生輝煤業20106放頂煤工作面回撤期間防滅火措施的應用研究

王 瑞

(山西臨汾西山能源有限責任公司,山西 臨汾 041099)

綜放工作面采空區遺留煤容易引起自然發火,這是綜放開采存在的主要問題之一[1-3]。遺煤自燃會產生大量一氧化碳、二氧化碳氣體,不僅會使人員中毒窒息,而且還會引發粉塵、瓦斯爆炸,使災害進一步擴大。近年來,因煤炭自燃造成的瓦斯爆炸事故也有增多的趨勢[4]。在淺埋深條件下,由于采空區塌陷與地表溝通漏風,更容易引起自然發火[5]。綜放工作面拆架期間為了防治煤自燃,國內外目前廣泛采用注水、黃泥灌漿、噴灑阻化劑、注入惰性氣體等技術[6]。其中,注水和注漿是經典有效的防滅火措施,但由于重力作用,對高位火災的處理還是存在一定缺陷的。注膠對封堵煤體裂隙、固化煤體都有顯著的作用,其材料耐高溫,但凝膠反應多數為放熱反應,產生的熱量在煤氧反應初期對煤炭自燃有促進作用。阻化劑噴灑技術可以在煤體表面形成水膜,阻滯煤氧接觸,但理論上來說,該技術僅能隔絕表面煤體的氧化,由于采空區遺煤裂隙發達、不能從根本上對防滅火工作起到實質作用。注入惰性氣體可以降低采空區氧氣濃度,但易受風流影響,需確定埋管深度及注入量，防止溢入采空區,且該技術成本較高。生輝煤業工作面在拆架前出現了CO濃度超限現象,針對工作面實際情況,通過調整通風系統,降低供給風量,結合注水、注漿、噴灑阻化劑的綜合防滅火措施,有效防治了采空區遺煤自然發火,確保了拆架工作的安全進行,并在規定時限內完成了封閉工作。

1 工作面概況

生輝煤業開采煤層為9+10+11#煤層,煤層賦存穩定,蓋山厚度213～264 m,平均238 m,傾角0°～6°,結構復雜,層間含2～7層夾石。頂板為石灰巖,底板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖,為井田范圍內穩定全區可采煤層。采用低位放頂煤綜合機械化采煤方法,一次性采全高。煤層屬于II類自燃煤層,最短自然發火期82天。

20106工作面開采9+10+11#煤層時采取低位放頂煤綜合機械化采煤方法,沿底板掘進運輸順槽、回風順槽和開切眼,工作面走向長625 m,傾斜長180 m,工作面煤厚為6.8 m,工作面采高為2.5 m,放頂煤4.3 m,采放比為1∶1.72,絕對瓦斯涌出量1.78 m3/min,相對瓦斯涌出量為1.23 m3/t。工作面即將回采至停采線附近時,由于地方政策影響停產27 d,后部采空區發生一氧化碳涌出異常及溫度異常區域,且由于頂板壓力過大和支架老化,使得拆架過程中安全隱患增大。

2 拆架工作中的通風安全

2.1 拆架期間的通風系統調整

由于擴循環時間過長,頂板壓力大,支架老化,導致拆架工作存在很大困難,加之工作面存在自然發火危險,必須盡快完成拆架工作,及時封閉工作面,保證人機安全。因此,基于目前防滅火工作存在的問題,制定了調整通風系統,兩巷同時拆架的措施。

采機及運輸機拆除過程中,在皮帶順槽安設軌道,同時用風鎬掘進回風聯巷至工作面切眼位置,原回風聯巷口做密閉,皮帶順槽口及新回風聯巷末端做調節,控制系統形成后兩巷的風量。通過調節通風系統,使20106拆架工作面由運輸順槽進風、皮帶順槽回風的U型通風變為兩巷進風、回風聯巷回風的Y型通風。通風系統調整后,兩巷均可獨立拆架,進而縮短了拆架時間。20106工作面通風系統調整前后示意圖,如圖1所示。

(a)20106工作面調整前通風系統示意圖

(b)20106工作面調整后通風系統示意圖圖1 20106工作面通風系統調整前后示意圖Fig.1 Schematic diagram of ventilation system before and after adjustment on 20106 working face

2.2 拆架期間的風量控制

2.2.1風量調整

拆架前發現CO涌出異常,表明采空區遺煤有自燃危險,風量過大會加劇遺煤自燃。因此拆架過程中,在保證人員呼吸安全的情況下須盡量降低風量。拆架開始時將風量由860 m3/min,降低到兩巷風量為280 m3/min。

2.2.2人員控制

支架運輸及頂板垮落影響通風斷面、采空區漏風等都是難以控制的風量損失?？紤]到供風富余系數,在供風條件下必須控制拆架空間內的人員數量,每班存在于工作面的各工種人員(包括瓦斯員、安全員、拆架工、打鉆工、注漿人員、值班人員等)不得超過15人,并由專人在兩巷口設置警戒,統計進出人員數量。

2.2.3風量監測

每班由測風員進行測風,并在兩巷設置風速傳感器,確保供風穩定,風流新鮮。

2.2.4其他控風措施

1)工作面上部地表裂隙如圖2所示。裂隙與采空區形成漏風通道,加速了采空區的遺煤自燃,須派專人對地表裂隙進行填埋。

圖2 工作面上部地表裂隙Fig.2 Surface fissures above working face

2)工作面上下端頭靠采空區側進行煤袋墻建設,其厚度要控制在1 m以上,并且要采用黃泥,完成全斷面的涂抹。工作面進風隅角處掛擋風簾,既增加風阻,又不會導致隅角處瓦斯超限,盡量減少進風側新鮮風流進入采空區。

3)為防止拆架時頂板垮落封閉堵塞回風風流,待拆支架前方至煤壁范圍內用單體及木垛支護巷道。

4)兩巷巷道口安設2X30KW的局部通風機并保證處于待開啟狀態,風筒延至拆架工作面,防止頂板垮落堵塞通風通道,現場人員清理落煤保證風流通暢。

3 拆架期間的防滅火措施及數據收集

3.1 拆架期間的防滅火措施

1)在兩巷措施巷安設制氮機,注氮管路自兩端頭延伸至采空區25 m,注氮量為800 m3/h,自拆架開始時持續注氮,并配備備用制氮機。

2)在支架架縫及前梁處打鉆注漿,架縫處打鉆深度10 m,前梁處打鉆角度17°,深度15 m(按采煤期間采高及放頂煤量估算采空區上部空洞范圍)。注漿施工支架延后拆架3架。每班(8 h)注漿300 m3,注漿應秉承多輪少量的原則,注漿前后均用清水沖洗,防止管路堵塞。注漿過程中漿液在缺氧環境下與高溫煤體接觸極易生成水煤氣,瞬間釋放大量CO,故在此期間應加強CO監測工作,防止造成人員傷害。

3)在拆架期間,發現部分支架后方有熱異常區域,必須提前拆除該位置支架,支架空間用單體及木垛支護,以便于固定位置煤體的散熱。對該特定區域的煤體進行表面灑水,內部注漿的方法,及時控制溫度異常區的溫度,防止煤體自熱或自燃進一步蔓延。

4)回風巷口安設CH4、CO、煙霧、氧氣、風速、溫度傳感器,數據實時傳輸至地面監控機房。監控數據與人員實測數據差別大于10%時,及時調校設備,保證數據的真實性。注漿材料及監控設備需滿足20%備用量直至工程結束,以防止材料設備因不可抗力引發的短缺而影響工程進度。20106拆架工作面防滅火措施示意圖如圖3所示。

圖3 20106拆架工作面綜合防滅火示意圖Fig.3 Comprehensive fire prevention during dismantling of 20106 working face

3.2 拆架期間的數據收集

由瓦斯員、測風員完成拆架區域內的數據采集工作,使用紅外熱成像儀(某日熱成像如圖4和表1所示)完成拆架區域內煤體的溫度測量工作,使用CO便攜儀及CO傳感器對拆架空間內的CO濃度進行測量。每班測定2次,原始數據存檔,最大數值及位置上報,數據分析使用每日最大值(便攜設備與監控設備對比的最大值)。

圖4 某日90#支架后方底部溫度Fig.4 Temperatures at the bottom behind No.90 support on one day

表1 某日90#支架后方底部熱成像溫度數據Table1 Thermal imaging temperature data at the bottom behind No.90 support on one day

4 數據整理與效果分析

數據采集過程中未發現烯烴、炔烴氣體,表明在執行綜合防滅火措施后采空區范圍內無明火生成,證明防滅火工作遏制了火情的發展。

由于采空區遺煤自燃治理是隱蔽工程,溫度及CO數據變化在一定程度上反映出防滅火措施的執行效果。通過執行上述防滅火措施28 d,20106工作面順利完成了拆架工作,每日溫度及CO體積分數的變化趨勢如圖5所示。

圖5 溫度-時間變化曲線和CO體積分數-時間變化曲線Fig.5 Temperature-time curve and CO volume fraction-time curve

通過圖5可以看出,煤體表面溫度呈先上升后下降的趨勢。采空區煤體裂隙發達,空間范圍廣泛,注氮在煤氧反應初期不能有效遏制遺煤自燃,但隨著防滅火措施的持續進行,氮氣的注入降低了采空區的氧氣濃度,阻滯了煤氧反應,使煤體的溫度降低,直至拆架范圍內的煤體表面溫度降低到25 ℃以內。回風流內的CO體積分數也呈現出先上升后下降的趨勢。一方面,防滅火措施執行初期未達到有效位置,使煤氧反應加劇;另一方面,漿液與高溫煤體在缺氧條件下接觸會生成水煤氣使CO體積分數升高[7],但隨著防滅火措施的有效執行,煤氧反應得到控制,CO體積分數呈下降趨勢。在防滅火工程實踐中,由于數據采集的局限性,指標氣體(CO體積分數)變化總是比溫度變化靈敏,采空區裂隙發達高溫煤體不一定能夠捕捉到,而煤氧反應初期就有CO生成,所以圖5的曲線顯示CO體積分數在溫度下降之后下降,直至降至6×10-6以下。

拆架工作后期,回風流CO含量、煤體表面溫度都達到安全值,防滅火工作取得了極好的效果,使20106工作面在規程規定的時限內完成了永久性封閉。

5 結論

通過調整通風系統,使單巷拆架變為雙巷拆架,促使拆架時間大大縮短,及時拆除設備的同時也為工作面及時封閉爭取了時間。兩巷同時拆架,既可以比較拆架速度增強勞動積極性,也可以通過對比拆架空間內的溫度、CO含量來衡量防滅火措施執行效果。通過注漿-注氮聯合防治、人員-設備聯合監控的綜合防滅火措施,使得拆架空間內的溫度、CO含量控制在安全水平內，并保證拆架過程中的人員、設備安全,對類似條件的礦井有一定的借鑒意義。