薄煤層無煤柱開采綜合防滅火技術

呂 斌

(大同煤礦集團有限責任公司 通風處,山西 大同 037000)

采空區(qū)遺煤自燃作為煤礦火災之一,嚴重影響著礦井的安全高效生產(chǎn),為此眾多學者從理論和技術方面對采空區(qū)遺煤自燃進行了大量研究[1-4]。自無煤柱開采技術提出以來,在礦井中得到了一定的應用,其采空區(qū)遺煤自燃特征與常規(guī)開采技術也有一定區(qū)別。

馮恩杰等[5]根據(jù)東灘礦綜采放頂煤無煤柱開采煤層自然發(fā)火的特點,對煤層自然發(fā)火區(qū)及發(fā)火等級進行了劃分,闡述了煤層自燃發(fā)火的特征。宋立兵等[6]對神東礦區(qū)哈拉溝煤礦通風系統(tǒng)、采空區(qū)自燃三帶分布等分析,總結了切頂卸壓無煤柱開采技術采空區(qū)防滅火管理經(jīng)驗。張永明等[7]以烏蘭煤礦為例,通過對無煤柱開采下煤巖體裂隙發(fā)育狀況和漏風通道的分析,研究了易自燃煤層工作面在無煤柱開采條件下的防滅火技術。馬嬌等[8]通過數(shù)值模擬分析了煤柱寬度及不同注氮方式下采空區(qū)自燃三帶分布情況,發(fā)現(xiàn)段間無煤柱開采會形成大面積復合采空區(qū),使本采空區(qū)氧化帶寬度增加、注氮后高濃度氮氣積聚區(qū)域減小,降低注氮防滅火效果。

綜上所述,前人對無煤柱開采防滅火的研究取得了一定的成果,值得我們借鑒。本文以晉華宮煤礦為例,通過分析現(xiàn)有通風方式下無煤柱開采與傳統(tǒng)開采采空區(qū)漏風的區(qū)別,對薄煤層無煤柱開采防滅火技術進行了研究。

1 礦井概況

晉華宮礦7-4#層402盤區(qū)8209工作面,是晉華宮礦第一個無煤柱工作面,同時也是同煤集團首批回采的無煤柱工作面。8209工作面的走向長度1 232.5 m,傾斜長度190.5 m,煤層厚度0.95 m～2.1 m,平均厚度為1.4 m,8209工作面回采煤層煤塵具有爆炸性,自燃傾向性等級Ⅰ級,最短自然發(fā)火期為62 d。采用走向長壁后退式開采,留巷方式為切頂卸壓留巷,預計留巷長度750 m。工作面布置如圖1所示。

圖1 8209工作面布置圖

8209工作面回采至留巷段之前通風方式為“一進兩回”式通風,即2209巷進風,2207巷和5209巷回風。留巷段期間的通風方式為“兩進一回”,即2209巷和2207巷進風,5209巷回風。

2 采空區(qū)漏風分析

回采至留巷段前通風方式如圖2所示。該通風方式下,采空區(qū)漏風與傳統(tǒng)的“U”型通風方式一樣,漏風主要在進風巷和工作面后方的采空區(qū)。

圖2 回采至留巷段前通風方式及漏風

回采至留巷段后通風方式如圖3所示。在該通風方式下,采空區(qū)漏風除了2209進風巷及工作面后方外,還增加了由切頂留巷段的漏風。由于留巷段巷幫一側為采空區(qū)冒落帶,使留巷段處采空區(qū)處于一種開放的狀態(tài),與傳統(tǒng)開采方式相比漏風相對嚴重。同時,由于漏風量的增加,導致采空區(qū)氧化帶范圍增大,漏風量的增加也會增加采空區(qū)的氧氣量,會加速采空區(qū)遺煤的氧化,增加采空區(qū)放滅火的管理難度。

圖3 回采至留巷段后通風方式及漏風

3 留巷期間防滅火方案及效果

3.1 防滅火方案

采空區(qū)自然發(fā)火主要原因包括兩方面:一是遺煤暴露時間達到自然發(fā)火期;二是采空區(qū)漏風較大為采空區(qū)遺煤提供充足的氧氣。因此,結合回采期間采空區(qū)漏風分析,回采留巷段期間,為防止采空區(qū)遺煤自燃,主要采取以下防滅火措施:

1)加強采空區(qū)預測預報。通過瓦檢員加強工作面及混合風流CO等自然發(fā)火指標氣體和回風流溫度檢查,同時留巷巷道內(nèi)每回采150 m增設一個CO傳感器,加強預報手段,時刻關注采空區(qū)是否存在自然發(fā)火征兆,以便發(fā)現(xiàn)工作面溫度明顯上升、有芳香族碳氫化合物、CO濃度超過0.002 4%或增加較快等發(fā)火征兆時,及時撤人并采取防滅火措施。

2)架間噴灑氯化鎂阻化劑。在回采工作面支架內(nèi)每隔30 m安設1個霧化器,對采空區(qū)噴灑氯化鎂阻化劑。噴灑氯化鎂阻化劑后能夠吸收空氣空的水分,在煤的表面形成含水液膜,阻止了煤與氧氣的接觸,同時會增加煤在低溫時的化學惰性,降低煤的氧化速度。

3)2209進風順槽端頭封堵。利用砂袋裝填黃土,沿工作面切頂線構筑封堵墻,封堵墻沿巷道走向呈分層垂直咬合壘砌,封堵墻的兩側必須與相鄰的支架尾梁和巷道煤壁接嚴,且頂端必須與巷頂接實。當工作面正常回采時,每推進30 m左右構筑一道封堵墻,減少采空區(qū)漏風。

4)采空區(qū)注漿、注氮。回采過留巷段30 m后,在采空區(qū)中部對應地面向8209采空區(qū)中部施工1個Φ108 mm灌漿孔作為備用;在2209進風順槽安裝1臺制氮機、2臺空壓機并隨串車移動,確保存在自然發(fā)火隱患時可立即采取向采空區(qū)注氮的措施。

3.2 防滅火效果

回采過留巷段32 m、61 m、92 m、120 m、150 m時,在2209巷端頭對應切頂線處分別構筑了1道封堵墻,根據(jù)回風流漏風量測定結果,發(fā)現(xiàn)構筑封堵墻前漏風量均在175 m3/min左右,構筑封堵墻后漏風量均在60 m3/min～90 m3/min之間,有效降低了采空區(qū)漏風。

留巷距離達98 m時,5209巷回風流中氣體化驗顯示存在C2H6和CO氣體,隨著回采繼續(xù)推進,C2H6氣體從0.002 6%逐漸增大至0.062 8%,CO氣體逐漸從0.000 6%升高到0.001 4%,為防止采空區(qū)自燃,啟用了注氮系統(tǒng)。C2H6和CO氣體濃度隨注氮時間變化如圖4所示。

從圖中可以看出,隨著注氮時間的增加,5209回風巷中C2H6氣體濃度和CO氣體濃度逐漸降低,注氮時間達到第10 d時C2H6氣體濃度降到0,注氮時間達到第9 d時,CO濃度降低到0,表明注氮效果良好,有效防止了采空區(qū)遺煤自燃事故的發(fā)生。在之后的回采留巷過程中,采用該防滅火技術措施,采空區(qū)沒有發(fā)生自燃現(xiàn)象。

4-b CO氣體濃度變化曲線

4 結 論

1)無煤柱開采與傳統(tǒng)開采方式相比,采空區(qū)處于一種開放式狀態(tài),增加了采空區(qū)的漏風量,加速采空區(qū)遺煤氧化,增加了采空區(qū)防滅火的難度。

2)采用進風順槽端頭封堵技術后,采空區(qū)漏風量由175 m3/min降低到60 m3/min～90 m3/min之間,有效降低了采空區(qū)的漏風量。

3)回風流中CO和C2H6氣體濃度升高后,為防止采空區(qū)自燃,啟用注氮措施,有效防止了自燃事故的發(fā)生。

4)采用加強預報、端頭封堵、噴灑阻化劑、采空區(qū)注漿注氮綜合防滅火技術能夠有效降低采空區(qū)自燃事故的發(fā)生,保證工作面地安全回采。