帶巷作為輔助進(jìn)風(fēng)巷，5302膠帶巷后部切頂留巷作為回風(fēng)巷，回風(fēng)經(jīng)5302回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷、三采區(qū)3#底板瓦斯抽放巷、三采區(qū)3#底板瓦斯抽放巷回風(fēng)立眼、回風(fēng)大巷，回入白家坡回風(fēng)立井。

1.2 工作面漏風(fēng)規(guī)律分析

5302工作面采用“110工法”回采工藝(膠帶巷側(cè)留巷)，留巷段切頂側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)較大，供氧充分。同時(shí)，受切頂卸壓開(kāi)采影響，5302工作面采空區(qū)與鄰近5301采空區(qū)、上部4302采空區(qū)連通及沿空留巷的采空區(qū)存在漏風(fēng)通道，增加5302采空區(qū)立體遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性，威脅工作面正?；夭?。初步判定：5302工作面開(kāi)采過(guò)程中，重點(diǎn)漏風(fēng)區(qū)域?yàn)椋汗ぷ髅嬷Ъ荛g、留巷側(cè)向工作面方向236 m范圍、膠帶留巷側(cè)、5302工作面原切眼與回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷隅角處、上覆4303工作面采空區(qū)及鄰近采空區(qū)等。在開(kāi)采過(guò)程中，隨著頂板垮落，上覆3#、4#遺煤全部進(jìn)入5302采空區(qū)，漏風(fēng)嚴(yán)重，存在自燃危險(xiǎn)性。

圖1 5302工作面平面布置圖

因此，待工作面推進(jìn)至240 m左右，整個(gè)后部采空區(qū)冒落較為穩(wěn)定，現(xiàn)場(chǎng)需對(duì)5302工作面漏風(fēng)情況進(jìn)行分析，判定漏風(fēng)通道和漏風(fēng)量，為5302工作面采空區(qū)防滅火措施的實(shí)施提供基礎(chǔ)。

采用5302采空區(qū)擋矸墻瓦斯涌出量來(lái)判斷留巷側(cè)漏風(fēng)情況，在留巷側(cè)工作面隅角至切眼(0～240 m)，以10 m間隔為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，對(duì)5302膠帶留巷側(cè)壁面的瓦斯涌出濃度進(jìn)行測(cè)試。沿著工作面向開(kāi)切眼方向，分別對(duì)擋矸墻側(cè)壁面上、中、下3個(gè)位置及回風(fēng)流中的瓦斯涌出濃度進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)圖2. 由圖2可以看出，距離工作面越近位置，瓦斯?jié)舛容^低，但漏風(fēng)流速度較大，且部分漏風(fēng)向上部滲流，距離工作面底板越近，沿著擋矸墻內(nèi)壁向開(kāi)切眼方向的漏風(fēng)量逐漸減少。越向采空區(qū)深部方向，瓦斯涌出濃度值增大，這主要是由于距離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)垮落越嚴(yán)實(shí)，整體漏風(fēng)流速度減小，漏風(fēng)流對(duì)瓦斯的稀釋作用降低，瓦斯?jié)舛仍龃蟆?/p>

圖2 膠帶留巷側(cè)壁面瓦斯涌出濃度圖

2 抽采條件下采空區(qū)煤自燃災(zāi)害防治

5302工作面采空區(qū)煤自燃災(zāi)害防治措施主要包括堵漏風(fēng)、風(fēng)量調(diào)節(jié)、注氮惰化及灌注兩/三相泡沫等。

2.1 工作面堵漏風(fēng)及風(fēng)量調(diào)節(jié)

初采初放前，采區(qū)提前在5302膠帶巷和5302切眼施工放頂鉆孔，實(shí)施強(qiáng)制性放頂措施，能夠使采空區(qū)頂板及時(shí)垮落，減少采空區(qū)漏風(fēng)。

正常回采期間，在采空區(qū)留巷側(cè)采用可伸縮36U型鋼和鋼筋網(wǎng)、風(fēng)筒布進(jìn)行聯(lián)合擋矸堵漏。在工作面隅角處采用掛風(fēng)筒布的方式進(jìn)行堵漏風(fēng)。當(dāng)采空區(qū)側(cè)擋矸支護(hù)體受壓產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致風(fēng)流中CO濃度異常波動(dòng)時(shí)，采用封堵材料(A、B料)對(duì)留巷側(cè)擋矸支護(hù)進(jìn)行噴涂堵漏，噴涂厚度100 mm；當(dāng)噴漿后的擋矸支護(hù)體受壓產(chǎn)生裂縫時(shí)，采用礦用封閉噴涂密閉材料(A、B料)對(duì)裂隙進(jìn)行復(fù)噴封堵，噴射厚度不得小于50 mm.

初采時(shí)期，根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況及時(shí)對(duì)工作面風(fēng)量進(jìn)行合理分配，減少進(jìn)回風(fēng)壓差。在滿(mǎn)足生產(chǎn)條件下，實(shí)測(cè)軌道巷側(cè)進(jìn)風(fēng)量為1 000 m3/min，膠帶巷側(cè)進(jìn)風(fēng)量為570 m3/min.

2.2 采空區(qū)注氮防滅火

向采空區(qū)注氮?dú)饽軌蛳♂尣煽諈^(qū)內(nèi)氧氣，減少煤體與氧氣接觸惰化采空區(qū)浮煤，延長(zhǎng)自然發(fā)火期[4]. 5302工作面自燃災(zāi)害防治措施平面布置圖見(jiàn)圖3.

圖3 5302工作面自然災(zāi)害防治措施平面布置圖

制氮裝置為煤礦用井下移動(dòng)式碳分子篩(DTJY-800/0.8)，軌道巷通過(guò)進(jìn)風(fēng)側(cè)的注氮管路向采空區(qū)注氮；膠帶巷利用采空區(qū)鉆孔注氮，預(yù)防工作面上部采空區(qū)和鄰近采空區(qū)自然發(fā)火。注氮地點(diǎn)位于采空區(qū)氧化帶內(nèi)，注氮步距為40 m. 當(dāng)生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)工作面有自然發(fā)火征兆或過(guò)地質(zhì)構(gòu)造等特殊環(huán)節(jié)時(shí)，可根據(jù)防滅火情況從進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)同時(shí)向采空區(qū)注氮。整體最大注氮量為684 m3/h，注氮濃度為97%.

2.3 灌注兩/三相泡沫

兩/三相泡沫發(fā)泡后，體積大幅度增大，多重作用下遏制煤自燃的進(jìn)程,具有降溫、阻化、惰化、抑爆等綜合性防滅火性能[5].

根據(jù)兩/三相泡沫的作用原理及效果，結(jié)合5302采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性綜合分析，在工作面開(kāi)采過(guò)程中的一般遺煤區(qū)域，主要采用兩相阻化泡沫進(jìn)行煤自燃災(zāi)害防控；對(duì)上覆采空區(qū)及本面開(kāi)采遺煤重點(diǎn)區(qū)域，采用三相泡沫灌注強(qiáng)化防控煤自燃災(zāi)害。將該礦現(xiàn)有的移動(dòng)式防滅火注漿裝置(ZBYSB220/15-37)與注氮管路連接，將氮?dú)庾鳛闅庠?，通過(guò)采空區(qū)鉆孔將兩/三相泡沫注入采空區(qū)，以達(dá)到防止采空區(qū)浮煤自燃的效果。預(yù)計(jì)膠帶留巷側(cè)切眼處使用發(fā)泡劑0.2 t，膠帶留巷側(cè)切眼向外40 m、80 m、120 m位置分別施工向上鉆孔注入發(fā)泡劑0.3 t，共0.9 t.

3 采空區(qū)防滅火效果分析

對(duì)5302采空區(qū)實(shí)施綜合防滅火技術(shù)措施后，對(duì)采空區(qū)CO濃度進(jìn)行測(cè)量，采空區(qū)氣體濃度分布規(guī)律見(jiàn)圖4.

圖4 采空區(qū)CO氣體濃度分析圖

根據(jù)采空區(qū)束管觀(guān)測(cè)結(jié)果可以看出，軌道巷側(cè)采空區(qū)未檢測(cè)到CO，膠帶留巷側(cè)及開(kāi)切眼采空區(qū)檢測(cè)到微量CO，CO濃度值較低且最終變?yōu)?，說(shuō)明煤體氧化程度很弱，煤自燃危險(xiǎn)性較小。

4 結(jié) 論

1) 5302采空區(qū)與上覆采空區(qū)存在漏風(fēng)；切頂留巷側(cè)距離工作面越遠(yuǎn)，采空區(qū)垮落越嚴(yán)實(shí)，整體漏風(fēng)流速度減小。

2) 隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)CO濃度有明顯降低，說(shuō)明目前采取風(fēng)量調(diào)節(jié)+留巷側(cè)噴涂堵漏+采空區(qū)注氮+兩/三相泡沫于一體的綜合防滅火技術(shù)措施，能夠有效預(yù)防采空區(qū)煤自燃災(zāi)害。