復雜地質工作面采空區綜合防滅火技術研究

景瑞鋒

中煤新登鄭州煤業有限公司,河南 鄭州 450000

0 引言

對于有自燃發火傾向性的煤層,工作面回采期間采空區遺煤自燃發火往往受到地質構造、回采工藝、頂板管理、通風方式等多種因素的影響[1-2]。特別是地質構造復雜的工作面,需要研究現有通風、頂板管理和回采工藝條件下的采空區遺煤自燃“三帶”的分布特征,在此基礎上采取綜合性的措施,方能有效治理遺煤自燃[3-4]。本文以河南某礦復雜地質條件下綜采工作面為例,介紹了采空區遺煤自燃“三帶”研究過程及分布規律,并針對性地提出綜合防滅火措施,為類似工作面防滅火工作提供經驗參考。

1 工作面概況

河南某礦主采二1煤層,煤層自燃發火傾向性屬于Ⅱ類 ,自燃發火期為 30～75 d,二1煤層為不穩定煤層,厚度為1.2～12.4 m,平均厚度為5.3 m,煤層頂底板以炭質泥巖和砂巖為主。22011綜采工作面位于22采區上部,煤層厚度2.5～6.5 m,平均5.5 m,煤層傾角15°,埋深124～156 m,工作面走向長度765 m,傾向長度180 m,采用U型通風方式。22011工作面煤層厚度不穩定,工作面范圍內存在5條落差大于3 m的斷層,且局部煤層夾矸厚度大于1.5 m,頂底板均為軟巖,地質構造對工作面回采具有較大影響,回采速率較低。采用綜合機械化采煤,完全垮落法管理頂板。工作面在生產期間采空區及回風測CO濃度較高,給礦井安全生產帶來較大威脅。

2 采空區遺煤自燃“三帶”研究

2.1 束管監測

束管監測技術是采空區氣體檢測時常用的技術方法,通過在采空區埋設束管并定期抽取、測量采空區O2和CO濃度,以此判定采空區遺煤氧化程度,為研究采空區自燃“三帶”提供重要數據。22011工作面布置4個測點,并建立束管檢測系統,每天對4個束管測點進行采氣,并送到地面實驗室進行成分分析,主要分析O2和CO含量。4個束管測點分別布置在工作面上下隅角和工作面采空區中部,其中1號測點位于上隅角,2號測點距離上隅角60 m,3號測點位于上隅角120 m,4號測點位于下隅角,采用埋設方式布置。為了防止頂板冒落對束管破壞,每個束管安放在帶花眼的無縫鋼管內部。為了防止采空區滲水對束管測點產生影響,每個測點采用煤袋墊高300 mm。

2.2 采空區自燃“三帶”分布規律

在經過連續跟蹤測試采空區深度250 m范圍內CO和O2濃度,并采用國內常用的判斷自燃“三帶”的方法(O2濃度大于18%為散熱帶,O2濃度大于8%小于18%為氧化帶,O2濃度小于8%為窒息帶),對采空區進行“三帶”劃分[5]。發現散熱帶為“梯形”分布,呈現上隅角處較下隅角處收窄,平均寬度為75 m;氧化帶近似為“平行四邊形”分布,平均寬度為120 m。“三帶”分布如圖1所示。分析認為,受U型通風影響,下隅角及機頭支架處屬于通風擴散影響區域,漏風量大導致此區域O2含量相對較高,致使工作面采空區下部散熱帶寬度大于上部,形成“梯形”分布特征。工作面垮落法管理頂板,導致采空區氣體流場暢通[6],且地質條件復雜導致工作面回采速率低,最終導致采空區遺煤氧化時間長且充分,所以,氧化帶寬度大。

圖1 22011工作面采空區遺煤自燃“三帶”分布情況

3 綜合防滅火措施

上述研究表明,22011工作面下隅角漏風量大,且采空區氧化帶較寬,應采取綜合性的防滅火措施,壓縮采空區遺煤氧化時間,降低氧化帶寬度。

3.1 減少采空區下隅角漏風

減少采空區漏風量,是降低采空區O2濃度的有效方法,同時也是減少氧化帶寬度最有效的措施之一。22011工作面由于瓦斯條件簡單,工作面生產期間無需瓦斯治理,所以在做好降塵措施后,確保工作面有效供風量(適當降低工作面風量是減少采空區漏風的主要技術手段);在工作面下隅角增加密閉,機頭支架間設置風障(增大采空區漏風阻力也是一種行之有效的技術措施)。經現場改進噴淋降塵系統后,工作面供風量由1 322 m3/min降至1 016 m3/min,工作面風量降低了23%。另外,在下隅角增設一道厚度為800 mm厚的煤袋墻(并用黃泥涂抹堵縫),在機頭10架范圍內掛設一道風障,減少采空區漏風。

3.2 采空區注氮

氮氣(N2)是一種化學性質很穩定的氣體,在采空區注入高濃度N2,能排走O2,降低其含量,起到阻止遺煤氧化的作用。同時流動的N2還能吸收并帶走遺煤氧化所產生的熱量,降低采空區遺煤溫度,破壞其氧化條件,起到減緩遺煤氧化的作用。采空區注入N2有多種方式,包括埋管、插管和施工鉆孔等方法,根據采空區遺煤自燃程度可選用其中的一種或多種。22011工作面采用采空區埋管的方式進行。注氮管沿工作面下隅角埋設,每根管的出口間距為50 m,深入采空區75 m(氧化帶與散熱帶分界點)開始注氮,深入采空區195 m(氧化帶與窒息帶分界點)停止注氮。出氣口壓力0.22 MPa。如此循環埋設注氮管,直至工作面回風隅角CO濃度降到合理值以下。

3.3 噴灑阻化劑

阻化劑是一種抗氧化劑,它噴射在采空區后可吸附在遺煤的表面,形成一層抗氧化保護膜,起到隔離煤和氧氣的作用,能降低甚至阻止遺煤的氧化能力。同時噴射阻化劑也能起到降溫作用,提高遺煤的阻燃效果和防滅火效果。22011工作面由于地質條件復雜,工作面過斷層或煤層夾矸較厚時往往推進緩慢,為了提高防滅火效果,可噴射適量的阻化劑。可在工作面下付巷設置阻化劑攪拌站,采用濃度為16%～19%的CaCl2溶液作為阻化劑,利用型號BZ4/15-G型礦用阻化泵沿管道送至工作面下隅角及機頭處,并采用噴射方式向采空區進行噴灑,噴灑范圍為下回風隅角及以上30 m范圍內的采空區。

4 防滅火效果分析

22011綜采工作面回采期間,每隔120 m安設4個束管測點(方法同上),對工作面回采周期內進行全過程檢測。通過檢測發現,工作面采取下隅角密閉、掛風障、降低供風量和采空區注氮等綜合防滅火措施后,24 h內回風上隅角處1號測點,O2濃度由17.2%降至12.4%,36 h后降至6.0%,如圖2所示。可見,工作面采取綜合防火措施后可縮小氧化帶范圍,使得采空區遺煤及時進入到窒息帶內,消除遺煤自燃發火環境,實現防滅火。

圖2 采空區綜合防滅火措施后上隅角O2濃度變化情況

在工作面過斷層等地質復雜地段,通過噴射阻化劑等技術措施后,采空區內各測點CO濃度不斷降低,當斷層進入到采空區內60 m后,CO 濃度均處于安全指標值以下。現場應用成果表明,在22011綜采工作面采用的綜合防滅火技術取得較好成果,可滿足復雜地質條件下采空區遺煤防滅火需要。

5 結束語

通過布置的束管監測系統并以采空區內O2濃度為判據,確定22011綜采工作面采空區內遺煤自燃“三帶”分布特征,并確定散熱帶和氧化帶的評價寬度分別為75 m和120 m。

根據22011工作面自燃“三帶”分布特征及工作面地質條件,實施了采空區注氮、下回風隅角密閉并掛風障、調節工作面風量和噴射阻化劑等綜合防滅火措施。最終使得采空區氧化帶范圍大大縮小,采空區遺煤提前進入到窒息帶內,消除遺煤自燃發火環境,防滅火效果顯著。

礦井綜合防滅火措施經濟成本高,應探明采空區遺煤自燃“三帶”分布規律,根據自燃情況結合地質條件、開采工藝等制定具體的防滅火措施,實施“一礦一策、一面一策”。