沁裕煤礦綜采工作面綜合防滅火技術(shù)研究

李 晉

(蘭花集團 沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212)

1 工程概況

蘭花集團沁裕煤礦井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t)，山西組主要可采煤層為2號煤層，太原組可采煤層為15號煤層。目前，井田內(nèi)的2號煤基本采掘殆盡，15號煤層回采工作面已逐漸投入生產(chǎn)，15號煤層厚度0.93～5.80 m，平均2.24 m，煤層穩(wěn)定，賦存區(qū)可采。2號、15號煤層均采用綜采一次采全高采煤法。結(jié)合15號煤層賦存條件，考慮井型、工作面產(chǎn)量等因素確定回采工作面長度取180 m，工作面采用“四六”工作制，采煤機截深0.8 m，循環(huán)進(jìn)度0.8 m，日進(jìn)度7.2 m，通過對本井田15號煤層自燃傾向性取樣測試表明，煤的吸氧量為0.69 cm3/g，自燃等級為Ⅱ類，結(jié)果為自燃煤層。為避免15號煤層采空區(qū)發(fā)生自燃現(xiàn)象，本文以15103工作面為背景，對工作面綜合防滅火技術(shù)進(jìn)行研究，以期為礦井的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 采空區(qū)日常防滅火措施

2.1 利用高抽巷減少采空區(qū)漏風(fēng)量

沁裕煤礦15號煤層采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，容易發(fā)生自燃的區(qū)域為工作面“兩線—兩道”[1]，即工作面開采線、停采線，進(jìn)風(fēng)道與回風(fēng)道。工作面投產(chǎn)初期，工作面推進(jìn)距離短，采空區(qū)頂板巖層垮落不充分，漏風(fēng)嚴(yán)重，工作面采出率低，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大，此時通過增大高抽巷抽采流量，加快采空區(qū)熱量的散失，減小采空區(qū)漏風(fēng)，達(dá)到降低采空區(qū)溫度及氧氣濃度的目的。高抽巷布置見圖1。

圖1 高抽巷布置示意

2.2 采空區(qū)灌漿防滅火

采空區(qū)灌漿防滅火技術(shù)在我國各個地區(qū)的礦井取得了良好的應(yīng)用效果[2]，漿液灌注于采空區(qū)內(nèi)，可降低采空區(qū)溫度，漿液包裹采空區(qū)遺煤，減少采空區(qū)遺煤與空氣的接觸，減緩遺煤的氧化反應(yīng)，且漿液能夠填充采空區(qū)垮落矸石間的空隙，增強采空區(qū)的密閉性，減小漏風(fēng)量。黃土取土方便，節(jié)約成本，粉煤灰相對成本較高，運輸相對困難，故本次設(shè)計礦井注漿材料為黃土。地面固定式集中灌漿系統(tǒng)是在地面工業(yè)場地或風(fēng)井場地設(shè)立集中灌漿站，為全礦服務(wù)，雖然初期投資較大、管路較長、占地較大，但具有灌漿量大、工作集中、管理方便、效率高等優(yōu)點。因此，選擇在回風(fēng)井場地內(nèi)布置地面固定式多功能集中灌漿系統(tǒng)。15103工作面采用地面固定式灌漿站集中灌漿，系統(tǒng)組成如圖2(a)所示，工作面開始后，在液壓支架后方工作面長度方向放置一趟DN100 mm鋼管，鋼管上部每隔30 m安裝一根長度1 m的花管，注漿管路在上隅角與DN100 mm鋼管連接，管路鋪設(shè)如圖2(b)所示，灌漿流量為50 m3/h，灌漿時間為12 h，工作面每推進(jìn)50 m進(jìn)行一次灌漿。

圖2 采空區(qū)灌漿工藝示意

2.3 封堵工作面上、下隅角

采煤工作面上隅角和下隅角風(fēng)流壓差是造成采空區(qū)漏風(fēng)的重要原因，工作面上、下隅角為采空區(qū)傾向邊界，頂板不能充分垮落，為采空區(qū)漏風(fēng)提供良好的通道，因此采取措施封堵上、下隅角，可有效減小采空區(qū)漏風(fēng)量，減小采空區(qū)氧化帶的寬度。15103工作面在上、下隅角堆砌袋子墻進(jìn)行封堵，工作面每推進(jìn)50 m設(shè)置1道袋子墻。

2.4 阻化劑防火系統(tǒng)

根據(jù)我國其他礦區(qū)采用阻化劑經(jīng)驗，因氯化鈣阻化率較高，阻化效果好，價格便宜且儲運方便，設(shè)計15103工作面采用氯化鈣(CaCl2)作為阻化劑。在15103工作面配備一套移動式阻化劑防火系統(tǒng)向采空區(qū)的遺煤噴灑阻化劑，在南翼補回風(fēng)巷內(nèi)適當(dāng)位置(盡量靠近工作面中部)放置兩個水箱作為阻化劑藥箱，交換使用，按需濃度(20%)將工業(yè)CaCl2倒入儲液箱內(nèi)，用臨時供水管路按比例加足清水，配成溶液攪拌均勻后，用高壓泵(置于平板車上)將阻化液沿巷道和刮板輸送機電纜槽下方鋪設(shè)(每20 m安一三通和高壓球閥)的D25 mm高壓膠管壓至工作面，與D13 mm的膠管和霧化器相連。一臺泵配一支噴槍，由專人手持噴槍，從支架間隙向采空區(qū)噴灑，每間隔5組支架噴一次，每次噴灑至少6 min，流量不小于35 L/min。正常回采期間每班噴灑一次，如遇停產(chǎn)、過斷層、收尾等情況時，須對采空區(qū)加大噴灑頻率。

圖3 阻化劑噴灑系統(tǒng)示意

3 采空區(qū)注氮滅火措施

采空區(qū)注氮系統(tǒng)為沁裕煤礦采煤工作面采空區(qū)滅火方法，預(yù)防火災(zāi)時不使用，根據(jù)礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)測定，CO為測試煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體；CO出現(xiàn)表明測試煤已經(jīng)開始氧化；其出現(xiàn)臨界溫度為37.2～46.8 ℃，檢出濃度為30 ×10-6，此時要求開始封閉工作面進(jìn)行注氮。井下移動式制氮設(shè)備安置于距需要防火的就近處，該系統(tǒng)不需鋪設(shè)專用輸?shù)苈罚频O(shè)備產(chǎn)氮能力較小。地面固定式和地面移動式制氮設(shè)備生產(chǎn)的氮氣，經(jīng)井上、下輸?shù)苈匪瓦_(dá)采空區(qū)內(nèi)，防滅火效果好，結(jié)合本礦特點，設(shè)計選用地面固定式制氮注氮設(shè)備。

根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗每噸煤需5 m3氮氣量，本礦井15號煤層厚度平均2.24 m，屬中厚煤層，回采率取95%。注氮量計算如下[3-4]：

式中：QN為注氮流量，m3/h；A為年產(chǎn)量，取90萬t/a；K為工作面回采率，取95%；t為每年礦井生產(chǎn)的時間，取330 d。

通過上式計算得到注氮流量為539.8 m3/h，結(jié)合沁裕煤礦具體情況考慮1.5的富余系數(shù)，確定注氮流量850 m3/h。15103工作面回采期間，采空區(qū)注氮管鋪設(shè)：地面制氮站—回風(fēng)斜井—15煤層回風(fēng)巷—15煤層西翼回風(fēng)大巷—15103工作面回風(fēng)巷—工作面采空區(qū)。采用埋管注氮工藝，在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路。當(dāng)埋入一定深度后開始注氮，同時埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移動步距通過考察確定)。當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)氧化帶與冷卻帶的交界部位時向采空區(qū)注氮，同時停止第一趟管路的注氮，并重新埋設(shè)注氮管路，如此循環(huán)。當(dāng)工作面采空區(qū)內(nèi)溫度超過35 ℃，工作面上尾巷內(nèi)一氧化碳濃度超過30×10-6時，采取開放式、間歇式注氮方式，注氮時間每天不小于16 h，直到采煤工作面采空區(qū)溫度降至35 ℃以下，一氧化碳?xì)怏w為零時，停止注氮，注氮管路的鋪設(shè)如圖4所示。

圖4 工作面注氮管路鋪設(shè)示意

4 防治措施效果分析

4.1 工作面防滅火措施效果評估

沁裕煤礦15103工作面正常回采期間，采空區(qū)內(nèi)CO濃度保持在20×10-6以下，采空區(qū)無自然發(fā)火的可能，防治效果良好。2019年2月份15103工作面臨時停產(chǎn)，停產(chǎn)期間束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測表明，采空區(qū)內(nèi)CO濃度異常，呈現(xiàn)明顯上升趨勢，一氧化碳濃度超過30×10-6，因此采取注氮滅火措施，采取開放式、連續(xù)性注氮方式，每天灌注量約10 000 m3，該期間對深入采空區(qū)45 m處(氧化帶內(nèi))的氧氣和一氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測，濃度變化如圖5所示。

圖5 采空區(qū)氣體濃度變化

由圖5可以看出，深入采空區(qū)45 m處，氧氣濃度充足，位于氧化帶內(nèi)，CO濃度達(dá)到58×10-6，存在自然發(fā)火的跡象，通過灌注液態(tài)氮氣后，一氧化碳濃度迅速降低，由58×10-6降至20×10-6以下，氧氣濃度變化不明顯，滅火效果明顯。綜上可知，采空區(qū)注氮可顯著降低CO濃度，減緩采空區(qū)遺煤的氧化的速度，抑制采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象。

4.2 停采后采空區(qū)防治效果評估

2020年2月份15103工作面回采完畢，在距膠帶巷(回風(fēng)巷)開口10 m處，采用袋子墻進(jìn)行密閉，束管監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)CO濃度變化如圖6所示。

圖6 采空區(qū)內(nèi)CO濃度變化規(guī)律

由圖6可以看出，15103工作面采空區(qū)密封后，采空區(qū)內(nèi)CO濃度逐漸降低，膠帶巷側(cè)CO濃度由24.5×10-6逐漸降低至5×10-6，并最終穩(wěn)定在10×10-6以下；回風(fēng)巷側(cè)CO濃度由21.5×10-6逐漸降低至2.3×10-6，并最終穩(wěn)定在4 ×10-6以下，采空區(qū)內(nèi)CO濃度低于24 ×10-6，且穩(wěn)定，由此說明，采用袋子墻密閉性良好，采空區(qū)無自燃的危險。

5 結(jié) 語

根據(jù)沁裕煤礦15103工作面具體的開采技術(shù)條件，設(shè)計采用增大高抽巷抽采流量、埋管灌注黃泥漿、封堵工作面上(下)隅角、噴灑阻燃劑等作為日常防火措施，當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火的跡象時，采用注氮防滅火措施，工作面回采完成后，采用袋子墻封堵采空區(qū)。通過束管監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)CO氣體濃度變化驗證防治效果，結(jié)果表明，設(shè)計的防滅火措施可行、有效，實現(xiàn)了工作面的安全回采，可為類似工作面的煤自燃災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。