煤峪口礦8605工作面采空區防滅火技術研究與應用

王新成

(晉能控股煤業集團 煤峪口礦，山西 大同 037003)

1 工程概況

同煤集團煤峪口礦8605工作面位于900 m水平406盤區，工作面北部為8603工作面采空區，南部為8607工作面采空區，西部為408東部盤區巷，東部為404盤區巷。工作面走向長度758 m，傾斜長度129.6 m，開采煤層為14-2號煤，煤層厚度為1.7～3.6 m，平均厚度為2.5 m，平均傾角為2°。煤層中含有夾層，平均厚度為0.8 m。煤層直接頂巖層為粉細砂巖，均厚0.4 m，基本頂巖層為粗砂巖，均厚3.08 m。根據礦井地質資料可知，工作面瓦斯絕對涌出量為1.51 m3/min，煤層自燃傾向等級為II級，屬于自燃煤層，自燃發火期為1～6個月，煤塵具有爆炸危險性，現為有效防止工作面采空區內出現遺煤自燃現象，特進行采空區防滅火技術研究。

2 采空區“自燃”三帶分布

為準確掌握8605工作面采空區自燃“三帶”的分布規律，現通過埋管抽氣的方法進行采空區內部氣體濃度的監測。沿8605工作面運輸巷和回風巷分別鋪設1根直徑50 mm，長度為200 m的鋼套管，每根鋼管內分別布置用于監測的采空區氣體單芯管路各6路，在工作面進風和回風巷內分別間隔50 m向采空區內布置1個取氣測點，共計在工作面布置12個束管監測點，具體監測布置方式如圖1所示。

圖1 8605工作面采空區“三帶”束管監測布置示意

根據束管監測數據繪制氧氣濃度和漏風強度的分布曲線，見圖2。

1) 分析圖2可知，在工作面進風側1號測點處，采空區內部的淺部氧氣濃度呈現出不斷下降的趨勢，隨著工作面回采作業的進行，測點埋入采空區的深度逐漸增大，當測點埋入采空區的深度為200 m時，采空區內的氧氣濃度仍達到18%，當測點埋入采空區的深度大于260 m之后，采空區內氧氣濃度開始快速下降。分析工作面回風側測點可知，回風側測點埋入采空區200 m后，隨著埋入采空區深度的增大，氧氣濃度呈現出快速下降趨勢。

圖2 氧氣濃度曲線分布

圖3為根據觀測數據能夠繪制出的采空區氧氣濃度分布等值線圖。

圖3 采空區氧濃度分布等值線(m)

2) 采空區漏風強度：采空區漏風強度主要通過測點測出的采空區實際氧氣濃度進行推算。根據眾多理論研究及工程實踐可知[1-2]，在假定采空區內松散煤體中的漏風流中僅發生一維方向的流動，松散煤體漏風強度處于穩態，能夠通過計算采空區內煤體的消耗量和風流通過的時間，得出漏風強度的計算表達式：

(1)

圖4 采空區漏風強度等值線

分析圖4可知，工作面進風巷道和回風巷道的漏風強度呈現出相同的先快后慢的趨勢。出現這種現象的主要原因為進風巷的端頭未設置擋風裝置，其次漏風裝置還與工作面的日推進距離有關，通過在進風巷道端頭布置風簾，并建立臨時袋子墻對采空區密封，能夠降低采空區漏風強度。

根據采空區內氧氣濃度的分布和漏風強度的情況，結合采空區自燃“三帶”的劃分原理[3-5]，得出8605采空區的“三帶”的分布規律，見表1。

表1 8605采空區“三帶”分布

3 采空區防滅火方案

3.1 防滅火方案

根據8605工作面采空區自燃“三帶”分布規律的分析結果，確定采用采空區封閉隔離+埋管注漿+采空區注氮惰化相結合的防滅火方案，具體各項防滅火措施參數如下：

3.1.1 采空區密閉

為減小工作面上下隅角向采空區內的漏風量，盡可能地減緩采空區自燃危險區域中的煤體的氧化，設置在工作面進風巷道和回風巷道每間隔15 m布置1道防火墻。防火墻采用編織袋裝入矸石進行堆垛，確保接頂嚴實。防火墻布置完成后采用防火密閉材料對墻體進行噴涂，布置形式如圖5所示。

圖5 構筑防火墻布置形式示意

3.1.2 采空區埋管注漿

根據礦井現有設備及生產條件，確定本次漿液采用黃泥漿。黃泥漿中的土與水的比值為1∶5。制漿采用水力取土機械制漿法，具體制漿流程如圖6所示。

圖6 制漿流程示意

工作面回采期間采用隨采隨灌的注漿方式，在滯后工作面30～40 m的位置處，從工作面停采線位置開始向采空區內部分別鋪設長度為100 m、50 m和30 m的注漿管路，在注漿管路末端分別留設長度為3 m，開設有直徑為12～15 mm小孔的管，設計每日注漿量為550 m3。

3.1.3 采空區注氮

回采期間對采空區實施注氮防滅火，具體注氮工藝各項參數如下：

1) 注氮系統：在回風巷道鋪設注氮管路，此管路與鋪設在14-2號煤層406軌道巷的注氮管路連接，利用406集中注氮鉆孔進行注氮，氮氣來源于406制氮車間。

2) 注氮工藝：根據8605工作面的實際情況，設計采用“埋管法”注氮工藝，即：回采前預先在2605巷鋪設2趟鋼管至距8605切巷50 m處(其中一趟管路滯后8605切巷150 m)。在工作面推進75 m后開始實施注氮，兩趟注氮管路交替使用，工作面每推進100 m倒換一次，同時將停注的氮氣管路斷開。

3) 注氮方式與防滅火方式：根據8605工作面的具體情況，在不影響工作面正常生產和人員安全的情況下，采用開放式注氮，采用連續性注氮防滅火方法。

4) 注氮流量：根據相關理論計算得出8605工作面注氮量不得低于522 m3/h[6-7]。

3.2 效果分析

8605工作面正常回采期間，通過進風巷和回風巷內的束管監測系統，能夠得出測點采空區內CO和O2的濃度曲線。現對進風巷8號束管和回風巷8號束管的監測數據進行分析。CO和O2濃度曲線如圖7所示。

圖7 工作面束管監測CO和O2濃度曲線

分析圖7可知，工作面回采期間，采空區內的CO濃度未出現超限現象，工作面進風巷道和回風巷道側采空區內CO濃度的最大值均未超過80×10-6。采空區CO濃度較高的區域分別為進風巷側埋入采空區60～80 m，回風巷埋入采空區深度50～70 m。另外分析O2濃度曲線可知，隨著埋入采空區深部的增大，O2濃度呈現出逐漸下降的趨勢。在進風巷側埋入采空區深度為60 m時，CO濃度呈現出大幅下降的趨勢；在回風巷道側埋入采空區深度大于40 m時，O2濃度呈現大幅下降的趨勢。根據工作面回采期間的現場觀測可知，工作面回采期間采空區無瓦斯超限現象，防滅火措施為工作面的安全回采提供了保障。

4 結 語

根據8605工作面的地質條件，通過現場實測的方式進行采空區自燃“三帶”分布規律的分析。通過分析劃定采空區上部、中部和下部區域散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的分布規律，設計采空區采用采空區封閉隔離+埋管注漿+采空區注氮惰化相結合的防滅火方案。根據方案實施后的采空區束管監測結果可知，防滅火方案解決了采空區遺煤易自燃的問題，確保了工作面的安全生產。