滕東煤礦連通采空區(qū)自然發(fā)火治理技術(shù)研究

王繼勝 牛思云 梁開(kāi)山

（1.山東省滕東生建煤礦，山東 滕州 277522；2.山東省滕州監(jiān)獄，山東 滕州 277516）

與傳統(tǒng)的大煤柱護(hù)巷技術(shù)相比，沿空掘巷留設(shè)小煤柱具有采出率高、巷道維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)，沿空掘巷留設(shè)小煤柱技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用[1]。然而，小煤柱在采動(dòng)及地應(yīng)力作用下，易發(fā)生塑性破壞并形成導(dǎo)風(fēng)裂隙，形成大面積多連通采空區(qū)，容易引發(fā)采空區(qū)遺煤自燃[2]。為了有效防治連通采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃，優(yōu)化整合采空區(qū)防滅火技術(shù)，并在滕東煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。

1 工程概況

重慶煤科院2015年對(duì)滕東生建煤礦3下煤層的煤樣鑒定結(jié)果：自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，自然發(fā)火期為63d。礦井現(xiàn)開(kāi)采工作面為3下111工作面，已經(jīng)停采的3下109綜放工作面、3下107綜放工作面、3下105綜放工作面、3下103綜放工作面之間留設(shè)6m的保護(hù)煤柱，現(xiàn)已破碎漏風(fēng)，形成的連通采空區(qū)內(nèi)流場(chǎng)分布復(fù)雜；綜放工作面上下端頭處以及斷層等地質(zhì)構(gòu)造附近留有大量遺煤，容易造成遺煤自燃。因此，需要對(duì)連通采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)特點(diǎn)進(jìn)行分析，并制定針對(duì)性的綜合治理措施消除采空區(qū)自燃隱患。

2 連通采空區(qū)漏風(fēng)分析與控制

采空區(qū)漏風(fēng)是指送到井下的新鮮風(fēng)流未經(jīng)過(guò)工作面或者其他需要排出有毒有害氣體的位置而從煤巖體裂隙、地表裂縫、未密封的通風(fēng)構(gòu)筑物縫隙中散失的風(fēng)量[3]。現(xiàn)場(chǎng)釋放SF6示蹤氣體進(jìn)行了漏風(fēng)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)連通采空區(qū)內(nèi)的主要漏風(fēng)源為3下111工作面沿空巷道以及各采空區(qū)密閉，采用噴涂封堵材料以及加固密閉控制漏風(fēng)。

2.1 沿空巷道噴涂封堵加固技術(shù)

沿空巷道受地應(yīng)力及采動(dòng)影響，內(nèi)部裂隙發(fā)育、導(dǎo)通，成為連通采空區(qū)的主要漏風(fēng)通道之一，采用噴涂SPA-3泡沫型快速密閉材料以及MAB高分子材料進(jìn)行封堵。SPA-3泡沫型快速密閉材料通常用來(lái)封堵工作面沿空巷道。該材料質(zhì)量輕，便于井下運(yùn)輸、保存；操作工序簡(jiǎn)單，施工速度快；勞動(dòng)強(qiáng)度低，封堵成本低；具有塑性，對(duì)巷道變形有一定的適應(yīng)性，封堵效果好。使用時(shí)，需將兩種液體按照一定比例配比混合，并在催化劑作用下由噴射槍噴出，在沿空巷道裂隙內(nèi)膨脹、發(fā)泡，形成泡沫狀硬質(zhì)固化物。

MAB高分子封堵材料主要由幾種高分子材料及多種無(wú)機(jī)阻燃材料經(jīng)特殊工藝加工而成。MAB材料配水成型后形成膠體，該膠體強(qiáng)度高，粘性大，保水時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)煤壁及裂隙有良好的粘附、填充作用，同時(shí)有良好的散熱能力。

2.2 工作面隅角加筑隔離墻

工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角是工作面向采空區(qū)漏風(fēng)最嚴(yán)重的區(qū)域[4]，需要掛設(shè)防風(fēng)簾，并加筑SPB高分子材料隔離墻，壓注MBA防滅火材料。隔離墻共施工兩道，間距10m，隔離墻具體布置如圖1所示。

圖1 高分子材料隔離墻示意圖

3 采空區(qū)日常監(jiān)測(cè)

采空區(qū)內(nèi)日常監(jiān)測(cè)主要包括密閉處的壓能監(jiān)測(cè)以及采空區(qū)內(nèi)的束管監(jiān)測(cè)。

3.1 密閉處壓能監(jiān)測(cè)

漏風(fēng)強(qiáng)度的大小可以通過(guò)漏風(fēng)壓差表征出來(lái)，同樣限定最大的漏風(fēng)量以后，即可求得漏風(fēng)通道兩端允許的最大風(fēng)壓差。要確保采空區(qū)安全，需要將漏風(fēng)強(qiáng)度控制在0.06m3/(min·m2)以下[5]。按照上述漏風(fēng)控制數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，工作面停采線(xiàn)兩端的壓差不能超過(guò)69Pa，巷幫煤柱兩端的的壓差不應(yīng)超過(guò)37.5Pa。考慮滕東煤礦現(xiàn)場(chǎng)施工條件以及U型水柱計(jì)精度，將密閉兩端臨界值設(shè)定為50Pa，沿空順槽可能形成的漏風(fēng)通道兩端的壓差控制臨界值設(shè)定為30Pa。密閉壓能測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。壓能測(cè)定由測(cè)風(fēng)員負(fù)責(zé)，每天上午12時(shí)和凌晨24時(shí)進(jìn)行一次，做好數(shù)據(jù)記錄。若壓能差超過(guò)50Pa，需派瓦斯檢查員在密閉墻內(nèi)外進(jìn)行氣體取樣，并及時(shí)對(duì)密閉進(jìn)行堵漏風(fēng)處理。

圖2 壓能測(cè)定測(cè)點(diǎn)布置圖

3.2 溫度和氣體監(jiān)測(cè)及預(yù)警

滕東煤礦安裝有KJ90NB型煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)，井下共設(shè)立監(jiān)測(cè)分站18個(gè)，裝有CH4、CO、風(fēng)速等傳感器102臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛蕊@示、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)斷電等功能；工作面掘進(jìn)時(shí)埋設(shè)束管以及溫度傳感器，進(jìn)行溫度及氣體分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)高溫火點(diǎn)；采空區(qū)密閉檢查時(shí)堅(jiān)持“六測(cè)”原則，實(shí)現(xiàn)對(duì)積水、CH4濃度、O2濃度、CO、H2S、溫度的全方位監(jiān)測(cè)。

建立了氣體監(jiān)測(cè)四級(jí)預(yù)報(bào)體系：當(dāng)采掘工作面回風(fēng)流或密閉內(nèi)外CO增量濃度達(dá)10ppm時(shí)，說(shuō)明熱源溫度已達(dá)70℃以上，此時(shí)發(fā)出早期預(yù)報(bào)，以便做好思想和物資準(zhǔn)備；當(dāng)乙烯濃度達(dá)1ppm時(shí)，證明熱源溫度將接近臨界值，此時(shí)發(fā)出中期預(yù)報(bào)，要求迅速制定滅火措施，控制火情發(fā)展；當(dāng)烷烯比值達(dá)到3時(shí)，說(shuō)明熱源溫度已達(dá)到臨界溫度，已處于加速氧化期，此時(shí)發(fā)出后期預(yù)報(bào)，通知有關(guān)部門(mén)立即采取果斷措施，撲滅熱源；當(dāng)烷烯比值等于1時(shí)發(fā)出緊急預(yù)報(bào)，在無(wú)把握準(zhǔn)確找到熱源的情況下，進(jìn)行火區(qū)封閉。

4 高溫火點(diǎn)以及自燃區(qū)域處理

煤礦建立了以注漿為主、注惰性氣體為輔的綜合防滅火系統(tǒng)。地面制漿站設(shè)在主井西側(cè)，配備N(xiāo)G-30/30型制漿機(jī)，水池容量64m3，安裝NJ5000型漿池?cái)嚢杵鳌J-30攪拌筒2個(gè)，配備JB500-LD型上料皮帶2部，制漿能力30m3/h。制氮房裝有AH-LG-600型地面固定式制氮裝置（如圖3所示），每小時(shí)連續(xù)制氮600m3，同時(shí)配有MYQ-600型注液態(tài)二氧化碳系統(tǒng)，汽化器汽化能力600m3/h。

4.1 采空區(qū)預(yù)防性注漿

3下111工作面必須采取預(yù)防性灌漿措施，利用地面制漿系統(tǒng)在運(yùn)輸巷埋設(shè)注漿管路，采用隨采隨灌的方式。注漿用地面注漿系統(tǒng)使用黃土，漿水濃度控制在1:4～1:5之間，同時(shí)漿水添加防滅火劑MAB，其配比為1m3漿水配MAB 15kg，注漿流量控制在20～25m3/h，日注漿量為100～150m3。

4.2 注惰性氣體防滅火技術(shù)

液態(tài)二氧化碳用于煤層火災(zāi)防治的特點(diǎn)：二氧化碳噴出后迅速由液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，空氣的密度大，可快速沉入底部并擠出氧氣，使氧氣濃度急速下降；液態(tài)二氧化碳可完全避免由于注入惰氣時(shí)可能帶入氧氣的不利影響。

在工作面進(jìn)風(fēng)隅角安設(shè)花管開(kāi)始埋設(shè)注氮管路，推采40m后開(kāi)始注氮，安設(shè)花管埋設(shè)另1路注氮管路，即注氮管路步距為40m循環(huán)開(kāi)口，使注氮口在老塘距隅角始終保持在40～80m。注氮實(shí)行24h連續(xù)注氮，注氮流量不低于400m3/h，注氮時(shí)氮?dú)鉂舛炔坏陀?7%。

5 結(jié)論

為防止連通采空區(qū)遺煤自燃，優(yōu)化整合了自然發(fā)火防治技術(shù)，在滕東生建煤礦應(yīng)用期間連通采空區(qū)內(nèi)未出現(xiàn)高溫火點(diǎn)以及自燃隱患，有效保證了滕東生建煤礦的生產(chǎn)安全。