近距離煤層采空區(qū)均壓防滅火技術(shù)研究

夏鵬飛

（冀中能源股份有限公司 葛泉礦東井，河北 邢臺(tái) 054000）

1 煤炭自燃概況

煤的自燃過程就是煤氧化產(chǎn)生的熱量大于向環(huán)境散失的熱量導(dǎo)致煤體熱量聚集，使煤的溫度升到著火點(diǎn)的過程。

1.1 煤炭自燃的必要條件

（1）有自燃傾向性的煤被開采后呈破碎狀態(tài)，堆積厚度一般要大于0.4 m。

（2）有較好的蓄熱條件。

（3）有適量的通風(fēng)供氧。通風(fēng)是維持較高氧濃度的必要條件，是保證氧化反應(yīng)自動(dòng)加速的前提。實(shí)驗(yàn)證明，氧濃度＞15%時(shí)，煤炭氧化方可較快進(jìn)行。

（4）上述3個(gè)條件共存的時(shí)間大于煤炭的自然發(fā)火期。

1.2 煤炭自燃經(jīng)常發(fā)生地點(diǎn)

（1）有大量遺煤而未及時(shí)封閉或封閉不嚴(yán)的采空區(qū)（特別是采空區(qū)內(nèi)的聯(lián)絡(luò)巷附近及采空區(qū)處）。

（2）巷道兩側(cè)和遺留在采空區(qū)內(nèi)受壓破壞的煤柱。

（3）巷道內(nèi)堆積的浮煤或煤巷的冒頂跨幫處。

（4）與地面老窯連接處。

本文主要針對(duì)2個(gè)煤層采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行均壓措施，改變兩煤層通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布，降低2個(gè)采空區(qū)內(nèi)通風(fēng)供氧條件，從而治理采空區(qū)自燃情況的發(fā)生。

2 均壓防滅火技術(shù)

均壓技術(shù)是在20世紀(jì)50年代，由波蘭H.Bystron教授首先提出的，就是采用通風(fēng)技術(shù)措施，調(diào)節(jié)漏風(fēng)風(fēng)路兩端的風(fēng)壓差，使之減小或趨于零，使漏風(fēng)量降至最小，從而抑制控制區(qū)內(nèi)煤的自燃，抑制封閉火區(qū)的火勢(shì)發(fā)展，加速其熄滅。

本文所進(jìn)行的均壓方案對(duì)防滅火研究更加全面，用于間距30 m的7號(hào)和9號(hào)2個(gè)煤層中，在葛泉礦東井11917工作面采空區(qū)和1171工作面采空區(qū)進(jìn)行均壓，通過對(duì)2個(gè)煤層的采空區(qū)漏風(fēng)分析，制定近距離煤層工作面均壓方案，通過構(gòu)建均壓設(shè)施，改變2煤層通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布，從而達(dá)到兩煤層中兩個(gè)工作面采空區(qū)的均壓狀態(tài)。

3 礦井概況

葛泉礦東井通風(fēng)方式采用中央并列式，通風(fēng)方法采用機(jī)械抽出式，共有副立井和主立井2個(gè)井筒。其中，副立井進(jìn)風(fēng)，主立井用于提升和回風(fēng)。葛泉礦東井開采7號(hào)煤和9號(hào)煤2個(gè)煤層，兩煤層間距30 m。

11917工作面所采9號(hào)煤層為Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期為60 d，煤塵具有爆炸性。9號(hào)煤層自然發(fā)火指標(biāo)氣體CO的出現(xiàn)標(biāo)志著煤層已開始氧化，C2H4、C3H8出現(xiàn)說明煤層局部溫度達(dá)到170℃以上，已進(jìn)入加速氧化階段，C2H2出現(xiàn)標(biāo)志著煤層局部溫度已超過325℃。該工作面北、東北至東一采區(qū)運(yùn)輸上山以北40 m，西北至SF3斷層，西至原1197運(yùn)輸巷，南、東南至東翼運(yùn)輸大巷。工作面走向90 m，傾斜長633 m，平均煤厚5.0 m，煤層傾角1°～15°，工作面采用走向長壁后退式開采，采煤工藝為綜采放頂煤，頂板采用全部垮落法，采用U型通風(fēng)。回采期間主要利用安全監(jiān)控系統(tǒng)、色譜儀分析系統(tǒng)及人工檢測(cè)對(duì)自然發(fā)火情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)；采用以灌黃泥漿防滅火系統(tǒng)為主，輔以噴灑阻化劑的綜合防滅火方法；回采巷道內(nèi)構(gòu)筑防火門套，當(dāng)出現(xiàn)火區(qū)無法控制時(shí)可采取封閉工作面應(yīng)急措施。

1171工作面所采7號(hào)煤層，為Ⅲ類不易自燃煤層，自然發(fā)火期為77 d，煤塵具有爆炸性，該工作面東北至7號(hào)煤可采邊界，西至SF1斷層，南至東翼運(yùn)輸大巷上方。工作面走向長1 027 m，平均傾斜長88 m，平均煤厚0.9 m，煤層傾角12°～16°，工作面采用走向長壁后退式開采，采煤工藝為綜合機(jī)械化采煤法，頂板采用全部垮落法，采用U型通風(fēng)。

4 采空區(qū)漏風(fēng)分析

采空區(qū)漏風(fēng)主要從采空區(qū)密閉所處的空間位置、密閉壓差及有毒有害氣體進(jìn)行綜合分析。搜集采空區(qū)防火密閉漏風(fēng)方向、有毒有害氣體含量及防火密閉前壓差情況等數(shù)據(jù)，確定采空區(qū)漏風(fēng)的根本原因。

11917工作面回采完畢后在11917運(yùn)料巷、11917運(yùn)輸巷、一采運(yùn)輸上山及一采軌道上山分別構(gòu)筑了防滅火密閉墻，在一采軌道上山構(gòu)建永久調(diào)節(jié)墻，均處于東翼運(yùn)輸上山回風(fēng)系統(tǒng)中，形成均壓設(shè)施（圖1）。

圖1 1 1 91 7工作面防滅火密閉示意Fig.1 Fire prevention closed schematic on 11917 working face

1171工作面回采完畢后，在1171運(yùn)料斜巷及1171運(yùn)輸斜巷分別構(gòu)筑了防滅火密閉墻，在1171運(yùn)輸斜巷構(gòu)建調(diào)節(jié)墻，均處于集中軌道巷進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中，形成均壓設(shè)施（圖2）。

圖2 1 1 71工作面防滅火密閉示意Fig.2 Fire prevention closed schematic on 1171 working face

通過分析密閉空間位置、抽取采空區(qū)氣樣，利用色譜儀對(duì)氣體成分進(jìn)行分析，使用壓差計(jì)測(cè)量各密閉的漏風(fēng)方向及壓差值等方法，收集相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1。

表1 均壓前采空區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 1 Basic data of goaf before pressure equalization

由于兩工作面采空區(qū)防滅火密閉未處于同一通風(fēng)系統(tǒng)中，1171工作面防滅火密閉處于進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)中，11917工作面防滅火密閉處于回風(fēng)系統(tǒng)中，兩工作面采空區(qū)通風(fēng)壓力差距較大，密閉墻前壓差較大，導(dǎo)致兩工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況。

5 均壓方案

5.1 方案選取

防止采空區(qū)漏風(fēng)多使用高分子材料或水泥漿封堵漏風(fēng)通道，但只能起到局部封堵作用，對(duì)于煤體間形成的裂隙通道效果不明顯，通過改變通風(fēng)系統(tǒng)內(nèi)的壓力分布，降低漏風(fēng)通道兩端的壓差，可從根本上減少漏風(fēng)情況，因此選用均壓防滅火方案。

均壓方式根據(jù)使用條件不同，可分為開區(qū)均壓和閉區(qū)均壓2大類。開區(qū)均壓系統(tǒng)的具體措施應(yīng)根據(jù)工作面不同的漏風(fēng)形式而異，針對(duì)不同形式的漏風(fēng)，主要漏風(fēng)通道及漏風(fēng)范圍，采取降低或改變其端點(diǎn)壓差是實(shí)現(xiàn)開區(qū)均壓的關(guān)鍵。閉區(qū)均壓主要是加固防火密閉，提高封閉區(qū)的風(fēng)阻或采取降低封閉區(qū)進(jìn)回風(fēng)口之間的壓差，以減少漏風(fēng)。

針對(duì)1171工作面采空區(qū)及11917工作面采空區(qū)防滅火密閉未處于同一通風(fēng)系統(tǒng)中，兩端存在壓差的情況，經(jīng)對(duì)通風(fēng)系統(tǒng)的比對(duì)，選擇閉區(qū)均壓措施。將1171運(yùn)輸斜巷永久調(diào)節(jié)墻拆除，在1171運(yùn)料斜巷中構(gòu)建一道永久調(diào)節(jié)墻，這樣1171工作面防滅火密閉墻與11917工作面防滅火密閉墻均處于回風(fēng)系統(tǒng)中，可降低兩工作面采空區(qū)壓差，實(shí)現(xiàn)均壓效果，如圖3所示。

圖3 均壓前后通風(fēng)設(shè)施對(duì)比示意Fig.3 Comparison of ventilation facilities before and after pressure equalization

5.2 實(shí)施過程

（1）現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查收集7號(hào)煤與9號(hào)煤采空區(qū)防火密閉漏風(fēng)方向、漏風(fēng)量、空氣溫度及防火密閉前壓差情況，分析壓差對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)的影響。

（2）持續(xù)檢測(cè)7號(hào)煤與9號(hào)煤采空區(qū)內(nèi)瓦斯涌出及瓦斯流向情況，分析均壓防滅火對(duì)采空區(qū)瓦斯影響。

（3）依據(jù)漏風(fēng)方向等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，構(gòu)建均壓防滅火設(shè)施，完成后使7號(hào)煤與9號(hào)煤采空區(qū)防火密閉壓差降底，減少漏風(fēng)情況。

（4）驗(yàn)證7號(hào)煤與9號(hào)煤防火密閉均壓方案并開展壓差觀測(cè)，最終形成7號(hào)煤與9號(hào)煤均壓防滅火研究成果。

5.3 應(yīng)用效果

在兩工作面采空區(qū)形成均壓系統(tǒng)后，對(duì)兩工作面采空區(qū)壓差進(jìn)行檢測(cè)，具體數(shù)據(jù)見表2。

表2 均壓后采空區(qū)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 2 Basic data of goaf after pressure equalization

通過均壓方案的執(zhí)行，改變了11917工作面采空區(qū)和1171工作面采空區(qū)兩端通風(fēng)系統(tǒng)的壓力分布，效果明顯。對(duì)兩端密閉壓差及有毒有害氣體進(jìn)行了持續(xù)2個(gè)月的檢測(cè)，1171運(yùn)料斜巷壓差降低210 Pa，1171運(yùn)輸斜巷壓差降低210 Pa，11917運(yùn)料巷、一采軌道上山、一采運(yùn)輸上山及11917運(yùn)輸巷壓差無明顯變化，同時(shí)瓦斯及一氧化碳等氣體均無明顯變化。

6 結(jié) 語

通過上述均壓方案的執(zhí)行，控制了近距離工作面采空區(qū)壓差，使1171工作面和11917工作面兩端壓差降低了210 Pa，減少了采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)量，有效治理了采空區(qū)浮煤自燃風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)2工作面采空區(qū)內(nèi)有毒有害氣體均無明顯變化。近距離煤層開采后采空區(qū)防滅火均壓治理技術(shù)方案，簡便易行、經(jīng)濟(jì)合理、見效快，對(duì)防治煤礦自燃火災(zāi)有重大的理論和現(xiàn)實(shí)意義。為今后協(xié)調(diào)開采防滅火治理工作打下基礎(chǔ)，為其他多煤層聯(lián)合開采礦井提供借鑒。