采煤工作面過(guò)地質(zhì)構(gòu)造帶防滅火技術(shù)研究

周 旺

(山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 礦山救護(hù)大隊(duì),山西 孝義 032300)

厚煤層采用綜放開(kāi)采工藝時(shí)具備煤炭產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好等優(yōu)點(diǎn),但是此種開(kāi)采工藝也存在煤炭資源采收率偏低、采空區(qū)垮落空間大、遺煤量多以及漏風(fēng)嚴(yán)重等問(wèn)題[1-2]。隨著礦井采掘深度以及開(kāi)采范圍的不斷增大,采面回采受斷層、陷落柱以及破碎煤巖體等地質(zhì)構(gòu)造影響更趨明顯,在地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)內(nèi)煤巖體往往更為破碎,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)溢流有大量的浮煤,同時(shí)受圍巖裂隙發(fā)育、采面通風(fēng)負(fù)壓等多因素影響,采面漏風(fēng)嚴(yán)重,從而導(dǎo)致采面在地質(zhì)構(gòu)造帶內(nèi)回采時(shí)面臨較大的防滅火壓力[3-4]。為此,眾多的學(xué)者及工程技術(shù)人員從火災(zāi)成因、防滅火技術(shù)、火災(zāi)監(jiān)測(cè)方法、漏風(fēng)規(guī)律等方面展開(kāi)研究,并為后續(xù)采面防滅火工作開(kāi)展提供了寶貴的借鑒經(jīng)驗(yàn)[5-7]。文章在借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上,針對(duì)山西某礦30703綜放工作面回采過(guò)斷層構(gòu)造期間面臨采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火問(wèn)題,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況針對(duì)性地提出了防滅火技術(shù)措施并進(jìn)行工程應(yīng)用,為采面煤炭安全高效回采創(chuàng)造了良好條件。

1 工程概況

30703綜放工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度為2 785 m,傾向斜長(zhǎng)為256 m,是現(xiàn)階段該礦井唯一在采工作面。采面回采的7號(hào)煤層厚度為6.1～8.3 m,均值7.3 m,設(shè)計(jì)開(kāi)采高度為2.8 m.采面回采的7號(hào)煤層自燃發(fā)火傾向性為II類,最短發(fā)火周期為79 d.

根據(jù)已有回采巷道掘進(jìn)揭露、鉆探資料顯示,30703綜放工作面回采范圍內(nèi)發(fā)育有SF31斷層(H=6.7～9.8 m,305°∠57°),該斷層與回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷分別在1 715 m,1 780 m位置斜交,在SF31斷層影響范圍內(nèi),7號(hào)煤層頂?shù)装鍘r性以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主,采面內(nèi)SF31斷層位置見(jiàn)圖1.

圖1 SF31斷層分布位置示意

30703綜放工作面在SF31斷層影響范圍內(nèi)回采時(shí),受煤層頂?shù)装鍘r體破碎、煤層厚度變化以及回采巷道圍巖變形加固等多因素影響,采面推進(jìn)速度緩慢,進(jìn)尺約為0.8 m/d.受采空區(qū)內(nèi)遺煤量大、斷層影響區(qū)內(nèi)采面推進(jìn)速度緩慢、采面頂?shù)装辶严栋l(fā)育、采面漏風(fēng)量較大等多因素影響,采空區(qū)內(nèi)檢測(cè)出了CO且體積分?jǐn)?shù)達(dá)到200×10-6,采空區(qū)遺煤存在較大的自燃風(fēng)險(xiǎn)。為確保30703綜放工作面安全回采,有需要針對(duì)采面現(xiàn)場(chǎng)情況實(shí)施防滅火技術(shù)措施。

2 采面防滅火技術(shù)

2.1 調(diào)整原防滅火技術(shù)措施

在30703綜放工作面在SF31斷層(H=6.7～9.8 m,305°∠57°)影響區(qū)內(nèi)回采時(shí),對(duì)原防滅火技術(shù)措施進(jìn)行調(diào)整,具體為:

1) 減少30703綜放工作面供風(fēng)量,將風(fēng)量由2 550 m3/min調(diào)至1 850 m3/min,通過(guò)減少供風(fēng)量降低采面與采空區(qū)間風(fēng)壓差,從而減少采空區(qū)漏風(fēng)。

2) 降低采面抽采負(fù)壓,將高抽巷抽采負(fù)壓由20 kPa逐漸降低至5 kPa,同時(shí)應(yīng)確保高抽巷內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)在20%以上、氧氣體積分?jǐn)?shù)在10%以內(nèi),從而達(dá)到既減少采空區(qū)漏風(fēng)量又降低采空區(qū)內(nèi)回風(fēng)隅角瓦斯涌出,避免瓦斯超限的目的。

3) 在過(guò)斷層期間,每天安排專人對(duì)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)隅角位置,靠近上下端頭20 m位置,架間等重點(diǎn)區(qū)域噴灑阻化劑(15%～20%的MgCl2溶液)。

4) 強(qiáng)化監(jiān)測(cè)管理。對(duì)采面內(nèi)及回風(fēng)流中CO、溫度及瓦斯等傳感器進(jìn)行校驗(yàn),確保傳感器靈敏可靠。每天對(duì)高抽巷、回風(fēng)隅角以及采面架間等重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行取樣化驗(yàn),及時(shí)掌握采面各重點(diǎn)位置CO、O2等氣體的體積分?jǐn)?shù)變化情況。

2.2 新的防滅火技術(shù)措施

2.2.1 減少采空區(qū)漏風(fēng)

1) 強(qiáng)化地面塌陷區(qū)管理,將巡檢周期由3 d調(diào)整至1 d;每天安排專人對(duì) 30703綜放工作面地面塌陷區(qū)進(jìn)行巡檢,發(fā)現(xiàn)裂隙后及時(shí)封堵。

2) 在采面進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)隅角位置按照5 m間隔布置沙袋墻。沙袋墻上部、下部與巷道頂?shù)装褰佑|密實(shí),兩側(cè)緊靠支架及巷幫;在砌筑完沙袋墻后通過(guò)高分子膠體材料充填沙袋墻內(nèi)空間,以便封堵漏風(fēng)通道。

3) 采面靠近上下端頭的1號(hào)～30號(hào)支架以及100號(hào)～130號(hào)支架后部均注射高分子膠體材料,通過(guò)高分子膠體材料膨脹封堵架間漏風(fēng)裂隙。沙袋墻及高分子膠體封堵區(qū)域見(jiàn)圖2.

圖2 沙袋墻及高分子膠體封堵區(qū)域示意

2.2.2 采空區(qū)持續(xù)注氮

通過(guò)向采空區(qū)注氮,可實(shí)現(xiàn)采空區(qū)及時(shí)惰化,將O2體積分?jǐn)?shù)控制在遺煤自燃發(fā)火臨時(shí)濃度以內(nèi)。利用地面工業(yè)廣場(chǎng)兩臺(tái)型號(hào)QTD1000/98Z制氮機(jī)向井下提供體積分?jǐn)?shù)在98%以上的氮?dú)狻８鶕?jù)30703采空區(qū)內(nèi)自燃“三帶”劃分研究成果,確定氧化帶為采空區(qū)內(nèi)15～145 m,為此在采面進(jìn)風(fēng)巷埋入3根Φ108 mm注氮管路,管路出口間距均為30 m,在注氮管路埋入采空區(qū)10 m后開(kāi)始注氮,從而實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)后方30～90 m范圍內(nèi)持續(xù)注氮惰化。注氮管路布置見(jiàn)圖3.

圖3 采空區(qū)注氮示意

注氮后30703采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)變化情況見(jiàn)圖4.從圖中看出,注氮后采空區(qū)內(nèi)體積分?jǐn)?shù)持續(xù)降低,注氮20 d后采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)可降至10%以內(nèi),實(shí)現(xiàn)采空區(qū)及時(shí)惰化。

圖4 注氮后采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)變化曲線

2.2.3 架間埋管注液態(tài)CO2

在30703綜放工作面過(guò)SF31斷層期間,利用井下的CPW-2.0移動(dòng)式液態(tài)CO2防滅火裝置向采空區(qū)內(nèi)持續(xù)注氮。在回采期間,在架間預(yù)先埋設(shè)通向采空區(qū)的管路,主要覆蓋位置為采面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)隅角,靠近回風(fēng)巷支架后方等。

2.2.4 采空區(qū)注入三相泡沫

礦井灌漿系統(tǒng)為頂板注漿以及采空區(qū)三相泡沫提供漿液。利用井下的抽漿泵將發(fā)泡劑注入到灌漿管路中,通過(guò)井下的壓風(fēng)管、注漿管以及發(fā)泡器等將三相泡沫漿液注入到采空區(qū)內(nèi)。沿30703回風(fēng)巷向采空區(qū)內(nèi)鋪設(shè)3趟Φ108 mm的灌漿管路,出口間距均為30 m,埋入到采空區(qū)內(nèi)30～90 m后開(kāi)始灌漿,灌漿量控制在40～60 m3/h.采空區(qū)三相泡沫注入管路布置情況見(jiàn)圖5.

圖5 采空區(qū)三相泡沫注入管路布置示意

2.2.5 頂板注漿

利用30703綜放工作面回采巷道內(nèi)的10號(hào)及14號(hào)鉆場(chǎng)向采空區(qū)頂板施工鉆孔,通過(guò)鉆孔向采空區(qū)注入三相泡沫進(jìn)行防滅火,其中在10號(hào)鉆場(chǎng)布置6個(gè)頂板定向長(zhǎng)鉆孔,在14號(hào)鉆場(chǎng)布置7個(gè)定向長(zhǎng)鉆孔,見(jiàn)圖6.

圖6 頂板注漿鉆孔布置示意

礦井現(xiàn)有的灌漿系統(tǒng)制漿能力為60 m3/min,水灰質(zhì)量比為(1∶1)～(1∶8),渣漿泵向井下提供漿液,通過(guò)注漿泵向采空區(qū)頂板進(jìn)行持續(xù)注漿。

3 防滅火效果分析

為有效掌握30703綜放工作面過(guò)SF31斷層期間防滅火技術(shù)措施效果,在采面回風(fēng)巷埋設(shè)3趟束管,取樣點(diǎn)分別位于采空區(qū)內(nèi)30 m,60 m及90 m位置;同時(shí)在采面內(nèi)按照10架間隔布置1趟束管,取樣點(diǎn)位于采空區(qū)內(nèi)15 m位置,布置情況見(jiàn)圖7.

圖7 束管布置示意

采用布置的瓦斯、CO傳感器對(duì)采面內(nèi)自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體進(jìn)行檢測(cè),通過(guò)人工巡檢及時(shí)掌握重點(diǎn)位置氣體的體積分?jǐn)?shù)。采取防滅火技術(shù)措施后,采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖8.從圖中看出,實(shí)施防滅火措施后,采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)呈明顯降低趨勢(shì)。措施實(shí)施20 d后,采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)降至24×10-6以內(nèi),同時(shí)采面各位置均未監(jiān)測(cè)到乙炔、乙烯等遺煤自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體;采面于3月13日恢復(fù)生產(chǎn),期間采面各位置未檢測(cè)到CO,采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)也呈降低趨勢(shì)。3月23日監(jiān)測(cè)到采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)降至8×10-6,之后采空區(qū)內(nèi)未檢測(cè)到CO.

圖8 采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 30703綜放工作面過(guò)SF31斷層期間,防滅火工作開(kāi)展難度較大,涉及煤炭開(kāi)采、瓦斯治理、通風(fēng)管理以及監(jiān)測(cè)監(jiān)控等多個(gè)環(huán)節(jié)。依據(jù)采面現(xiàn)場(chǎng)情況以及礦井現(xiàn)有的防滅火設(shè)備、井下管路鋪設(shè)情況,構(gòu)建采面防滅火技術(shù)體系,通過(guò)通風(fēng)管理(減少漏風(fēng)、封堵漏風(fēng)裂隙)、采空區(qū)及時(shí)惰化(注氮及注液態(tài)CO2)、灌漿(頂板注漿以及采空區(qū)灌注三相泡沫)等措施實(shí)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃發(fā)火防治。

2) 防滅火技術(shù)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用后,采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)呈快速降低趨勢(shì)。同時(shí)采面恢復(fù)生產(chǎn)后,采面各位置均未再檢測(cè)到CO,表明現(xiàn)場(chǎng)使用的防滅火技術(shù)措施取得了較好效果。