煤峪口礦8605工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

王新成

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦，山西 大同 037003)

1 工程概況

同煤集團(tuán)煤峪口礦8605工作面位于900 m水平406盤(pán)區(qū)，工作面北部為8603工作面采空區(qū)，南部為8607工作面采空區(qū)，西部為408東部盤(pán)區(qū)巷，東部為404盤(pán)區(qū)巷。工作面走向長(zhǎng)度758 m，傾斜長(zhǎng)度129.6 m，開(kāi)采煤層為14-2號(hào)煤，煤層厚度為1.7～3.6 m，平均厚度為2.5 m，平均傾角為2°。煤層中含有夾層，平均厚度為0.8 m。煤層直接頂巖層為粉細(xì)砂巖，均厚0.4 m，基本頂巖層為粗砂巖，均厚3.08 m。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，工作面瓦斯絕對(duì)涌出量為1.51 m3/min，煤層自燃傾向等級(jí)為II級(jí)，屬于自燃煤層，自燃發(fā)火期為1～6個(gè)月，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，現(xiàn)為有效防止工作面采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象，特進(jìn)行采空區(qū)防滅火技術(shù)研究。

2 采空區(qū)“自燃”三帶分布

為準(zhǔn)確掌握8605工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，現(xiàn)通過(guò)埋管抽氣的方法進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度的監(jiān)測(cè)。沿8605工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷分別鋪設(shè)1根直徑50 mm，長(zhǎng)度為200 m的鋼套管，每根鋼管內(nèi)分別布置用于監(jiān)測(cè)的采空區(qū)氣體單芯管路各6路，在工作面進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)巷內(nèi)分別間隔50 m向采空區(qū)內(nèi)布置1個(gè)取氣測(cè)點(diǎn)，共計(jì)在工作面布置12個(gè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體監(jiān)測(cè)布置方式如圖1所示。

圖1 8605工作面采空區(qū)“三帶”束管監(jiān)測(cè)布置示意

根據(jù)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度的分布曲線(xiàn)，見(jiàn)圖2。

1) 分析圖2可知，在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)1號(hào)測(cè)點(diǎn)處，采空區(qū)內(nèi)部的淺部氧氣濃度呈現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)的深度逐漸增大，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)的深度為200 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度仍達(dá)到18%，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)的深度大于260 m之后，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度開(kāi)始快速下降。分析工作面回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)可知，回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)200 m后，隨著埋入采空區(qū)深度的增大，氧氣濃度呈現(xiàn)出快速下降趨勢(shì)。

圖2 氧氣濃度曲線(xiàn)分布

圖3為根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)能夠繪制出的采空區(qū)氧氣濃度分布等值線(xiàn)圖。

圖3 采空區(qū)氧濃度分布等值線(xiàn)(m)

2) 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度：采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度主要通過(guò)測(cè)點(diǎn)測(cè)出的采空區(qū)實(shí)際氧氣濃度進(jìn)行推算。根據(jù)眾多理論研究及工程實(shí)踐可知[1-2]，在假定采空區(qū)內(nèi)松散煤體中的漏風(fēng)流中僅發(fā)生一維方向的流動(dòng)，松散煤體漏風(fēng)強(qiáng)度處于穩(wěn)態(tài)，能夠通過(guò)計(jì)算采空區(qū)內(nèi)煤體的消耗量和風(fēng)流通過(guò)的時(shí)間，得出漏風(fēng)強(qiáng)度的計(jì)算表達(dá)式：

(1)

圖4 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等值線(xiàn)

分析圖4可知，工作面進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道的漏風(fēng)強(qiáng)度呈現(xiàn)出相同的先快后慢的趨勢(shì)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)巷的端頭未設(shè)置擋風(fēng)裝置，其次漏風(fēng)裝置還與工作面的日推進(jìn)距離有關(guān)，通過(guò)在進(jìn)風(fēng)巷道端頭布置風(fēng)簾，并建立臨時(shí)袋子墻對(duì)采空區(qū)密封，能夠降低采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度。

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的分布和漏風(fēng)強(qiáng)度的情況，結(jié)合采空區(qū)自燃“三帶”的劃分原理[3-5]，得出8605采空區(qū)的“三帶”的分布規(guī)律，見(jiàn)表1。

表1 8605采空區(qū)“三帶”分布

3 采空區(qū)防滅火方案

3.1 防滅火方案

根據(jù)8605工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的分析結(jié)果，確定采用采空區(qū)封閉隔離+埋管注漿+采空區(qū)注氮惰化相結(jié)合的防滅火方案，具體各項(xiàng)防滅火措施參數(shù)如下：

3.1.1 采空區(qū)密閉

為減小工作面上下隅角向采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量，盡可能地減緩采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域中的煤體的氧化，設(shè)置在工作面進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道每間隔15 m布置1道防火墻。防火墻采用編織袋裝入矸石進(jìn)行堆垛，確保接頂嚴(yán)實(shí)。防火墻布置完成后采用防火密閉材料對(duì)墻體進(jìn)行噴涂，布置形式如圖5所示。

圖5 構(gòu)筑防火墻布置形式示意

3.1.2 采空區(qū)埋管注漿

根據(jù)礦井現(xiàn)有設(shè)備及生產(chǎn)條件，確定本次漿液采用黃泥漿。黃泥漿中的土與水的比值為1∶5。制漿采用水力取土機(jī)械制漿法，具體制漿流程如圖6所示。

圖6 制漿流程示意

工作面回采期間采用隨采隨灌的注漿方式，在滯后工作面30～40 m的位置處，從工作面停采線(xiàn)位置開(kāi)始向采空區(qū)內(nèi)部分別鋪設(shè)長(zhǎng)度為100 m、50 m和30 m的注漿管路，在注漿管路末端分別留設(shè)長(zhǎng)度為3 m，開(kāi)設(shè)有直徑為12～15 mm小孔的管，設(shè)計(jì)每日注漿量為550 m3。

3.1.3 采空區(qū)注氮

回采期間對(duì)采空區(qū)實(shí)施注氮防滅火，具體注氮工藝各項(xiàng)參數(shù)如下：

1) 注氮系統(tǒng)：在回風(fēng)巷道鋪設(shè)注氮管路，此管路與鋪設(shè)在14-2號(hào)煤層406軌道巷的注氮管路連接，利用406集中注氮鉆孔進(jìn)行注氮，氮?dú)鈦?lái)源于406制氮車(chē)間。

2) 注氮工藝：根據(jù)8605工作面的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用“埋管法”注氮工藝，即：回采前預(yù)先在2605巷鋪設(shè)2趟鋼管至距8605切巷50 m處(其中一趟管路滯后8605切巷150 m)。在工作面推進(jìn)75 m后開(kāi)始實(shí)施注氮，兩趟注氮管路交替使用，工作面每推進(jìn)100 m倒換一次，同時(shí)將停注的氮?dú)夤苈窋嚅_(kāi)。

3) 注氮方式與防滅火方式：根據(jù)8605工作面的具體情況，在不影響工作面正常生產(chǎn)和人員安全的情況下，采用開(kāi)放式注氮，采用連續(xù)性注氮防滅火方法。

4) 注氮流量：根據(jù)相關(guān)理論計(jì)算得出8605工作面注氮量不得低于522 m3/h[6-7]。

3.2 效果分析

8605工作面正常回采期間，通過(guò)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷內(nèi)的束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠得出測(cè)點(diǎn)采空區(qū)內(nèi)CO和O2的濃度曲線(xiàn)。現(xiàn)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷8號(hào)束管和回風(fēng)巷8號(hào)束管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。CO和O2濃度曲線(xiàn)如圖7所示。

圖7 工作面束管監(jiān)測(cè)CO和O2濃度曲線(xiàn)

分析圖7可知，工作面回采期間，采空區(qū)內(nèi)的CO濃度未出現(xiàn)超限現(xiàn)象，工作面進(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)CO濃度的最大值均未超過(guò)80×10-6。采空區(qū)CO濃度較高的區(qū)域分別為進(jìn)風(fēng)巷側(cè)埋入采空區(qū)60～80 m，回風(fēng)巷埋入采空區(qū)深度50～70 m。另外分析O2濃度曲線(xiàn)可知，隨著埋入采空區(qū)深部的增大，O2濃度呈現(xiàn)出逐漸下降的趨勢(shì)。在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)埋入采空區(qū)深度為60 m時(shí)，CO濃度呈現(xiàn)出大幅下降的趨勢(shì)；在回風(fēng)巷道側(cè)埋入采空區(qū)深度大于40 m時(shí)，O2濃度呈現(xiàn)大幅下降的趨勢(shì)。根據(jù)工作面回采期間的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)可知，工作面回采期間采空區(qū)無(wú)瓦斯超限現(xiàn)象，防滅火措施為工作面的安全回采提供了保障。

4 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)8605工作面的地質(zhì)條件，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的方式進(jìn)行采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的分析。通過(guò)分析劃定采空區(qū)上部、中部和下部區(qū)域散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的分布規(guī)律，設(shè)計(jì)采空區(qū)采用采空區(qū)封閉隔離+埋管注漿+采空區(qū)注氮惰化相結(jié)合的防滅火方案。根據(jù)方案實(shí)施后的采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，防滅火方案解決了采空區(qū)遺煤易自燃的問(wèn)題，確保了工作面的安全生產(chǎn)。