復(fù)雜條件下綜放工作面煤自燃防治技術(shù)研究

趙 強(qiáng) 周玉金

(內(nèi)蒙古蒙泰不連溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市，010321)

煤炭是我國的主要能源，煤炭自燃是我國煤礦的主要災(zāi)害之一[1-2]。在我國國有重點(diǎn)煤礦中，因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[3-5]。隨著煤炭資源的不斷開采，優(yōu)質(zhì)煤層越來越少，煤炭開采也從優(yōu)質(zhì)煤層逐漸轉(zhuǎn)向復(fù)雜煤層，復(fù)雜煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，開采難度較大。加之綜放工作面回采率低，推采較慢，采空區(qū)煤自然發(fā)火問題突出[6-7]。尤其在工作面末采不放頂煤期間，常規(guī)的防滅火技術(shù)很難做到有效地防治煤自燃，為此，有必要對綜放工作面高位遺煤自燃的防治進(jìn)行技術(shù)研究與實(shí)踐。

1 工作面概況

蒙泰不連溝煤業(yè)F6209工作面位于二盤區(qū)東翼，西連6#煤層輔運(yùn)大巷，北鄰F6208工作面采空區(qū)，東部為井田邊界，南部為F6210未采工作面。該工作面總體呈東高西低，煤層埋深181.5～346.6 m。工作面長度為2183.8 m，切眼長度為254.3 m，該工作面采用綜合機(jī)械化后退式放頂煤采煤方法，采高4.0 m，全部垮落法管理頂板，共布置兩條巷道，輔運(yùn)巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷回風(fēng)。工作面開采6#煤層，自然發(fā)火期為31 d，屬于I級容易自燃煤層，工作面具體布置情況如圖1所示。

圖1 F6209工作面布置平面圖

2 工作面煤自燃問題及防治難點(diǎn)

(1)F6209工作面在剩余150 m時，工作面由于過構(gòu)造帶，回采速度較慢，遺煤量大，且設(shè)備老化，檢修時間長，采空區(qū)遺煤持續(xù)氧化蓄熱，出現(xiàn)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，CO不斷升高至0.1%左右，且伴有乙烯(C2H4)產(chǎn)生。

(2)工作面回采過程中始終伴有采空區(qū)漏風(fēng)，漏風(fēng)量為100～200 m3/min，遺煤氧化加快，采空區(qū)內(nèi)CO濃度為0.06%，已有急速升高趨勢。

(3)工作面采取了常規(guī)的采空區(qū)注漿、噴灑阻化劑、注氮等綜合防滅火措施，但效果不佳，CO和瓦斯?jié)舛热匀患彼偕仙?/p>

(4)工作面停采前50 m范圍未放頂煤，造成工作面采空區(qū)內(nèi)留有大量遺煤，同時工作面進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道在推采過程中不放或少放頂煤，致使工作面上、下部一定范圍內(nèi)頂煤未能充分垮落遺留在采空區(qū)，遺煤氧化危險性高。

(5)工作面進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道在回采過程中，垮落壓實(shí)效果不佳，致使進(jìn)風(fēng)巷道、回風(fēng)巷道頂板垮落沉積不實(shí)，形成“三角”隱患漏風(fēng)通道，造成工作面上、下隅角處漏風(fēng)較多，工作面采高較大，煤層頂板垮落后沉積壓實(shí)效果不佳，造成采空區(qū)內(nèi)存在復(fù)雜動態(tài)性漏風(fēng)通道。

(6)采空區(qū)深部氧化區(qū)域范圍，準(zhǔn)確定位難度較大，治理難度大。

3 工作面火災(zāi)治理

3.1 氧化區(qū)域判定

(1)由于存在地面持續(xù)漏風(fēng)問題，采空區(qū)大范圍內(nèi)氧氣瓦斯?jié)舛仍?0%以上，綜合以下因素劃分大致氧化范圍：工作面過陷落柱期間，頂板破碎，采空區(qū)留煤量大；工作面過陷落柱期間，支架老化，該區(qū)域氧化時間充足；結(jié)合該煤層最短自然發(fā)火期及推采速度的分析，陷落柱附近的遺煤已滿足氧化自燃條件。初步判斷該區(qū)域?yàn)檠趸ｋU區(qū)域。

(2)在初步劃定區(qū)域內(nèi)通過F6210輔運(yùn)巷穿煤柱向采空區(qū)打設(shè)檢測鉆孔，通過檢測鉆孔測得采空區(qū)CO氣體高達(dá)0.1%以上，故最終確定陷落柱附近為煤自燃治理區(qū)域。通過進(jìn)一步檢測，劃定治理區(qū)域?yàn)橄萋渲?0 m左右的范圍內(nèi)。

3.2 防滅火措施

(1)治理方向。針對采空區(qū)的遺煤自燃及地表持續(xù)漏風(fēng)問題，為保證工作面的順利推進(jìn)及安全回撤，此次治理所要達(dá)到的目的有兩個：一是氧化區(qū)域注漿隔氧冷卻，有效處理采空區(qū)遺煤氧化自燃問題，最大程度減少CO等有害氣體涌出；二是采空區(qū)全長注漿封堵隔離，有效減少采空區(qū)漏風(fēng)和預(yù)防采空區(qū)遺煤進(jìn)一步氧化自燃。

(2)施工方案。在不影響工作面正常推進(jìn)的情況下，選擇在相鄰F6210輔運(yùn)巷向F6209采空區(qū)打鉆注漿，打鉆位置選擇在F6210輔運(yùn)巷內(nèi)，對應(yīng)于F6209工作面陷落柱前21 m范圍內(nèi)每隔7 m打一個鉆孔，鉆孔設(shè)計如圖2所示。

圖2 采空區(qū)鉆孔布置示意圖

根據(jù)巷道和采空區(qū)標(biāo)高決定鉆孔開孔高度、角度和終孔位置：1#、2#、3#鉆孔開孔高度均為F6210輔運(yùn)巷底板以上2 m，1#鉆孔角度為15°，孔深為230 m；2#鉆孔角度為10°，孔深為180 m；3#鉆孔角度為7°，孔深為130 m；4#鉆孔角度為10°，孔深為80 m；鉆頭、鉆桿為一次性注漿鉆具，既滿足打鉆要求，又滿足注漿要求。

3.3 普瑞特防滅火新技術(shù)

為滿足防滅火材料在采空區(qū)的全方位擴(kuò)散、覆蓋，封堵漏風(fēng)通道，同時又要具有很好的保水性能，可以很好處理遺煤氧化高溫區(qū)域，此次治理采用普瑞特防滅火成套技術(shù)及裝備，通過注漿鉆孔向采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域大量灌注。

普瑞特防滅火材料糅合了三相泡沫的擴(kuò)散性、凝膠的保水性及阻化劑的阻化性能，物理發(fā)泡，發(fā)泡倍數(shù)在20倍以上，全方面擴(kuò)散效果顯著，保水性在95%以上，極大減少水分流失，對采空區(qū)高位遺煤保持長期冷卻降溫；粘附性、掛壁性佳，可很好覆蓋包裹煤體；采用惰性氣體常溫發(fā)泡，既不產(chǎn)生熱量，又能在泡沫破裂的同時不斷釋放氮?dú)猓掷m(xù)惰化采空區(qū)[8-10]。

普瑞特防滅火材料為A、B兩組份料，分別與水按體積比為4%和2%混合，通過專用雙液氣動泵抽吸并輸送，材料在發(fā)泡成膠裝置通過礦用氮?dú)饣驂猴L(fēng)而成膠發(fā)泡，最終制備出的泡沫狀膠體通過鉆孔注入目標(biāo)區(qū)域。普瑞特防滅火材料技術(shù)參數(shù)：發(fā)泡倍數(shù)≥20，泡沫穩(wěn)定時間≥10 h，保水性為6個月內(nèi)失水20%，A料添加量為2%，B料添加量為1%。

注漿設(shè)備采用煤礦用氣動注漿泵，型號2ZBQS45/4，額定壓力4 MPa，額定瓦斯流量45 L/min，最大輸出壓力6.5 MPa，最大輸出瓦斯流量100 L/min，額定供氣壓0.5 MPa，重量129 kg。普瑞特防滅火材料應(yīng)用工藝如圖3所示。

1-普瑞特A料與水混合液吸料管；2-普瑞特B料與水混合液吸料管；3-普瑞特A料輸出管路；4-礦用壓風(fēng)管路；5-氣動雙液注漿泵；6-普瑞特B料輸出管路；7-穩(wěn)壓器；8-氮?dú)夤苈罚?-普瑞特發(fā)泡成膠裝置；10-普瑞特輸出管路圖3 普瑞特防滅火材料應(yīng)用工藝

3.4 防滅火材料應(yīng)用及治理結(jié)果

F6209工作面灌注普瑞特前，采空區(qū)內(nèi)CO和瓦斯?jié)舛?.065%～0.1202%，漏風(fēng)量800～1000 m3/min，采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)了乙炔(C2H2)等標(biāo)志性氣體，蒙泰不連溝煤業(yè)采取了采空區(qū)注漿、注氮、噴灑阻化劑等綜合防滅火措施后，效果不明顯，并且CO和瓦斯的濃度一直上升，已處于失控狀態(tài)。經(jīng)按照上述設(shè)計向采空區(qū)灌注普瑞特后，采空區(qū)、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流內(nèi)CO和瓦斯?jié)舛乳_始回落，采空區(qū)漏風(fēng)量由800～1000 m3/min回落至100～300 m3/min，半個月后，采空區(qū)、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流中CO和瓦斯?jié)舛然謴?fù)正常。灌注普瑞特前后自然火災(zāi)預(yù)測循環(huán)系統(tǒng)報告情況見表1。

表1 灌注普瑞特前后自然火災(zāi)預(yù)測循環(huán)系統(tǒng)報告

通過灌注普瑞特材料，采空區(qū)、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流中CO瓦斯?jié)舛然芈涿黠@，20 d后，采空區(qū)、回風(fēng)隅角以及回風(fēng)流中CO和瓦斯?jié)舛确謩e為0.003%、0.0023%和0.0018%。采空區(qū)內(nèi)已無發(fā)火跡象，F(xiàn)6209工作面安全順利回采完畢。CO變化情況如圖4所示。

圖4 CO變化趨勢圖

4 結(jié)論

(1)F6209工作面埋深淺，地表裂隙發(fā)育，回采期間地表向工作面持續(xù)漏風(fēng)，加之采空區(qū)遺煤量大，末采、回撤準(zhǔn)備時間長，從而導(dǎo)致采空區(qū)遺煤區(qū)域氧化自然發(fā)火。

(2)通過對F6209工作面采空區(qū)遺煤發(fā)火區(qū)域的分析和判定，在常規(guī)防滅火措施無法實(shí)現(xiàn)有效治理效果的情況下，采用深部注漿鉆孔壓注普瑞特防滅火材料的措施后，采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域得到控制，工作面CO和瓦斯?jié)舛让黠@降低，保證了工作面安全回撤。普瑞特防滅火新技術(shù)在F6209工作面回撤期間的良好應(yīng)用效果為礦區(qū)防滅火技術(shù)提供了新的技術(shù)力量和治理經(jīng)驗(yàn)。