鹽井一礦煤層群開(kāi)采防滅火治理技術(shù)研究應(yīng)用

王璟

（重慶天弘礦業(yè)有限責(zé)任公司鹽井一礦，重慶 401520）

一、礦井概況

鹽井一礦井田位于重慶合川區(qū)南東，嘉陵江之南岸。為合川區(qū)鹽井鎮(zhèn)所轄。井田南北走向長(zhǎng)約6.3km，東西傾向?qū)捈s1.6km，面積約5.2973km2。井田中心相距合川區(qū)城區(qū)直距16km，方位南東162°，井田范圍地理座標(biāo)：東經(jīng)106°19′30″～106°22′00″，北緯29°54′00″～29°56′00″。礦井為煤與瓦斯突出礦井，井田內(nèi)含煤層14層，可采7層，其中K4、K2、K12煤層為Ⅰ類(lèi)容易自燃發(fā)火煤層，煤層自燃發(fā)火期1-3個(gè)月，K7、K9、K10、K14煤層為Ⅱ類(lèi)自燃發(fā)火煤層。

鹽井一礦屬于煤與瓦斯突出礦井，各可采煤層間距1.8～25m不等，屬于近距離煤層群組。各煤層原始瓦斯含量大，最大為K4煤層達(dá)到19.6881m3/t。開(kāi)采過(guò)程中，鄰近層及本煤層瓦斯進(jìn)入工作面上隅角，使得上隅角瓦斯治理成為現(xiàn)礦井瓦斯治理的難題。開(kāi)展上隅角瓦斯治理綜合技術(shù)的研究是刻不容緩的。

對(duì)于綜合防滅火及上隅角瓦斯治理存在一定的矛盾，如：要解決上隅角瓦斯治理應(yīng)該是加大工作面風(fēng)量及加大采空區(qū)后方抽放鉆孔的負(fù)壓，但這些對(duì)于防滅火的治理往往是背道而馳，所以要解決防滅火及上隅角瓦斯治理就要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的技術(shù)攻關(guān)，達(dá)到一個(gè)協(xié)調(diào)與管控的平衡點(diǎn)。

二、綜合防滅火技術(shù)

（一）均壓防滅火技術(shù)

1.均壓防滅火機(jī)理及特點(diǎn)

均壓防滅火機(jī)理。均壓防滅火技術(shù)是采用合理的通風(fēng)方式，控制工作面風(fēng)量，在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)降低通風(fēng)阻力，回風(fēng)側(cè)建控風(fēng)設(shè)施增加通風(fēng)阻力，平衡采場(chǎng)前后，采空區(qū)內(nèi)外壓差，從而達(dá)到開(kāi)區(qū)均壓和閉區(qū)均壓，減少漏風(fēng)，有效控制采空區(qū)氧氣來(lái)源，降低采空區(qū)中的氧氣濃度，有效抑制遺煤自燃的目的。它具有成本低、技術(shù)原理簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)單、效果顯著、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)，它不需要探明火源的具體位置,對(duì)生產(chǎn)人員無(wú)害,不影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行;另外它不受水、土、氮源的限制,解決了防滅火措施難以到達(dá)采空區(qū)深部自燃區(qū)域的問(wèn)題。

2.均壓防滅火的具體實(shí)施

鹽井一礦K7、K9（K12）、K14采煤工作面為近距離煤層群聯(lián)合開(kāi)采，煤層間距1.8～5.8m，工作面后方采空區(qū)存在大面積導(dǎo)通漏風(fēng)通道，且在K12煤層機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)，破壞K14煤層底板巖石穩(wěn)定性，K7煤層機(jī)風(fēng)巷掘進(jìn)，破壞K12煤層底板巖石穩(wěn)定性造成與采空區(qū)導(dǎo)通裂隙。因此在構(gòu)建均壓通風(fēng)系統(tǒng)時(shí)應(yīng)聯(lián)合建立K7、K9（K12）、K14工作面回采區(qū)域綜合均壓通風(fēng)系統(tǒng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)不同的要求，將調(diào)節(jié)風(fēng)窗、調(diào)壓風(fēng)機(jī)、調(diào)壓氣室等設(shè)施相互組合，可設(shè)計(jì)出均壓系統(tǒng)。K7、K9（K12）、K14工作面回采區(qū)域綜合均壓通風(fēng)系統(tǒng)形成后要求減少采空區(qū)漏風(fēng)，同時(shí)抑制有空區(qū)內(nèi)CO等有害氣體涌向工作面，保證工作面安全生產(chǎn)。通過(guò)分析、比較后，選取是在K7、K9（K12）、K14工作面回風(fēng)巷和+10m瓦斯巷SC4-3石門(mén)之間分別構(gòu)筑控風(fēng)設(shè)施，對(duì)K7、K9（K12）、K14工作面后方采空區(qū)30m范圍以外所有鉆孔停止抽放，在工作面機(jī)巷、風(fēng)巷上下隅角隨著工作面每推進(jìn)30m構(gòu)建板密閉和磚密閉，在工作面上、下隅角設(shè)置擋風(fēng)吊減少采空區(qū)漏風(fēng)的方式建立聯(lián)合均壓的均壓系統(tǒng)。使工作面風(fēng)壓與采空區(qū)內(nèi)的氣體壓力、采場(chǎng)內(nèi)外壓力相相平衡，從而使工作面滿(mǎn)足安全生產(chǎn)的要求。對(duì)K7、K9（K12）、K14煤層形成類(lèi)似的均壓系統(tǒng)。

采取以上均壓方案后，經(jīng)實(shí)際測(cè)量工作面機(jī)巷、風(fēng)巷之間的高低壓差由160Pa降低為70Pa，采空區(qū)內(nèi)外壓差由80 Pa降低為20 Pa，采空區(qū)漏風(fēng)量由13.2m3/min降低為4.3m3/min，工作面風(fēng)量-壓差-CO關(guān)系

為進(jìn)一步了解工作面配風(fēng)量與工作面瓦斯、上隅角CO、采空區(qū)內(nèi)外壓差的關(guān)系，通過(guò)保持一個(gè)工作面風(fēng)量不變，改變另一個(gè)工作面風(fēng)量大小，從而得出工作面配風(fēng)量與工作面瓦斯、上隅角CO、采空區(qū)內(nèi)外壓差的關(guān)系見(jiàn)下表。

K14工作面風(fēng)量與上隅角瓦斯對(duì)比表

K9(K12)工作面風(fēng)量與上隅角瓦斯對(duì)比表

K7工作面風(fēng)量與上隅角瓦斯對(duì)比表

通過(guò)K7、K9（K12）、K14工作面風(fēng)量-壓差-CO關(guān)系表可以得出在以上工作面風(fēng)量測(cè)定范圍內(nèi)，采空區(qū)密閉墻壓差、工作面上隅角CO濃度、工作面瓦斯都隨著風(fēng)量的減小而降低。同時(shí)結(jié)合工作面風(fēng)量計(jì)算，可得出K14工作面最佳配風(fēng)量為380m3/min，K9(K12)工作面最佳配風(fēng)量為350m3/min，K7工作面最佳配風(fēng)量為260m3/min。

（二）氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)

1.氮?dú)夥罍缁饳C(jī)理及特點(diǎn)

氮?dú)夥罍缁饳C(jī)理：氮?dú)庠诔爻合率且环N無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、抑爆、不可燃的惰性氣體。將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)和火區(qū)內(nèi)，可達(dá)到防滅火目的。其滅火機(jī)理為：①窒息作用：降低采空區(qū)或火區(qū)氧含量，使采空區(qū)或火區(qū)的氣體惰化，降低或阻止煤炭氧化。②增壓作用：大量灌注氮?dú)饪梢猿錆M(mǎn)任何形狀的有限空間，使采空區(qū)形成正壓，減少或杜絕空氣漏入采空區(qū)，形成窒息區(qū)域。③抑爆作用：沖淡采空區(qū)和火區(qū)內(nèi)有爆炸性的混合氣體，轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)爆炸性的惰性混合氣體，消除爆炸危險(xiǎn)性。

氮?dú)夥罍缁鹛攸c(diǎn)：氮?dú)饪梢猿錆M(mǎn)任何形狀的有限燃燒空間，便于對(duì)采空區(qū)深部，高冒處等難以接近的地點(diǎn)進(jìn)行滅火。同時(shí)氮?dú)鈦?lái)源廣，制取容易。滅火速度快，工藝簡(jiǎn)單、操作方便、來(lái)源簡(jiǎn)單、恢復(fù)生產(chǎn)快、既能防火，也能滅火，還能抑制瓦斯爆炸，無(wú)污染環(huán)境和機(jī)電設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)。

2.注氮效果

通過(guò)在采空區(qū)鉆孔取樣，分析采空區(qū)內(nèi)氣體組分隨距工作面距離變化的情況，依據(jù)氧氣濃度（8%-18%）判別標(biāo)準(zhǔn)，得到的采空區(qū)氧化帶的范圍。選取在采空區(qū)遺煤較多區(qū)域以及采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)50m處（散熱帶與氧化帶交界處），進(jìn)行注氮量下的模擬。隨著注氮量的增加，采空區(qū)氧化帶的位置逐漸向靠近工作面的方向回縮，在注氮量較少時(shí)僅注氮口附近區(qū)域受影響較顯著，對(duì)回風(fēng)側(cè)氧氣分布影響有限。隨著注氮量的增加，注氮影響區(qū)域在走向與傾向上逐漸擴(kuò)大，達(dá)到了很好的效果。

（三）阻化劑防滅火

1.阻化劑防滅火機(jī)理及特點(diǎn)

（1）增加煤在低溫時(shí)的化學(xué)惰性，或提高煤氧化的活能；

（2）形成液膜包圍煤塊和煤的表面裂隙面；

（3）充填煤柱內(nèi)部裂隙；

（4）增加煤體的蓄水能力；

（5）水分蒸發(fā)吸熱降溫。實(shí)質(zhì)是降低煤在低溫時(shí)的氧化速度，延長(zhǎng)煤的自然發(fā)火期

2.阻化劑防滅火選擇

前最常用的阻化劑有煤礦使用的阻化劑有：氯化鈣、氯化鈉、氯化銨以及水玻璃等。以及工業(yè)廢液等。從目前的應(yīng)用結(jié)果來(lái)看，氯化鈣、氯化鈉、氯化鋁、氯化鋅等氯化物對(duì)褐煤、長(zhǎng)焰煤和氣煤有較好的阻化效果；水玻璃、氫氧化鈣對(duì)高硫煤有較高阻化率。

通過(guò)對(duì)試驗(yàn)的煤樣的CO濃度曲線(xiàn)，CO指數(shù)曲線(xiàn)以及阻化率的分析結(jié)果，得到各種阻化劑對(duì)K14、K9、K7煤層煤樣阻化效果最佳的濃度配比為氯化鈣15%、氯化鈉12%、氯化銨20%、水玻璃25%，通過(guò)將3層煤樣在試驗(yàn)過(guò)程中CO濃度及溫度升高的變化，可以得出本礦應(yīng)采用12%濃度的氯化鈉溶液作為阻化劑防滅火的首選材料。

3.阻化劑防滅火效果

研究項(xiàng)目中現(xiàn)在了氯化鈣、氯化鈉、氯化銨、水玻璃4種阻化劑分別各自調(diào)制成濃度為15%、12%、20%、25%，4種配比的溶液對(duì)煤樣加以處理，通過(guò)煤樣的CO濃度曲線(xiàn)及阻化率的分析結(jié)果嗎，得到各種阻化劑對(duì)K14、K9、K7煤層的效果最佳濃度配比氯化鈣15%、氯化鈉12%、氯化銨20%、水玻璃25%。將選出的煤樣試驗(yàn)數(shù)據(jù)再進(jìn)一步的對(duì)比分析，得出濃度為12%氯化鈉溶液對(duì)煤層氧化自燃現(xiàn)象的阻化效果最好，尤其是煤樣達(dá)到90℃之后，仍然呈現(xiàn)出對(duì)煤氧化反應(yīng)良好的抑制效果。

4.防滅火技術(shù)綜合效果分析

（1）K7、K9（K12）、K14工作面回采區(qū)域建立的綜合均壓通風(fēng)系統(tǒng)能夠?qū)嚯x煤層群的采煤工作面達(dá)到降低壓差、減少漏風(fēng)的作用，使K7、K9（K12）、K14煤層各項(xiàng)自然發(fā)火敏感指標(biāo)均保持穩(wěn)定，無(wú)上升現(xiàn)象，有效避免了采空區(qū)自然發(fā)火事故的發(fā)生，確保了工作面的安全推進(jìn)。

（2）對(duì)工作面風(fēng)量-壓差-CO關(guān)系進(jìn)行了分析，得出了K7、K9（K12）、K14工作面最佳配風(fēng)量為。

（3）通過(guò)對(duì)比分析不同注氮量下采空區(qū)氧化帶寬度變化情況，得到K7、K9（K12）、K14工作面最適宜的注氮量約。

（4）該綜合防滅火方法在鹽井一礦的成功應(yīng)用，對(duì)于今后近距離煤層群聯(lián)合開(kāi)采防滅火工作提拱了有效的經(jīng)驗(yàn)以及技術(shù)指導(dǎo)。