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,為此眾多學者從理論和技術方面對采空區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,其采空區遺煤自燃特征與常規開采技術也有一定區別。

馮恩杰等[5]根據東灘礦綜采放頂煤無煤柱開采煤層自然發火的特點,對煤層自然發火區及發火等級進行了劃分,闡述了煤層自燃發火的特征。宋立兵等[6]對神東礦區哈拉溝煤礦通風系統、采空區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防滅火管理經驗。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]通過數值模擬分析了煤柱寬度及不同注氮方式下采空區自燃三帶分布情況,發現段間無煤柱開采會形成大面積復合采空區,使本采空區氧化帶寬度增加、注氮后高濃度氮氣積聚區域減小,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,通過分析現有通風方式下無煤柱開采與傳統開采采空區漏風的區別,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,采空區漏風與傳統的“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。

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冒落帶,使留巷段處采空區處于一種開放的狀態,與傳統開采方式相比漏風相對嚴重。同時,由于漏風量的增加,導致采空區氧化帶范圍增大,漏風量的增加也會增加采空區的氧氣量,會加速采空區遺煤的氧化,增加采空區放滅火的管理難度。

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

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

1)加強采空區預測預報。通過瓦檢員加強工作面及混合風流CO等自然發火指標氣體和回風流溫度檢查,同時留巷巷道內每回采150 m增設一個CO傳感器,加強預報手段,時刻關注采空區是否存在自然發火征兆,以便發現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每隔30 m安設1個霧化器,對采空區噴灑氯化鎂阻化劑。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,減少采空區漏風。

4)采空區注漿、注氮。回采過留巷段30 m后,在采空區中部對應地面向8209采空區中部施工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,確保存在自然發火隱患時可立即采取向采空區注氮的措施。

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,根據回風流漏風量測定結果,發現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%,為防止采空區自燃,啟用了注氮系統。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,有效防止了采空區遺煤自燃事故的發生。在之后的回采留巷過程中,采用該防滅火技術措施,采空區沒有發生自燃現象。

4-b CO氣體濃度變化曲線

4 結 論

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

2)采用進風順槽端頭封堵技術后,采空區漏風量由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,為防止采空區自燃,啟用注氮措施,有效防止了自燃事故的發生。

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