综放面停采撤架防灭火技术研究

2012-01-08王亚超景兴鹏张辛亥

中国矿业 2012年7期

王亚超，景兴鹏，张辛亥，肖旸

(1.西安科技大学能源学院，陕西西安 710054；2.中煤科工集团西安研究院，陕西西安710054；3.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室，陕西西安 710054 )

煤自燃火灾一直以来就是我国煤矿的重大灾害之一。我国煤炭自燃火灾十分严重，因此煤层火灾的防治技术成为了矿井安全技术的重点。煤层火灾防治技术主要包括注水、压注凝胶[1-2]、惰性气体[3]、黄泥浆[4-5]、注三相泡沫[6]、喷洒阻化剂[7]、注胶体材料[8-9]等方法。目前煤矿防灭火技术采用较多的是胶体系列防灭火材料和三相泡沫等材料的灭火技术。对于亭南煤矿103综放面的实际情况和结合监测数据分析数据，在停采撤架期间采用综合防灭火技术措施，从而保障103综放面安全顺利撤架。

1 工作面概况

亭南煤矿位于彬长矿区中部，井田面积33.82 km，主采侏罗系8#煤层，平均厚度8.29m。矿井采用一对立井单水平开拓，划分为四个盘区，采煤方法为倾斜长壁综放开采。根据亭南煤矿8#煤层煤尘爆炸指数为30.06%～30.86%，爆炸火焰长度为300mm，煤尘具有爆炸性；8#煤层吸氧量为0.46～0.51mL/g，自燃倾向等级二类，发火期为3～6个月。该矿周边开采同一煤层的矿井实际最短自然发火期为1个月。亭南煤矿的瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井，瓦斯相对涌出量9m3/t，绝对涌出量13.62m3/min。通风方式为中央并列式，两台主扇型号均为GAF-23.7-11.8-1，电机功率为560 kW，等积孔为4.1m2，矿井负压1600Pa，总进风量为7914m3/min，总回风量为9004m3/min，矿井有效风量率为86.1%。煤矿回采过程中，103综放工作面回风隅角监测到的CO浓度升高，一般为20～30ppm，回风隅角后部CO浓度还有所增大，但没有出现乙烯乙炔等其它自燃标志气体。采空区回风侧深部埋管监测到CO浓度达100ppm左右，O2浓度为14%左右，从近期的监测数据看，CO浓度比较稳定，没有增加或降低的倾向。根据煤矿工作面的气体监测结果分析，采空区仍然存在一定量的漏风，浮煤氧化放出CO气体，但采空区温度仍然较低。通过数据分析推算出103面采空区散热带处于距离工作面20m的采空区，氧化升温带位于距离工作面20～120m的范围，其最宽处位于采空区进风侧，氧化升温带在采空区回风侧的宽度也很大，其采空区三带分布如图1所示。因此该重点处理氧化升温带宽度比较大的进风侧，对采空区回风顺槽处也要加强处理。

图1 亭南煤矿103工作面采空区三带分布示意图

2 亭南煤矿103综放面的自燃检测

由于亭南煤矿103工作面风量大，难以自工作面监测到采空区出现自燃标志气体浓度升高等变化。为尽早预报采空区自燃，日常监测点布置如下：①高位瓦斯抽放管作为一个测点，每天定时采气样色谱分析其气体成分及浓度；②采空区回风隅角深部埋管每天采气样进行色谱分析，该监测点采样头位于巷道顶板，水平方向距离工作面15～40m处；③工作面距离回风隅角处布置CO传感器，实时监测回风隅角CO变化情况；④瓦检员每班在工作面巡检，每隔40m一个点，用金属管伸入到支架后部顶板最里端，抽出气样用便携仪分析其瓦斯及CO、O2等。如果有CO等标志气体异常，则采样带回地面色谱分析；⑤通防队每天将监测数据填入固定表格，上报通风科分析采空区煤自燃的动态发展，如果发现自燃标志气体(主要是CO)连续升高或出现C2H4等异常现象，则说明有煤层自燃趋势，尽快采取注胶防灭火措施。通过检测可以判断亭南煤矿103综放面的自燃特征，从而可以制定综合的防灭火综合技术。

3 亭南煤矿103综放面的综合治理

结合亭南煤矿103综放面的实际条件和各种防灭火技术的特点，确定了因地制宜，合理地运用注氮、堵漏、灌浆、注胶及矿井应急防灭火技术，对103综放面的煤层火灾进行综合防治的总体思路如图2所示。

图2 103综放面自燃防治总体思路

3.1 接近停采时加强采空区“两道”的封堵和注胶

接近停采线时(距离停采线100m以内)，工作面每推进30m左右，用轻质膏体充填材料封堵采空区“两道”，封堵方法为：向采空区两道的顶板附近挂注轻质膏体充填材料的管路(1寸高压软管)，将注轻质膏体充填材料的设备(ZHJ-5/1.8G型矿用移动式防灭火注浆装置)运送到井下充填区域附近，将预设管路连接到注轻质膏体材料设备。随着工作面推进，软管到达工作面后15～20m处，用设备压注轻质膏体材料至采空区，材料自动膨胀并且将顺槽封堵实。

采空区“两道”注胶预防自燃。接近停采线时，将灌浆管路预埋在“两道”注轻质膏体充填封堵材料位置后约15m处的煤柱侧顶板处，膨胀封堵墙完成后，即沿管路向采空区注胶或灌浆。其工作面两道的封堵以及注胶防灭火技术如图3所示。

图3 工作面两道封堵及注胶防灭火平面示意图

3.2 停采线防灭火技术方案

103综放工作面是亭南煤矿第二个采煤工作面，该综放面停采后，为了防止停采撤架期间煤层自燃，对采空区两道进行了封堵，在采空区轨顺侧距离停采线20m以内的范围用黄土装袋垒成密集的墙体进行了封堵，并在封堵墙外喷艾格劳尼，封堵比较严密。在采空区皮顺侧(回风顺槽)停采线处也用黄土装袋垒墙并在封堵墙外喷罗克休进行了封堵(但该封堵墙后仍有较大空洞，没有充填严实)。此外，在103综放工作面支架后部顶板处注高分子胶体。

1) 堵漏。采空区进风侧用黄土袋充填得比较严实，内部基本没有空间，其表面用水泥喷浆进行了处理，根据情况可选用高分子胶体对漏风裂隙进行充填；

2) 采空区回风侧停采线处用土袋墙进行了封堵，其表面用艾格劳尼进行了喷涂。但存在漏风通道，从一些缝隙外可以监测到较高浓度的CO、CH4等气体。为了减少从该处的漏风，用松散体打钻、下套管一次完成设备自回风隅角向采空区深部施工钻孔，以便插管注胶体。根据采空区冒落情况，该处钻孔终孔位置水平方向在距离工作面后15～20m，和回风侧煤壁5～10m处，垂直方向位于煤层顶板处。该处形成一个宽、高和深分别约为6～8m的胶体隔离带，注胶量约100～150m3。

3) 为了防止采空区自燃，用松散体打钻、下套管一次完成设备自工作面向采空区后部打钻注高分子胶体。钻孔终孔位置处于工作面尾梁后3～4m，煤层顶板以上1m左右，钻孔间距一般为15m左右，在进风和回风侧各30m范围钻孔加密到8m左右，则整个工作面需打约13个钻孔。水平位置如图4所示。每个钻孔注胶量约为40m3，端头附近钻孔注胶约80m3；

4) 向支架后上部打钻注胶，防止工作面顶煤自燃。该钻孔间距亦为15m左右，与支架后部钻孔均匀相间排列，终孔位置位于支架尾梁后部煤层顶板处，每孔注胶20m3左右。

图4 工作面有停采时注胶防灭火平面示意图

3.3 停采期间尽量减小工作面风量,并持续向采空区注氮

煤炭自燃必须有连续的供氧条件，热量的产生有依赖空气中氧气的供给，所以在煤矿防灭火技术措施中，要严格的控制空气的连续供给是问题的关键所在。在严格控制空气的供给下，也要对采空区进行注氮措施，其步骤如下：①尽量加快撤面速度，各项防火工作尽量不影响撤架带度，停采后30天内完成撤面和封闭工作面工作；②工作面停采撤架时尽量减小工作面风量；③停采期间持续向采空区注氮，注氮口位于采空区进风侧距离停采线10～30m处;④撤面后及时快速地封闭工作面，保障安全。

3.4 火区大量压注复合胶体

回风隅角CO持续增加时，可以据分析结果向预计的发火部位大量压注复合胶体，迅速抑制煤层自燃。

由于预计工作面进风测氧化升温带宽度最大，采空区回风顺槽出氧化带宽度也很大，这些区域是煤层自燃危险性最大的区域，所以注复合胶体钻孔终点位置为：进风侧距离进风顺槽15m和35m，距离工作面架尾约15m处(氧化升温带外)的煤层顶板处各一个钻孔，和回风侧距离工作面架尾约15m(氧化升温带外)的煤层顶板处施工一个钻孔。

为了保证注复合胶体的质量，注胶方法为：从地面注浆池冲浆，制备的泥浆在地面缓冲池中沉淀后抽出其顶部清水，使浆浓度达到水土比1∶2～1∶1，然后进行灌浆。为了防止浆液沉淀堵塞管路，可以在地面灌浆池加悬浮剂(与浆比例为1∶1000)。复合胶体胶凝剂在井下注胶钻孔附近(距离钻孔50m以内)由设备加入，其添加量每立方米浆加入1kg胶凝剂。

复合胶体注胶流量可以达到每小时30m3以上，能够迅速充填采空区，预防煤层自燃或扑灭煤层火灾。