4302工作面采空区自燃发火条件及应对措施分析

2021-04-01孔维一赵和平

山西煤炭 2021年1期

关键词：空留巷风量裂隙

孔维一,赵和平

(华晋焦煤有限公司沙曲二矿，山西吕梁 033000)

1 工作面概况

1.1 位置与煤层赋存

4302综采工作面(前部)为三采区第二个4#煤层工作面,东面为已采完的4302工作面(后部),南面为已形成的4303工作面,西面为三采区集中巷道,北面为已回采完的4301工作面。工作面布置图如图1所示。

图1 工作面布置图Fig.1 Layout of working face

4302综采工作面倾斜长1 288 m,走向长220 m。工作面整体为一单斜构造,煤层倾向SW,倾角3°～6°,平均为5°,地质条件相对简单[1]。鉴于3#煤层与4#煤层间距在0.4～9.2 m之间,且由西向东层间距逐渐变小,故工作面分两段回采。前部工作面走向长度为740 m,4#煤层平均厚度2.2 m,仅采4#煤层。目前4302综采工作面(前部)已经回采286 m,3#与4#煤层间距在3.0 m左右。工作面综合柱状图见图2。

图2 工作面综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of working face

1.2 瓦斯治理措施

4302工作面采取本煤层抽采、下邻近5#煤层抽采、三采区1#底抽巷穿层钻孔抽采、裂隙带钻孔抽采和沿空留巷埋管抽采等瓦斯综合治理措施。

1.3 自燃倾向性及等级

根据山西省煤炭工业厅综合测试中心2018年3月出具的鉴定报告,3#煤层自燃倾向性等级均为Ⅱ类,属于自燃煤层,最短自然发火期为90 d。4#煤层自燃倾向性等级为Ⅲ类,属不易自燃煤层。

2 工作面采空区煤体氧化情况及应对措施

2.1 煤体氧化情况

2018年5月30日,在4302综采工作面(前部)采空区人工取气化验中,检测出了CO气体,平均体积分数为0.003%,说明采空区内部煤体已经发生氧化,如继续发展存在自燃的风险。

2.2 应对措施

为防止采空区自燃发火,矿井采取了人工取气化验、束管监测、现场人工检测的预测预报措施,同时采取了采空区注氮、堵漏、调整通风系统和抽采负压等防灭火措施,并加快了工作面推进速度[2]。具体措施如下:

1)对4302沿空留巷和可能连通采空区的裂隙进行堵漏,减少采空区漏风。

2)对4302工作面采取了采空区注氮的防灭火措施,通过4302沿空留巷埋管进行注氮,注氮泵注氮能力为900 m3/h,并于8月30日增加了1台同等能力的注氮泵,自4302上部的3301轨道巷进行注氮。

3)为监测采空区的温度变化情况,在采空区铺设了两组稳定导线,测得采空区的温度在26～27 ℃。

4)为降低4302沿空留巷的漏风,矿井对4302工作面通风系统进行了调整。7月16日早班,对4302工作面的风量进行调整,将4302胶带巷的风量由840 m3/min增加至1 020 m3/min,4302轨道巷的风量由1 353 m3/min调整到1 300 m3/min；7月19日早班,对4302工作面通风系统进行调整,增大了3302轨道巷的回风量,减小了4303轨道巷的回风量。调整后,3302轨道巷回风量为910 m3/min,4303轨道巷回风量为1 400 m3/min。

5)为降低4302沿空留巷的漏风,矿井对4302工作面抽采系统进行调整。7月14日中班,全部关闭3302轨道巷裂隙带钻孔及4302沿空留巷前部采空区压埋管的抽采负压；但在关闭3302轨道巷的裂隙带钻孔后,沿空留巷瓦斯浓度出现一定幅度的升高。关闭三采区1#底抽巷穿层钻孔的抽采负压。

6)加快工作面推进速度,要求圆班推进不小于6刀,即不少于3.6 m/d。

7)对4302采空区进回风隅角进行封堵,减少向采空区的漏风量。

2.3 措施效果

通过采取以上措施,4302采空区内CO含量得到了有效的控制。7月20日最高含量(体积分数)达到12×10-5后,采空区内CO含量便持续下降,并于12月30日测得CO含量为0;O2含量也随之由19%(体积分数)降低到15%左右。在检测不到CO后,考虑到两台注氮泵持续运转近4个月,需要进行检修,故于2018年12月30日停止运转注氮泵,停泵后直至1月20日采空区又出现了CO,平均含量(体积分数)为8×10-6,同时出现体积分数为3×10-8的乙烯。由于CO重新出现,又在工作面恢复注氮,采空区CO含量未继续上升,平均含量稳定在2×10-5。

3 采空区自燃三带分析

3.1 U型通风系统采空区自燃三带分析

煤炭自燃可分为三个发展阶段。

1)潜伏期。煤在低温情况下能吸收热量,生成不稳定的化合物,放出少量的热。

2)自热期。煤的氧化程度加快,发热量急剧增加。

3)燃烧期。如果煤的自热程度继续上升,达到临界温度(一般为70～80 ℃)以上,氧化速度急剧加快,煤的温度迅速升高,当温度达到300～500 ℃时,就会发生燃烧现象[3]。在井工矿井中,煤炭开采后形成的空间称为采空区。现阶段大部分煤矿均采用垮落法处理采空区顶板,但因为工艺原因会将一定量的遗煤留在采空区。

传统的U型通风工作面,随着采煤工作面的推进,采空区内的遗煤氧化形成了不断变化的自燃三带,即:散热带、氧化带、窒息带(详见图3)。散热带浮煤较厚,由于接近通风巷道,大部分氧化产生的热量都能够被释放,不易形成热量积聚;氧化带位于采空区中部,风速较小,氧化产生的热量无法快速释放,采空区中部破碎岩石逐步压实,形成一个蓄热环境,易发生自燃,又称自燃带;窒息带的风流速度很小,并且O2浓度很低,无法达到形成自燃的条件。

图3 U型通风条件下采空区自燃三带Fig.3 Three zones of spontaneous combustion in goaf under U-shaped ventilation

3.2 Y型通风系统采空区自燃三带分析

在Y型通风系统中,因工艺原因沿空留巷墙体两侧的采空区与回风巷必然存在裂隙导通,裂隙主要来源于以下两方面。

1)如图4所示,煤层往往存在自然倾角,而目前4302工作面沿空留巷采用柔模浇筑工艺,因充填材料为无压充填,材料浆体固化前必然在自重和表面张力作用下顶面呈水平状与顶板存在一条楔形裂隙。

2)沿空留巷形成过程中,顶板在墙体内采空区侧断裂冒落,而因为断裂过程受力不均,故多有裂隙从墙体上部发育至巷道顶板上方,如图5和图6所示[4]。

图4 沿空留巷墙体与顶板间裂隙微观结构Fig.4 Microstructure of cracks between wall and roof with gob side entry retaining

图5 沿空留巷顶部裂隙发育情况现场Fig.5 Crack development of roof with gob side entry retaining

图6 顶板裂隙发育情况俯视图Fig.6 Top view of roof crack development

因为上述裂隙的产生,在压差的作用下采空区内气体通过裂隙涌入巷道,而采空区气体的涌出,导致采空区内气压降低,工作面风流向采空区的流动趋势会增强,造成采空区漏风量增大。所以Y型通风条件下,采空区自燃三带中氧化带宽度自沿空留巷方向增加,造成采空区自燃发火危险性增加,如图7所示。

图7 Y型通风条件下采空区自燃三带Fig.7 Three zones of spontaneous combustion in goaf under Y-shaped ventilation

从4302工作面来看,随着4#煤层的回采,4#煤层顶板和3#煤层均冒落到采空区。这种情况下,一方面3#煤层破碎程度较高,煤层松散易发生氧化;另一方面3#煤层破碎,煤体上下的冒落岩块形成了良好的供氧通道,如图8所示。

图8 4302采空区冒落情况Fig.8 Top coal caving in goaf of No.4302 working face

4 Y型通风工作面防灭火措施分析

根据对Y型通风工作面自燃三带的分析可知,除传统的注氮、上下隅角堵漏、采空区注浆、喷洒阻化剂等措施以外,最关键的就是对沿空留巷墙体裂隙的封堵,以减少氧化带宽度,通过与其他措施结合,降低自燃发火的危险性[5]。若不能有效封堵裂隙,采取注氮措施将会在漏风流作用下,无法将氮气注入采空区深部,如图9所示。

图9 采空区注入氮气气流方向Fig.9 Flow direction of nitrogen injected into goaf

传统封堵裂隙的方法主要是充填与喷浆。由于沿空留巷整条巷道均存在裂隙发育的情况,且裂隙均有体积小、面积大的特点,充填材料往往只适合于封堵体积大、面积小的裂隙,故而充填法在沿空留巷不适用。传统的喷浆工艺多选用混凝土喷浆,而混凝土为刚性体,沿空留巷形成过程中不断受到动压影响,刚性体极易受压力、剪切、拉伸等复合应力作用发生破碎产生裂隙,无法长时间保证封闭效果,且混凝土喷浆还有劳动量大、成本高、粉尘危害作业人员等缺点。因此,需要找到一种柔性喷涂材料,在封闭沿空留巷裂隙的同时,能够承受动压作用。

根据以上分析,沙曲二矿选用巷道柔性喷涂材料进行了喷涂试验。根据试验效果可知,柔性喷涂材料能够有效封堵巷道大面积裂隙,并具有速度快、劳动强度低、效果好等优点。喷涂效果见图10。

图10 4302沿空留巷柔性喷涂材料应用效果Fig.10 Application effect of flexible spraying material on 4302 working face with gob-side entry retaining

通过观察柔性喷涂材料在长达300 m巷道的实际应用效果可知,该材料能够较好地与煤岩及水泥墙体结合,具有较好的粘结附着力。通过对喷涂墙体进行瓦斯检查发现,此段墙体未出现集中的瓦斯涌出点,证明了这种材料封堵的有效性。从施工角度分析,该材料具有水溶性,无毒无害,施工操作简单,而且不会出现双组份材料常常出现的喷枪堵塞等问题。