文家坡煤礦采空區(qū)煤自燃隱患防控技術(shù)實(shí)踐

楊 劍，李 帥，張 園，金 彥

(1.陜西彬長文家坡礦業(yè)有限公司，陜西 咸陽 713500；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054)

0 引言

煤自燃是煤礦的主要災(zāi)害之一，不僅易造成人員窒息，還有可能造成爆炸等災(zāi)害事故[1-4]。由于綜放工作面開采速度較慢，采空區(qū)遺煤多、一次冒頂空間大，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，使遺煤自燃條件充足，對(duì)現(xiàn)場工作人員和人身安全造成巨大損失[5-7]。針對(duì)不同的開采工藝，應(yīng)對(duì)其匹配不同的防滅火措施。煤礦井下常見的預(yù)防煤自燃的措施有黃泥灌漿[8]、噴灑阻化劑[9]、壓注惰性氣體[10]、堵漏風(fēng)注凝膠[11]等。其中，惰性氣體防滅火主要以液態(tài)CO2防滅火技術(shù)為主，該技術(shù)速度快，滅火能力強(qiáng)，滅火范圍廣，不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，在高溫蒸發(fā)后并不會(huì)與煤反應(yīng)產(chǎn)生有毒有害氣體，且液態(tài)CO2具有更廣的覆蓋率、更好的冷卻抑制效果，阻燃抑爆效果更強(qiáng)。液態(tài)CO2滅火技術(shù)主要依靠CO2窒息、惰化隔氧、吸附阻化的作用進(jìn)行滅火，且液態(tài)CO2在相變時(shí)需要吸收大量的熱，能夠達(dá)到冷卻降溫的效果[12-15]。

以彬長文家坡礦井4105綜放工作面為工程背景，針對(duì)該工作面煤自燃隱患防控問題開展研究。結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，分析了隱患的成因及條件，制定煤自燃隱患的綜合防控技術(shù)方案和監(jiān)測監(jiān)控方案，通過現(xiàn)場實(shí)施，驗(yàn)證方案的科學(xué)性和有效性，以期對(duì)類似條件工作面的防滅火工作提供一定借鑒。

1 工作面概況

4105工作面屬文家坡礦業(yè)第2個(gè)綜采放頂煤工作面，煤層埋深536.4～778.9 m，走向長度2 873 m，傾向長度200 m，平均厚度10.29 m。截至2020年12月，共計(jì)回采132 m，工作面回采期間絕對(duì)瓦斯涌出量為2.91 m3/min。煤層自燃傾向等級(jí)為Ⅱ類，屬自燃煤層，自然發(fā)火期3～5個(gè)月，最短34 d。

自2020年12月，工作面現(xiàn)場束管和人工采集氣體抽測數(shù)據(jù)顯示標(biāo)志性CO氣體數(shù)據(jù)處于穩(wěn)定的緩慢增長趨勢，并且氣體體積分?jǐn)?shù)逐步由0.010 8%上升至0.022%(超過額定預(yù)警閾值)。借由CO指標(biāo)初步確定現(xiàn)場存在煤自然發(fā)火隱患，為減緩隱患發(fā)火進(jìn)程，現(xiàn)場按照綜合防火技術(shù)措施，依次采取正規(guī)循環(huán)推采(7刀/天)、橫川堵漏和噴/注漿、懸掛風(fēng)障、切頂放炮強(qiáng)制垮落、注液態(tài)二氧化碳與氮?dú)?，以及汽霧阻化劑噴灑等防滅火措施。依據(jù)現(xiàn)場反饋信息，煤體自然發(fā)火隱患得到了有效控制。

2 煤自燃隱患成因分析

根據(jù)煤氧復(fù)合學(xué)說，煤自燃的本質(zhì)即是松散堆積的破碎煤體與空氣中的氧氣接觸，發(fā)生煤氧復(fù)合反應(yīng)，放出熱量并積聚，使煤體升溫達(dá)到燃點(diǎn)，進(jìn)而引發(fā)煤自燃火災(zāi)。因此，采空區(qū)出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的前提即是滿足浮煤反應(yīng)放熱量大于散熱量。

依照4105工作面采空區(qū)的現(xiàn)場情況，隱患成因主要有采空區(qū)浮煤堆積、采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)、推進(jìn)度異常3方面。采空區(qū)浮煤堆積是由于現(xiàn)場頂板冒落高度大，平均浮煤堆積厚度為0.27 m，并且4日(12月3日—12月6日)未放頂煤致使采空區(qū)遺煤堆積量進(jìn)一步增加，提供了煤自燃隱患所需的蓄熱環(huán)境條件。在采動(dòng)壓力、地應(yīng)力、爆破沖擊等可能的外界條件作用下，4106回順6#橫川防水防爆墻漏風(fēng)，并且下隅角懸頂距離長，致使現(xiàn)場采空區(qū)內(nèi)部存在嚴(yán)重的漏風(fēng)情況，為煤體自然發(fā)火隱患提供了必要的氧氣供給條件。此外，年底檢修以及煤炭滯銷致使工作面回采周期延長，每日推進(jìn)距離低于防火最低每日推進(jìn)度要求，因此隱患區(qū)域內(nèi)的煤體得到了足夠的時(shí)間發(fā)生氧化反應(yīng)。

3 煤自燃綜合防控與監(jiān)測監(jiān)控方案

4105綜放工作面防滅火采用注氮?dú)?、上下隅角堵漏、汽霧阻化、黃泥灌漿、在線監(jiān)測與人工檢測等相結(jié)合的綜合防滅火措施，保證工作面的安全回采。

3.1 綜合防控技術(shù)方案

3.1.1 循環(huán)注氮?dú)夥罍缁?/p>

注氮管路沿4105運(yùn)順鋪設(shè)兩段間隔為30 m的管段，單根管段間隔50 m安裝三通管段，待采空區(qū)垮落完畢后進(jìn)行循環(huán)交替注氮。同時(shí)現(xiàn)場地面制氮站安裝3套制氮設(shè)備，使用ZH-1300-98型地面移動(dòng)式PSA碳分子篩制氮裝置(每套制氮量為1 500 m3/h，總能力4 500 m3/h)，以便根據(jù)采空區(qū)指標(biāo)氣體變化情況控制注氮流量。

3.1.2 上下隅角堵漏

在4105工作面上隅角緊貼支架后尾梁施工一道0.3 m厚水泥發(fā)泡塊墻體。緊貼水泥發(fā)泡塊墻體外側(cè)掛設(shè)一道風(fēng)障，幫、頂?shù)鯍焱戤吅蟮撞匡L(fēng)障利用矸石、煤渣或者其它重物將其壓實(shí)，確保四周嚴(yán)密不漏風(fēng)。在4105工作面下隅角緊貼支架后尾梁吊掛一道風(fēng)障，幫、頂?shù)鯍焱戤吅蟮撞匡L(fēng)障利用矸石、煤渣或者其它重物將其壓實(shí)，確保四周嚴(yán)密不漏風(fēng)。

3.1.3 汽霧惰化煤體

在4105設(shè)備列車處安裝汽霧阻化泵(BZW160/12.5)2臺(tái)，一用一備。沿運(yùn)順鋪設(shè)高壓膠管至工作面噴霧點(diǎn)，在噴霧點(diǎn)利用氣霧發(fā)生器將藥液轉(zhuǎn)化為氣霧向采空區(qū)噴灑(3.4 m3循環(huán)噴霧量及2.7 h的最小噴霧時(shí)間)。作為一種常規(guī)的煤自燃預(yù)防技術(shù)手段，汽霧阻化可以有效延長工作面采空區(qū)遺煤的實(shí)際自然發(fā)火期，為現(xiàn)場其他防滅火技術(shù)措施的實(shí)施提供時(shí)間保障。

3.1.4 灌漿防滅火

礦井現(xiàn)有2套黃泥灌漿系統(tǒng)，分別是LSL-100地面固定式灌漿注膠防滅火系統(tǒng)和機(jī)械攪拌灌漿系統(tǒng)，每套灌漿能力為100 m3/h(實(shí)際灌漿量需求為80 m3/h)。采煤工作面每推采80 m鋪設(shè)最少一趟黃泥灌漿管路。管路鋪設(shè)于采面后刮板輸送機(jī)后部，緊貼刮板輸送機(jī)溜槽外沿鋪設(shè)。管路鋪設(shè)長度100 m，每隔6 m留設(shè)一根花管進(jìn)行灌漿。

3.1.5 液態(tài)CO2快速應(yīng)急處置技術(shù)

考慮到現(xiàn)場已出現(xiàn)煤自燃隱患征兆，考慮采用注液態(tài)CO2治理火源，快速處理隱患。CO2防滅火裝備主要由地面液態(tài)CO2槽車、礦用移動(dòng)式液態(tài)CO2防滅火裝置等組成。液態(tài)CO2由化工廠專用的液態(tài)CO2槽車運(yùn)至礦工業(yè)廣場，并逐次灌注到容量2 t的CPW-2.0型礦用移動(dòng)式液態(tài)二氧化碳防滅火裝置，然后將罐車使用膠輪車?yán)\(yùn)至井下合適位置，通過相鄰順槽向采空區(qū)施工鉆孔或利用注氮管路由下隅角向采空區(qū)灌注液態(tài)二氧化碳。礦用移動(dòng)式液態(tài)CO2防滅火裝置如圖1所示。

圖1 礦用移動(dòng)式液態(tài)CO2防滅火裝置Fig.1 Mine mobile liquid CO2 fire prevention device

3.2 煤自燃隱患監(jiān)控術(shù)方案

采空區(qū)內(nèi)部氣體和溫度數(shù)據(jù)是判定煤自燃隱患的重要參數(shù)，束管和光纖測溫系統(tǒng)是較易實(shí)現(xiàn)的監(jiān)測手段。雖然光纖測溫在精準(zhǔn)采集采空區(qū)煤溫等方面存在一些不足，但其監(jiān)測到的溫度變化趨勢對(duì)煤自燃隱患的判識(shí)有一定的參考價(jià)值。因此，本工作面煤自燃的監(jiān)測監(jiān)控工作，擬采用束管監(jiān)測為主，光纖測溫監(jiān)測為輔的技術(shù)措施。在4105綜放工作面現(xiàn)場實(shí)施過程中，在架后每隔80 m至少鋪設(shè)一趟束管、測溫光纖，用以監(jiān)測采空區(qū)煤自燃指標(biāo)氣體及溫度變化特征鋪設(shè)示意如圖2所示。具體為從監(jiān)測系統(tǒng)主機(jī)引出6通道束管和1根感溫光纖，6通道束管及光纖均沿回風(fēng)巷側(cè)幫鋪設(shè)至工作面上隅角，束管沿工作面傾向布置，束管采樣點(diǎn)分布在下隅角、30#架、60#架、90#架、105#架、上隅角，共計(jì)6個(gè)采樣頭，6個(gè)束管采樣頭分別與工作面預(yù)留6通道束管一一對(duì)應(yīng)連接，通過監(jiān)測主機(jī)對(duì)CO、CO2、CH4、O2、C2H4、C2H2等濃度及采空區(qū)煤體溫度進(jìn)行24 h連續(xù)實(shí)時(shí)分析。

圖2 現(xiàn)場管束鋪設(shè)示意Fig.2 Schematic diagram of on-site pipe bundle laying

3.3 防控措施效果分析

據(jù)前文分析，4105工作面采空區(qū)出現(xiàn)了煤自燃隱患的征兆，若不及時(shí)處置，可能會(huì)造成隱患進(jìn)一步發(fā)展，極大地威脅工作面的安全開采。為此，在綜合運(yùn)用前述煤自燃綜合防控技術(shù)措施的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)采用液態(tài)CO2快速應(yīng)急處置技術(shù)措施，以快速降低采空區(qū)隱患位置遺煤所處的環(huán)境氧濃度，起到惰化煤氧化自燃反應(yīng)活性的目的。同時(shí)，利用液態(tài)CO2相變吸熱作用，可置換采空區(qū)高溫點(diǎn)熱能，快速有效降低煤溫，起到降溫延長實(shí)際煤自然發(fā)火期的目的。液態(tài)CO2防滅火技術(shù)的現(xiàn)場實(shí)施如圖3所示。

圖3 液態(tài)CO2井下灌注實(shí)施現(xiàn)場Fig.3 The implementation site of liquid CO2underground coal mine injection

此次隱患處置過程歷經(jīng)2 d，灌注液態(tài)CO2共計(jì)20.6 t，快速控制了隱患的進(jìn)一步發(fā)展。通過現(xiàn)場多地點(diǎn)協(xié)同觀測，在采空區(qū)向后6 m及上、下隅角布點(diǎn)設(shè)監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測CO及CO2指標(biāo)濃度隨時(shí)間的變化情況，對(duì)判定采空區(qū)煤自燃隱患的發(fā)展趨勢以及防控效果意義重大。將具體的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，并繪制曲線，如圖4所示。

通過數(shù)據(jù)分析推斷，自12月以來隱患區(qū)域煤體自然發(fā)火反應(yīng)逐漸增強(qiáng)，1月6—7日實(shí)施綜合防滅火措施后，束管-人工檢測CO指標(biāo)性氣體數(shù)據(jù)反應(yīng)現(xiàn)場隱患得到了有效扼制，回采工作面風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)逐漸降低。并且由圖4(a)可得，在注入液態(tài)CO2初期，工作面不同位置的CO濃度有所不同，尤其在上隅角墻內(nèi)CO濃度可達(dá)到0.018%，上隅角墻外CO濃度可達(dá)到0.009%。由于注入CO2位置從外部進(jìn)入內(nèi)部，致使CO濃度整體偏小，隨著液態(tài)CO2的進(jìn)一步注入工作面的CO濃度進(jìn)一步下降，且隨著時(shí)間的增長，CO2在采空區(qū)能夠充分?jǐn)U散覆蓋松散煤體，有效惰化了采空區(qū)遺煤氧化，致使工作面的CO濃度逐漸降低并趨于平穩(wěn)。工作面外部CO含量僅有0.008%。此外，結(jié)合CO2的濃度變化可知，前期注入的液態(tài)CO2在工作面內(nèi)的濃度逐漸增高，隨著時(shí)間的推移，在工作面內(nèi)不斷擴(kuò)散與煤體進(jìn)行吸附，使得濃度有所降低，吸附反應(yīng)阻斷了煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)生成CO，說明CO2能夠降低采空區(qū)的環(huán)境溫度，且能夠有效抑制煤自燃反應(yīng)。灌注液態(tài)CO2前后的參數(shù)比對(duì)見表1。

圖4 CO-CO2數(shù)據(jù)曲線Fig.4 CO-CO2 data curve

表1 液態(tài)CO2灌注效果比對(duì)Table 1 Comparison of liquid CO2 perfusion effects

4 結(jié)論

(1)依據(jù)現(xiàn)場礦區(qū)煤自燃分級(jí)預(yù)警體系，結(jié)合豎管-人工檢測CO氣樣指標(biāo)數(shù)據(jù)持續(xù)上升至0.022%確定現(xiàn)場4105工作面內(nèi)存在自燃隱患。

(2)通過實(shí)施以液態(tài)CO2灌注應(yīng)急處置為主的綜合防滅火措施，包括循環(huán)注氮、上下隅角堵漏、汽霧惰化、灌漿防滅火和豎管監(jiān)控指標(biāo)氣體一系列措施，最終實(shí)現(xiàn)了區(qū)域降溫、煤體反應(yīng)惰化、氧氣隔絕及漏風(fēng)控制。

(3)通過綜合防滅火措施的實(shí)施，尤其是在液態(tài)CO2應(yīng)急灌注后，4105工作面的煤火災(zāi)害隱患得到了有效控制，CO與CO2指標(biāo)數(shù)據(jù)逐步降低至預(yù)警閾值以下，保障了工作面的回采工作順利。