“孤島”綜放面“立體”綜合防滅火技術的應用

趙喜紅

(大同煤礦集團 忻州窯煤礦，山西　大同　037003)

大同煤礦集團忻州窯礦屬于高瓦斯礦井，具有百年開采歷史，目前處于礦井開采后期，11#層309盤區8939面是該盤區煤層的最后一個厚煤層回采工作面，屬于“孤島”開采，回采工藝為低位放頂煤開采。本工作面地質構造復雜，斷層破碎帶貫穿整個工作面，受礦壓因素影響，應力顯現強烈、集中，巷道變形較大和片幫冒落多發，支架壓架，工作面推進速度慢，采空區遺留的較多松散浮煤長期處于通風供氧狀態，增加本面煤層自然發火的危險。另外，“孤島”工作面礦壓較大，煤柱易于壓碎，順槽頂煤易于離層、壓裂冒落，與同煤層臨近采空區連成一片，漏風規律復雜多變，造成臨近采空區長時間堆積的遺煤有自然發火隱患。該礦11#層309盤區2004年發生過煤炭自燃事故，造成較大的經濟損失。

1　工作面概況

8939工作面地面標高1 303.5～1 331.0 m，井下標高956～998 m.8939工作面東部為采空區，北部為云岡礦井田及礦界保護煤柱，南接901軌道、皮帶及回風大巷，西部為8937面采空區。工作面可采走向長度1 227.8 m，工作面長度94.5 m，面積116 027 m2.煤層中部低，兩翼高，大致呈一向斜構造，煤層傾角1°～9°，平均3°.煤層厚度最大為8.9 m，最小5.2 m，平均7.2 m.工作面絕對CH4涌出量4.69 m3/min，CO2絕對涌出量1.5 m3/min，煤層自燃傾向性等級為Ⅰ類，自燃傾向性為容易自燃，煤層自然發火期為50天。煤塵爆炸指數為24.32%，有爆炸危險。工作面4巷布置，一條運輸巷、一條尾回風巷、一條措施巷、一條內錯頂回風巷，采用“U+Ⅱ”型通風。8939工作面通風系統圖見圖1.

圖1　309盤區8939工作面通風系統示意圖

2　回采期間漏風及自然發火原因分析

2.1　回采期間存在漏風通道分析

1) 根據《8939面地質說明書》，工作面基本頂為灰白色中砂、細砂巖，直接頂底板均為灰色及灰白色粉、細砂巖，煤層頂、底部均屬于超硬、低透氣性巖層，并且煤層中部低、兩翼高，整個工作面位于區域向斜軸部，有一條68～70 m寬的大斷層破碎帶貫穿整個工作面，當推進到斷層破碎帶影響區域時，煤柱承壓大，裂隙大量發育，煤體酥軟存在氣隙，與采空區存在漏風通道。

2) 工作面為“孤島”開采工作面，工作面東、西、北部均為采空區，周圍封閉了大量的采空區，周圍采空區及煤體受孤島工作面采動應力集中作用，造成采空區存在壓裂、煤體有裂隙，與采空區構成漏風通道。

2.2　回采期間自然發火原因分析

1) 工作面回采率為80%，工作面后古塘有遺煤堆積，遺煤長期氧化產生蓄熱高溫。

2) 斷層破碎帶處的碎煤呈破碎狀態則使煤的吸氧表面積增大，著火點明顯降低，使其自燃性顯著提高。

3) 工作面東、西、北部封閉了大量的采空區，采空區內有年限長久的遺煤長時間氧化產生高溫。

3　“立體”綜合防滅火治理技術

3.1　隨采隨向后古塘遺煤噴注氯化鎂阻化劑

該礦在回采過程中選用來源廣泛、無毒無害的吸水類阻化劑、水解時呈中性、對設備腐蝕性小、經濟實用的氯化鎂作為阻化劑。噴灑氯化鎂與工作面回采同步進行。該礦合理配置濃度為15%的氯化鎂溶液。每班安排專人實施噴注工作。利用頭巷隨串車移動的儲液箱和霧化泵，噴霧泵出口接d25 mm高壓膠管至皮帶轉載機處，通過異徑三通(25/16)接15 m d16 mm高壓膠管2根與布置在進風上隅角，1#支架、1#支架與2#支架之間的兩個霧化器(QWF-Ⅲ型)相接，在d25 mm和d16 mm高壓膠管接頭處分別安設閥門。將阻化劑變為阻化汽霧，阻化汽霧以漏風為載體，向采空區飄移，漏風風流飄落在容易自然發火的煤體表面，增加了煤體的外在水分，降低了煤體溫度；形成液膜包圍煤塊，并從空氣中吸收水分，使煤體表面較長時間處于濕潤；降低了煤在低溫氧氣時的氧化速度，延長了煤的自然發火期。

3.2　斷層帶注永固S封堵漏風通道

5939巷860～970 m通尺點段、2939巷790～900 m通尺點段，在掘進和回采過程中，受孤島面集中應力擠壓作用，煤柱整體性變形位移嚴重，斷層破碎帶受影響出現裂隙溝通采空區。該礦由里向外施工鉆孔并注永固S，鉆孔設在5935巷、2939巷靠采空區側，巷幫與頂板交界處，施工鉆孔和注永固S同步進行。在破碎帶處超前注永固S，通過專用氣動注漿泵和混合槍按1∶1配比注入到松散或破碎的煤巖體裂隙中,產品能滲入較細巖縫中，反應迅速，能夠把原來松散破碎的煤巖體圍巖膠結成連續完整的受力體，減少采空區漏風； 注永固S可超前加固5939、2939巷臨空煤柱間的破碎煤巖體，減少破碎帶煤的吸氧表面積，提高著火點，降低破碎帶處碎煤自燃性。8939面煤柱固注永固S鉆孔技術參數見表1.

表1　8939面煤柱加固注永固S鉆孔技術參數表

3.3　注氮氣

井下建立獨立注氮硐室，布置膜式分離DM-1000/8制氮機主、備用兩套，用每根6 m長的4英寸無縫鋼管連續埋管敷至頭巷采空區氧化自燃帶內，間歇式連續不間斷向工作面采空區提供氮氣，消除采空區遺煤自然發火隱患。工作面回采后退至30 m時，開始注氮工作。工作面回采注氮期間，在頭、尾巷上、下隅角用黃土裝袋砌墻進行封堵，減少氮氣向工作面泄露，保證采空區氮氣濃度始終不低于97%.將不燃燒、不助燃的氮氣注入采空區后，可置換出空氣，氧氣含量下降至3%以下，使采空區的浮煤缺氧而處于窒息狀態，達到防止采空區遺煤自燃的目的。工作面間歇式注氮示意圖見圖2.

圖2　工作面間歇式注氮示意圖

3.4　煤體注水

從距8939中間巷切眼南幫10 m開始施工注水孔，最后一組孔施工至停車線前10 m處，按(表2)技術參數早、二、三班實施注水。超前工作面80 m開始注水。注水后煤體的溫度不易提高，冒落的矸石濕潤，膨脹成再生頂板，覆蓋浮煤，減少漏風，抑制了采空區的浮煤氧化，延長煤炭自然發火期。

表2　8939面注水孔技術參數表

3.5　鄰近采空區灌注黃泥漿

8939“孤島”工作面周圍全部是采空區，周圍的采空區受地表裂隙、礦井應力顯現等影響造成漏風通道，長期堆積的浮煤發生煤體自燃隱患后，會造成全礦井309盤區大面積煤炭自燃，影響8939“孤島”工作面的順利開采。所以，該礦在劉官莊建立地面灌漿站，在回采期間對8939“孤島”工作面進行預防灌漿。地面建立200 m3的水池，用抽水泵將水引至預先按土水比1∶3倒入黃土的泥漿池內，攪拌成黃泥漿液靠泥漿泵流入深350 m，d108 mm的灌漿管路與井下4英寸灌漿主管路對接，依次與采空區預留的4英寸灌漿管路連接進行灌漿。黃泥漿液進入采空區后會堵塞煤體中的裂隙，防止氧氣與煤體的大面積接觸，濕潤的水分降低煤體的溫度，達到防治采空區遺煤自然發火。

4　技術措施效果分析

8939綜放面開采中通過“立體”綜合防滅火治理技術后，有效防止了8939“孤島”本面采空區遺煤自燃，同時預防本煤層臨近采空區遺煤自燃，實現了8939“孤島”綜放工作面的安全開采。

8939開采期間，自然發火的預測預報作為自然發火觀察的重要手段，每天在本面上隅角及本層相鄰采空區取樣并進行化驗分析，為自然發火預防提供理論基礎數據。8939回采期間本面上隅角及本層臨近采空區自然發火標志性氣體取樣化驗分析數據見表3.

表3　自然發火標志性氣體取樣化驗分析數據表

通過表3分析可知，11#層8939工作面開采遇地質構造帶及礦壓顯現等諸多不利因素，推進速度慢，月推進小于50 m，采用立體綜合防滅火技術措施后，徹底解決了這一技術難題。開采期間本面上隅角自然發火標志性氣體一氧化碳維持在0～20×10-6，本煤層相鄰8937采空區未出現一氧化碳氣體，治理取得明顯效果，值得在同樣條件下推廣此項防滅火技術。

5　結　語

8939“孤島”工作面通過以隨采隨向后古塘遺煤噴注氯化鎂阻化劑、斷層帶注永固S封堵漏風通道、注氮氣、煤體注水為主，鄰近采空區灌注黃泥漿為輔的“立體”綜合防滅火治理后，309盤區采空區、8939“孤島”工作面采空區未出現遺煤自燃現象，保證了工作面的安全生產。

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