工作面回撤期間高位火源治理技術(shù)

張夏彭 雷沛德 李洪杰

(1.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司；2.徐州吉安礦業(yè)科技有限公司)

煤炭是我國的主要能源，煤炭自燃是我國煤礦的主要災(zāi)害[1-2]。在我國國有重點煤礦中，因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[3-5]。綜放工作面回撤期間采空區(qū)遺煤量大，重型設(shè)備回撤周期長，造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火嚴重[6-7]。易自燃礦井厚煤層放頂煤工作面在回撤準備期間，架頂及架后的高位遺煤氧化蓄熱明顯，自然發(fā)火問題突出，且傳統(tǒng)防滅火技術(shù)在處理高位火源上存在一定的不足，為此，有必要對綜放工作面高位遺煤自燃的防治技術(shù)進行研究與實踐。

1 工作面概況

新景礦80117綜放工作面位于525 m水平，地面標高為890～1 125 m，工作面標高為424～543 m，埋藏深度為430～585 m。工作面位于15#煤層西采區(qū)南部，東為80115工作面采空區(qū)，西為80119工作面，北為80116工作面采空區(qū)，南為采區(qū)大巷。

80117工作面傾斜長220 m，安設(shè)支架147架，走向長811 m，平均煤層6.12 m。工作面機頭到14#架為撓曲影響區(qū)域，該范圍煤層傾角為20°，14#～20#架煤層傾角在12°～14°，為易自燃發(fā)火煤層，煤塵具有爆炸危險性。該工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，垮落法管理頂板，采高為2.8 m，放煤3.3 m。工作面采用一進兩回的通風(fēng)方式，皮帶巷進風(fēng)，軌道巷與低位抽放巷回風(fēng)。工作面具體布置情況見圖1。

2 工作面發(fā)火原因及分析

工作面于2017年12月21日鋪網(wǎng)停采，于12月31日架間出現(xiàn)CO，1月12日架間CO達到60×10-6，并持續(xù)升高。分析原因如下：

(1)80117工作面停采作回撤通道時，未放頂煤，且受撓曲影響，機頭到25#架割底嚴重，為1.5 m，85#架到機尾同樣存在割底現(xiàn)象，最大為2.2 m。因而在整個回撤期間，頂煤及采空區(qū)遺煤量大。

(2)工作面12月期間推采不到50 m，遺煤停留在“氧化帶”的時間長。

(3)工作面回風(fēng)巷擠壓變形嚴重，風(fēng)阻增大，采空區(qū)漏風(fēng)量大；為撤架需要，采取巷道擴幫措施，長時間延誤回撤進度，導(dǎo)致遺煤氧化蓄熱時間充足。

(4)工作面煤層屬于自燃煤層，自然發(fā)火期短。

3 工作面火災(zāi)防治

3.1 氧化區(qū)域判定及治理難點

采用及紅外線測溫槍對工作面全長進行檢測收集，通過氣體及溫度數(shù)據(jù)的整理研究，初步劃分出采空區(qū)氧化危險區(qū)域。工作面從機頭30#架至機尾140#架左右采空區(qū)檢測到CO氣體濃度高，且煤體溫度明顯高于井下環(huán)境溫度。

在初步劃定區(qū)域內(nèi)打設(shè)架間高低位長鉆孔，利用測溫導(dǎo)線通過架間鉆孔測量孔內(nèi)不同深度的采空針對這種情況，利用傳統(tǒng)的注水、注黃泥漿手段，易順溝流，無法全方位立體擴散；高分子凝膠則擴散范圍小，很難全面覆蓋氧化遺煤；三相泡沫擴散性可以達到要求，但是保水性差，在回撤工期緊張的情況下，無法達到預(yù)期的治理效果。

圖1 80117工作面布置平面

區(qū)溫度，結(jié)合工作面架后CO氣體持續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析得出，氧化區(qū)域位于68#～78#架及85#～100#架后立柱至架后3 m的高位區(qū)域。氧化區(qū)域示意見圖2。

圖2 高位氧化區(qū)域示意

3.2 防滅火措施

3.2.1 采空區(qū)漏風(fēng)降低

在滿足工作面要求的前提下，進風(fēng)風(fēng)量由1 050 m3/min降低到450 m3/min，回風(fēng)風(fēng)量由950 m3/min降低到384 m3/min，盡量降低采空區(qū)漏風(fēng)量。工作面上、下隅角分別打設(shè)袋子墻封堵，并對表面進行噴涂，確保密封嚴實。

3.2.2 高位打鉆注漿

根據(jù)判定的大致高溫氧化范圍，針對68#～78#架，每隔1架布置一個大角度1#鉆孔,每隔2架布置一個2#鉆孔;針對85#～100#架，平均每隔2架布置一組鉆孔。1#孔終孔點位于支架后立柱之上3 m煤層頂板位置，2#孔終孔點位于支架后尾梁之上5 m煤層頂板位置。各鉆孔施工完畢后連接管路，灌注普瑞特防滅火材料。淺部高位鉆孔布置見圖3，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

圖3 淺部高位鉆孔布置示意

孔號角度/(°)開孔位置進煤深度/m終孔位置1#52前梁架間3.8后立柱之上3 m2#37前立柱架間5.0尾梁之上5 m

3.2.3 普瑞特防滅火新技術(shù)

普瑞特防滅火材料很好結(jié)合了三相泡沫的擴散性、凝膠的保水性及阻化劑的阻化性能，同時將惰性氣體結(jié)合在該材料的制備、注漿工藝中。該材料理論發(fā)泡倍數(shù)在20倍以上，保證了突出的高位擴散效果；保水性在95%以上，極大減少水分流失，對采空區(qū)高位遺煤保持長期冷卻降溫；黏附性、掛壁性佳，可很好覆蓋包裹煤體；同時，隨著泡沫的緩慢破裂，泡沫中的氮氣逐漸釋放，對采空區(qū)有持久的惰化作用[8]。

普瑞特防滅火材料分為A料和B料，A、B料分別與水按體積比為2%和1%混合形成預(yù)混液，通過接入礦井壓風(fēng)的雙液氣動泵輸送至普瑞特發(fā)泡成膠裝置，在發(fā)泡成膠裝置接入氮氣或壓風(fēng)使混合液發(fā)泡，經(jīng)發(fā)泡成膠裝置制備出的普瑞特防滅火泡沫凝膠直接通過鉆孔注入遺煤區(qū)域。普瑞特材料及注漿設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2、表3，施工工藝見圖4。

表2 普瑞特防滅火材料技術(shù)參數(shù)

表3 2ZBQS 45/4型煤礦用氣動注漿泵技術(shù)參數(shù)

圖4 普瑞特防滅火技術(shù)施工工藝

4 治理結(jié)果

2月1日—2月14日通過各個架間打設(shè)的1#、2#鉆孔向氧化區(qū)域壓注30 t普瑞特防滅火材料，注漿治理過程中，75#、97#等架間觀察到有白霧，白霧是由煤體內(nèi)高溫水蒸氣冷凝而成，說明普瑞特防滅火材料已有效覆蓋到高溫煤體。注漿過程中，檢測鉆孔溫度不斷下降，也反映了注漿滅火效果。壓注期間回風(fēng)巷道及工作面架后人工檢測CO濃度變化曲線見圖5，治理期間，架后氣體的上下波動是由于采空區(qū)風(fēng)流變化及注漿引起的CO氣體擾動，屬于正常的變化范圍，整體呈良性變化。治理結(jié)束后CO濃度從400×10-6左右下降到20×10-6左右，工作面回撤工作恢復(fù)正常，遺煤自燃問題得到有效的治理，保證了設(shè)備的安全回撤。

5 結(jié) 論

(1)80117工作面末采期間不放頂煤，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤量大；回風(fēng)巷變形嚴重，風(fēng)阻增大，大量風(fēng)流進入采空區(qū)；回撤準備時間長，氧化蓄熱時間充足，從而導(dǎo)致采空區(qū)遺煤區(qū)域自然氧化發(fā)火。

圖5 工作面CO濃度變化曲線

(2)通過對80117工作面采空區(qū)發(fā)火區(qū)域的分析和判定，針對普通防滅火材料無法快速治理高位火源的問題，采用防滅火鉆孔壓注普瑞特防滅火材料的措施后，采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域得到控制，回風(fēng)巷CO濃度迅速降低到安全值以下。

(3)普瑞特防滅火新材料具有良好的擴散性、堆積性和穩(wěn)定性，彌補了其他防滅火材料的不足。普瑞特防滅火新技術(shù)在80117工作面回撤期間成功應(yīng)用，為我國煤礦防滅火技術(shù)提供了參考。