淺埋深易自燃煤層綜合防滅火技術應用

2021-01-11 01:05:18李海彥

中國煤炭工業 2020年3期

文/李海彥

煤層自燃是煤礦主要災害之一，在煤礦事故中占有較大的比例。內蒙古準格爾旗特弘煤炭有限公司官板烏素煤礦現主采6號煤層，均為綜采放頂煤工作面，采空區遺煤多、空間大、漏風嚴重，歷史上曾多次發生采空區自燃現象，防止煤層自燃成為礦井安全工作的重點。官板烏素煤礦在處理604工作面自燃現象過程中，結合現場情況，采取針對性措施，運用多種防滅火手段，有效地制止了采空區遺煤自燃，為今后的防滅火工作積累了寶貴的經驗。

一 604工作面概況

官板烏素煤礦位于準格爾煤田北部，本井田自上而下主采煤層有2層，即6-1、6號煤層，目前6-1煤已經采完，只剩下6號煤層，6號煤層位于太原組中部。煤層埋深132.05～283.72m，平均201.00m。屬富灰、特低硫、低變質長焰煤。

604工作面位于6號煤層中。該面北以采區回風下山為界，西以605綜放工作面采空區為鄰，東以603綜放工作面采空區為鄰，南以604工作面切眼為界。采用綜采放頂煤走向長壁采煤法，走向長度820m，傾斜長度160m，平均煤層厚度12.5m，采高3m，回采放頂煤高度9.5m。該采面于2018年元月份安裝完畢，采面配風950m3/min，工作面采用

二礦井綜合防滅火技術應用

上行通風，運輸順槽為工作面進風巷。當月開始試采，于2019年2月份結束，3月份撤架回收，4月初完成永久性封閉。

604工作面為放頂煤工作面，放頂煤高度為9.5m，受采煤工藝的限制，實際回收率在65%左右，造成采空區空間有大量遺煤,使得大量漏風通過采空區，給采空區自燃創造了條件，僅靠單一的防滅火措施很難抑制采空區自燃，必須多管齊下，多措并舉，這樣才能有效控制采空區遺煤氧化自燃現象的發生。

1.建立完善礦井火災預測預報體系

（1）束管監測及色譜分析。沿604采面回風順槽敷設三根束管進入采空區，三根束管的取氣點分別在604采空區以里20m、40m、60m處，交替外移，利用JSG-8井下自燃火災束管監測系統，對604工作面采空區的氣體進行不間斷監測分析，根據分析結果判斷自然發火趨勢，以便對采空區遺煤自燃作出科學的預測預報。

（2）安全監控預警系統。在604采面、回風隅角、采面回風，各安設1臺一氧化碳傳感器，監測一氧化碳，同時在604采面回風隅角和采面回風安設溫度傳感器，對溫度變化進行連續監測。

（3）人工檢測與取樣分析化驗。瓦斯員每班兩次對604采面、回風隅角及采面回風一氧化碳氣體和溫度情況進行檢測，每天對上隅角進行一次取氣，利用SP3430型煤礦專用氣相色譜儀檢測氣體組份。

通過上述三種預測預報手段，及時填繪各種氣體組分和溫度變化曲線，根據變化趨勢，判斷采空區遺煤氧化程度，為采取相應的防治措施提供依據。

2.注漿防滅火系統及應用

利用風井工業場地面注漿設備，一套FMH-60T全自動黃土注漿防滅火系統，對604采空區進行預防性灌漿。漿液經攪拌機制成后，進入灌漿池，由灌漿泵將漿液輸送到地表灌漿管，再流入風井井筒灌漿管到井下灌漿管路。

根據本礦開拓布置特點，井下采用隨采隨灌、埋管灌漿的注漿方法，在604輔運順槽內敷設注漿管路，與主管路連接，從回風順槽向工作面采空區灌漿。重點對兩道、兩線（即上、下順槽，切眼和停采線）進行預防性灌漿，灌漿時，先在采空區外圍形成密封的泥漿帶，再往深處灌漿，既保證了灌漿效果，又減少了水、土的消耗。

3.注惰防滅火系統及應用

礦井下配有一套移動式Dt-400/6碳分子篩制氮機，氮氣產量400m3/h，氮氣純度≥97%，氮氣出口壓力≥0.6MPa。注氮方法為埋管式注氮：在工作面進風（順槽）一側沿采空區埋設一趟注氮管路。當埋入一定深度后開始注氮，同時埋設第二趟注氮管路。當第二趟注氮管口埋入采空區氧化帶與冷卻帶的交界部位時開始向采空區注氮，同時停止第一趟管路注氮，并重新埋設注氮管路，如此循環，直至工作面采完為止。

注氮方式從空間上分為開放式注氮和封閉式注氮，在不影響工作面的正常生產和人身安全時，可采用開放式注氮。從時間上分為連續性注氮和間斷性注氮。工作面開采初期和停采撤架期間，或因遇地質破碎帶、機電設備等原因造成工作面推進緩慢，宜采用連續性注氮。工作面正常回采期間，可采用間斷性注氮。

4.噴灑阻化劑抑制采空區遺煤氧化

604綜放工作面配備2套BH-40/2.5型阻化劑噴射泵（一用一備），最高壓力：4MPa；最大流量：36～55L/min；最大射程：28m（接20m管路）；保證隨時能夠向采面、架間、隅角浮煤噴灑阻化劑。

采用來源廣泛、價格便宜、阻化率高、配制容易、對設備無腐蝕的工業氯化鎂(MgCl2·6H2O)作為阻化劑。根據實踐情況，阻化劑溶液濃度控制在15%～20%之間效果最好。工作面藥液的噴灑量根據采空區的丟煤量和丟煤的吸液量而定。對易發生煤炭自燃的部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎堆積帶等處進行加量噴灑。

5.利用均壓技術減少向采空區漏風

為了減少604采面進回風兩側的壓差，在604采面的進風側構筑一道調節風墻，根據采面上隅角和采面的CO涌出情況，實時進行調節，以降低采空區兩側的壓差，減少采面向采空區的漏風。同時在604綜放工作面上下順槽入口處，各安設一臺風壓傳感器，實時觀測采面上下端頭壓差，按照以往的經驗值，上下兩端壓差控制在10Pa以內，一旦發現超過這個數值，立即采取減小壓差的措施。

6.采用科學合理的開采工藝

（1）采用科學的巷道布置和采煤工藝。避免或減少煤體碎裂，減少孔隙度，從而可以減少氧氣向煤體內部擴散的通道，減小反應面，達到降低氧化速度的目的。采區設計的原則是盡量少留煤柱，相鄰的兩個工作面留設煤柱時，適當加大尺寸，留設17m寬的保護煤柱，這個寬度能保證煤柱在服務期內不被壓酥。選用走向長臂式綜合機械化采煤工藝，這種采煤方法巷道布置簡單，準備周期短，具有較大的防火安全性；工作面回采速度快，生產集中，單產高，在相同產量的條件下，煤壁暴露時間短，及時放頂煤，使采空區頂板及時冒落壓實，浮煤與漏風接觸時間短；采煤工作面采用后退式開采，根據煤層自然發火期確定采面月推進度為60m，盡快將氧化后的遺煤及早甩入窒息帶。

（2）制定合理的放頂煤區域，加強頂板管理。礦井是綜采放頂煤采煤工藝，且階段連續開采，煤柱受采動壓力影響，在回采下一個階段時，與上一階段采空區之間的煤柱承壓較大，煤柱形成裂隙，存在漏風和發火危險，為此，采面上下端頭各留有三架不放頂煤，以減小上下兩巷頂板的壓力，盡最大限度保護兩巷煤柱的完整性，控制裂隙的形成，切斷漏風通道，從而達到抑制氧化的目的。此外，加強對頂板的管理，根據礦壓在線觀測記錄,掌握周期來壓時間節點，提前對采空區采取加強型注漿注惰措施，加大阻化劑噴灑密度，應對可能由于頂板來壓給采面正常推進造成的影響，防患于未然。

（3）加快推進度，優化“三帶”管理。采空區除了橫向的“三帶”，還有豎直方向的“三帶”，把采空區浮煤盡早甩入窒息帶是制止采空區自然發火的最有效手段。在盡可能提高回收率、減少采空區丟煤的同時，加快采面的推進度是防止604綜放工作面自然發火的重中之重，因此還要從生產環節來配合礦井的防滅火工作。按照束管采樣分析的結果，采空區縱深60m處的氧氣在5%以下，此處已經具備失燃條件，結合礦自然發火期限51天，所以在制定作業計劃時，把604綜放工作面的月推進度定在60m以上，留足了80%的冗余系數，從根本上切斷了采空區的自燃條件。

7.通風技術手段

（1）合理配風。調整工作面供風風量，破壞采空區熱量積聚的條件，盡可能減少采空區供氧量是工作面供風的基本原則，按照《煤礦安全規程》有關工作面風量計算的規定，按工作面氣象條件選擇適宜的風速計算出來的風量值最大，其計算結果為：

在實際推采過程中，受頂板壓力以及其他因素的影響，采面的有效斷面只有標準斷面的60%～70%左右，按照65%～75%的系數進行修改，隨著工作面有效斷面的大小而調整工作面配風，將采面供風量調整為840m3/min～970m3/min，風量調整后的604工作面既滿足了氣象條件，也大大減少了向采空區的漏風現象。

（2）上封下堵。采空區的浮煤吸附空氣中的氧，生成不穩定的氧化物，放出少量的熱，隨著時間的維持，煤的氧化速率會增快，發熱量會逐漸增大，如果改變供氧條件，能有效制止采空區浮煤自燃速度，因此，在604綜放工作面進、回風隅角每隔10m用渣袋對隅角進行封堵1次，改變了采空區的漏風路線，如圖1所示，從而改變了正在蓄熱的浮煤的供氧狀況，打破了浮煤原有的蓄熱平衡，達到了延長潛伏期的目的。

（3）量化管理。根據以往工作面治理采空區自然發火的經驗，制定了嚴格的CO和溫度控制指標。

CO控制指標：當采面回風一氧化碳濃度絕對量達到0.005m3/min，并有繼續上升趨勢時，立即采取密集取氣化驗手段，分析產生氧化的地點，在架間插2寸管，利用多功能阻化泵，向采空區注射阻化劑，同時在進風隅角向采空區注氮氣；當采面回風一氧化碳絕對量達到0.008m3/min時，立即撤人，采取進一步的防治措施。

溫度控制指標：按照以往的經驗，6號煤各個工作面的溫度都在14℃～17℃之間，以上限為準，超過17℃而且仍有上升趨勢時，必須分析氧化發熱點，同時采取向采空區注氮或注漿措施；當工作面溫度超過25℃時，立即撤人，采取進一步的防治措施。

8.地面治理

由于煤層埋藏淺，604綜放工作面煤厚達12.5m，隨著工作面推進，地表不斷地產生非連續式裂縫破壞帶，且出現了下沉跡象，致使采空區和地表間形成裂隙通道，礦井采用抽出式通風，在地面與采空區通風壓差的作用下，漏風風流由地面裂隙處滲入，經過采空區，然后往工作面回風側或其他低位能點滲漏，滲漏給采空區浮煤提供了供氧通道，延續了采空區深部浮煤的氧化環境。針對這些情況，采取了充填黃土的措施封堵地面裂隙，減少了通過地表和采空區之間的漏風，并在充填黃土的基礎上，進行復墾，利用農作物根系的抗拉和抗剪切作用，既加強了水土的凝聚力，又保持了水土不流失。