王家嶺煤礦18101工作面采空區防滅火技術研究

畢　猛

(山西王家嶺煤業有限公司,山西 忻州 034000)

1　礦井及綜采工作面概況

王家嶺煤礦設計生產能力5 Mt/a,主采煤層為4#煤層,根據山西省煤炭工業廳綜合測試中心出具的煤層自燃傾向性鑒定報告,該煤層為Ⅱ類自燃。18101位于井田東南部,走向長2 050 m,傾向200 m,工作面共布置4條順槽,通風形式為“兩進兩回”,主采4#煤層,煤層傾角-7°,平均厚度7.69 m,采煤工藝為綜采放頂煤后退式開采,全部垮落法管理頂板。

2　束管監測

采空區三帶的劃分是采空區防滅火的關鍵。為摸清王家嶺煤礦采空區三帶的具體距離,王家嶺煤礦在地面建立了防滅火實驗室,安裝了設備,在井下18101工作面建立束管監測系統,每天對工作面后部采空區和回風上隅角、回風流抽取氣樣進行化驗分析,每周對氣樣和溫度變化曲線圖進行綜合分析,工作面有自然發火傾向時要每天抽取氣樣進行化驗分析。

1)束管測點布置。根據工作面四周與上部8#煤層情況,束管監測點按實際情況設計為4個,1#點位于采空區,2#點位于工作面回風上隅角,3#點位于工作面回風流,4#點位于四采區8#煤層回風巷內。

2)采空區三帶劃分。束管測點分為兩個線路煤層自燃是長期暴露在空氣中的煤,由于氧化放熱導致溫度逐漸升高,當達到煤的著火點發生燃燒,煤層自燃過程其實是煤自身氧化蓄熱燃燒的一個過程。煤層自燃是許多因素共同作用的結果,煤層自燃必須同時具備幾個條件:具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態堆積、連續供氧、蓄積熱量的環境、時間。根據煤層自燃的原理以及氧氣濃度可將采空區分為三帶,分別為:散熱帶、自燃帶和窒息帶[1]。根據埋入束管測量數據分析,王家嶺煤礦采空區三帶劃分為:散熱帶(0 m～90 m,φ(O2)>18%);氧化帶(90 m～200 m,5%<φ(O2)<18%);窒息帶(200 m以外,φ(O2)<5%)。束管埋入采空區距離與氧氣濃度變化曲線圖,見圖1。

圖1　束管埋入采空區距離與氧氣濃度變化曲線圖Fig.1　Variation of the content of oxygen in goaf with the distance of buried tubes

3　采空區注氮

根據《煤礦用氮氣防滅火技術規范》(MT/T701-1997)規定,煤礦防滅火可選擇埋管、插管、施工鉆孔注氮等工藝,王家嶺煤業根據井下工作面具體情況,采用埋管注氮工藝進行采空區防滅火。

3.1　注氮原理

注氮技術就是通過地面制氮機制出高濃度氮氣向采空區壓入,由于氮氣密度比空氣大,不可燃也不助燃，采空區注入氮氣后,氮氣部分地替代氧氣而進入到煤體裂隙表面,使煤體對氧氣的吸附量降低,在很大程度上抑制或減緩了遺煤的氧化速度。另外氮氣在流經煤體時,吸收了煤氧化產生的熱量,可以減緩煤升溫的速度并降低周圍介質的溫度,使煤的氧化因聚熱條件的破壞而延緩。

3.2　注氮方法

在18101工作面膠帶順槽沿采空區埋設一趟注氮管路,當埋入采空區50 m后,同時再埋入第二趟注氮管路,當第二趟注氮管口埋入采空區冷卻帶與氧化帶的交界部位時(采空區100 m位置)向采空區注氮,同時斷開第一趟注氮管路,并停止第一趟管路的注氮,如此循環,直至工作面采完為止。18101工作面注氮管路安設步距示意圖見圖2。

圖2　18101工作面注氮管路安設步距示意圖Fig.2　Intervals of pipeline installation for nitrogen injection on 18101 working face

3.3　注氮布距以及“氧化帶”氧氣變化

根據采空區三帶數據,氮氣釋放口在采空區100 m處,其出口為0.2 MPa以上的注氮能力,注氮口有效半徑為25 m,則釋放間距為50 m。注氮連續8 h以后,氧氣濃度逐漸下降至16%左右,24 h降至14%后氧氣濃度趨于穩定,18101工作面氧氣濃度隨埋入深度變化曲線圖見圖3。

圖3　18101工作面氧氣濃度隨埋入深度變化曲線圖Fig.3　Variation of the oxygen content with the buried depth in 18101 working face

4　減少采空區漏風

為防止風量過大,采空區漏風增多從而導致采空區氧氣增加,在滿足正常安全生產的前提下,工作面配風量盡量減少,目前王家嶺煤業綜采工作面配風穩定在1 300 m3/min。除此之外,在綜采工作面上下隅角還吊掛風障,增大采空區漏風通道上的通風阻力,從而減少采空區漏風。

5　噴灑阻化劑

在工作面推進遇到地質構造帶(褶曲、斷層、夾矸等)時,工作面推進速度減慢,構造帶位置煤體裂隙發育,易構成漏風通道,且構造造成大量浮煤堆積,針對此特殊時期王家嶺煤業有限公司采用噴灑阻化劑進行采空區防滅火,就是每天定時對上下隅角的浮煤噴灑阻化劑(成分主要為15%的CaCl2溶液),阻化劑被配撒到煤體之后一部分包裹在煤表面,另外一部分充入煤體裂隙內,阻斷煤體的漏風通道,從而達到采空區滅火的目的。

6　結論

從煤層自燃氧化理論以及采空區三帶氧氣含量關系出發,采用理論、實驗與現場實踐相結合的方法,對王家嶺煤業18101工作面采空區的遺煤的氧化過程的規律進行了綜合研究，從采空區三帶的劃分，到采取來管監測預報、減少采空區漏風、噴灑阻化劑和注氮等多項措施，使工作面采空區的防滅火工作取得顯著的成效。