南关矿1204工作面综合防灭火技术研究

郭 彬

(山西汾西矿业集团南关煤业有限责任公司,山西 灵石 031304)

当矿井回采煤层具有自然发火倾向时,煤炭回采过程中需针对性制定防灭火技术措施,受井下环境恶劣、煤层赋存条件复杂等影响,采取单一的防灭火技术往往无法实现较好的防灭火效果[1-2]。为确保煤炭生产安全,矿井多采用综合防灭火技术,虽然可起到较好防灭火效果,但是也面临防灭火工作压力大、执行路线不清晰等问题[3-5]。南关矿1204工作面2号煤层具有自燃倾向性,文中就以1204工作面防灭火工作开展为工程背景,对采面使用的综合防灭火技术进行分析,以期为其他矿井类似情况采面防灭火工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

南关矿为兼并重组整合矿井,井田面积36.045 3 km2,生产规模9×105t/a,批准开采2号、9号、10号、11号煤层。现开采的2号煤层厚0.12～3.15 m,平均2.7 m,煤层结构简单。顶板多为泥岩、细粒砂岩、粉砂岩或砂质泥岩,底板多为泥岩、砂质泥岩、细粒砂岩或粉砂岩。2021年4月30日,山西省煤炭工业厅综合测试中心对2号煤层的煤自燃倾向性进行了鉴定:挥发分26.83%、煤吸氧量为0.68 cm3/g,自燃倾向性等级为Ⅱ类,属自燃煤层,煤层最短自然发火期为69 d.

2号煤层1204工作面东距井田边界885 m,西侧为1202工作面(2009年8月已回采),北为一采区轨道上山大巷,南距二采区边界552 m.1204工作面所在区域总体呈单斜构造,东北高西南低,材料巷长度为742 m,最大坡度23°;运输巷长度为722 m,最大坡度23°;切眼长度42 m,高差为10 m,最大坡度13°.1204工作面回采区域内发育有多条断层,采用全风压“U”型通风方式,1204运巷进风,1204材巷回风,设计供风量为595 m3/min.

2 综合防灭火技术

2.1 火灾监测预警技术

2.1.1 安全监控系统

南关矿选用KJ95x安全监控系统,监测监控队和通风区安排专人做好各类传感器的日常管理、标校工作,确保实时监测,为防灭火管理提供可靠的依据。传感器种类及安设情况如图1所示。

在1204上隅角、1204材巷工作面、1204材巷回风流、1204运输巷溜煤眼上方、工作面煤机等位置布置甲烷传感器;在1204上隅角、1204材巷回风流、1204运输巷胶带机头滚筒下风侧10～15 m等位置布置一氧化碳传感器;在1204运输巷胶带机头滚筒下风侧10～15 m位置布置烟雾传感器;在1204上隅角、1204材巷回风流布置温度传感器;在1204材巷工作面布置粉尘传感器;在1204上隅角布置氧气传感器。

2.1.2 束管监测系统

南关矿选用JSG-8井下束管监测系统,地面设有束管监测系统机房,可对煤层自然发火指标性气体进行检测分析。束管铺设路线:束管监测机房—行人斜井(32芯)—采轨道上山(32芯)—+720联巷(32芯)—采回风巷(16芯)—1204材回联巷(3芯)—1204材巷(3芯)—1204采空区(3芯)。具体采面束管布置情况如图2所示。

图2 采面束管布置示意

根据束管监测工作面采空区氧气数据及中煤科工集团重庆研究院有限公司为南关矿编制的《综采工作面自燃“三带”监测与分析研究报告》,采空区12 m后氧气体积分数低于18%处于氧化带,进入采空区大约66 m后氧气体积分数低于7%处于窒息带。为此,在采面材料巷内安设3芯束管,一路束管位于采空区12 m范围内,一路束管位于采空区12～66 m范围内,一路束管位于采空区66 m以外,以实现对散热带、氧化带和窒息带进行监测。每一路束管抽气口应安设束管采样器,并实行编号管理。具体束管的布点方法见图3.

图3 采空区及上隅角位置束管测点布置示意

在工作面上隅角(0～12 m范围内)布置1个测点,进入采空区(12～66 m范围内)设1个测点,进入采空区66 m左右布置1个测点。保持采空区内部回风侧范围2个测点、上隅角范围1个测点,待距工作面最远测点进入采空区66 m后,即可结束此测点观测,重新设置测点。

地面通过束管采样仪抽取气样至地面色谱分析,分析参数主要有氧气(O2)、氮气(N2)、一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、乙炔(C2H2)、乙烯(C2H4)、乙烷(C2H6),每天检测1次,分析数据打印报表并上报,若发现某项数据超标或者存在异常,则应立即分析并针对性采取治理措施。

2.2 采面正常回采期间防灭火技术

2.2.1 喷洒阻化剂

1204工作面正常回采期间每天在检修班向上、下隅角与工作面支架间喷洒阻化剂,以延缓采空区遗煤氧化。采面采用移动式阻化剂喷洒压注系统:日常喷洒选用2台BQG170/0.25型矿用气动隔膜泵,工作泵压为0.25 MPa,额定风压为0.55 MPa,最大耗气量为1.5 m3/min,喷射量为170 L/min,采用气动方式喷洒阻化剂。选用工业氯化钙作为阻化剂对工作面进行喷洒。阻化剂喷洒泵、储液箱已安设在1204工作面刮板输送机机尾底托板处并铺设专用阻化剂管路,并随工作面的推进随时移动。将矿用气动隔膜泵、储液箱固定在刮板输送机机尾底托板处,阻化剂放置于回采工作面回风巷超前支护段外。

1) 阻化剂浓度确定。阻化剂浓度的合理性是降低成本、提高阻化效果的重要方面[6]。根据以往经验,20%的CaCL2溶液阻化率较高,阻化效果较好;CaCL2溶液低于20%阻化效果逐渐减弱;超过20%的CaCL2溶液阻化效果未见明显增强但成本变高[7-9]。阻化剂浓度控制在15%～20%之间为最佳,因此阻化剂浓度定为20%.

2) 阻化剂量用量计算。

阻化剂喷洒量计算:

V=QyηρcLHS

(1)

式中:V为阻化剂喷洒量,m3;Qy为吨煤用液量(范围0.04～0.06 m3),取0.04 m3;η为工作面丢煤率,取5%;ρc为煤的密度,取1.37 t/m3;L为工作面长度,取42 m;H为工作面回采高度,取2.7 m;S为工作面日推进度,取3.6 m.

将上述参数带入公式(1)即可求得V=1.12 m3.

阻化剂用量计算:

M=Vρyρn

(2)

式中:M为阻化剂需用量,t;V为阻化剂喷洒量,取1.12 m3;ρy为阻化剂溶液密度,取1.18 t/m3;ρn为阻化剂溶液浓度,取20%.将上述参数带入公式(2)即可求得M=0.264 t.

1204工作面一次喷洒量约为1.12 m3,阻化泵喷射量取170 L/min,可得出一次喷洒时间为t=1.12/0.17=6.6 min,所以一次净喷洒耗时6.6 min.

2.2.2 注氮防灭火

1204工作面正常回采期间不进行注氮,若出现CO、C2H2、C2H4、C2H6等遗煤自然发火标志性气体,改为连续注氮。1204工作面采用开放式注氮,注氮方法为回采工作面进风隅角埋管注氮。管路铺设路线:地面注氮泵站—行人斜井—一采轨道上山—+720回风巷—一采回风巷—1204运巷—1204下隅角采空区氧化带,具体采面注氮管路铺设情况如图2所示。制氮设备采用碳分子筛制氮设备,型号为DTJY-1000-97,氮气流量1 000 m3/h,氮气体积分数不小于97%,出口压力0～0.8 MPa.

注氮管路采用10 cm管,在工作面下隅角提前将10 cm锥形管路(前4 m)埋入采空区大于10 m,向采空区注入氮气。埋入采空区管路前4 m采用锥形连接的方式,如图4所示。埋管后,待工作面推进40 m,铺设另一趟注氮管路,工作面再推进10 m,新铺设的注氮管路与原管路法兰盘直接沟通(即“迈步50 m”),使注氮管路的出气口始终保持在氧化带。

图4 锥形连接示意

2.3 非正常回采期间的防灭火技术

非正常回采期间包括:工作面初采、遇断层(月推进小于60 m)、末采回收等时期,在上述非正常开采时期内,两巷道及采空区浮煤氧化时间最长,是重点发火区域。非正常开采期间管理措施:

1) 工作面非正常回采期间,通风区应编制专项防灭火措施,并经审批后执行。

2) 通风区应根据现场实际情况合理调整测点计划,并绘制相应的巡回检测图表,根据实际需要增加检测次数和地点。

3) 非正常开采期间,由于工作面推进速度较慢,工作面遗煤的暴露时间较长,加之存在一定的漏风,易造成煤层自燃,故生产技术部、资源地质部、调度指挥中心等相关部门应对工作面推进度较慢的问题合理安排、部署。

4) 非正常开采期间,队组要及时对上、下隅角进行退锚、放顶,减少采空区漏风。降低采空区漏风量,减小采空区自然发火的危险性。

5) 加强上、下隅角、工作面支架间阻化剂喷洒,工作面停采时应喷洒煤壁,延缓遗煤氧化。

6) 加强束管预测预报和人工预测预报工作,加强工作面上下端头、支架架间CO和温度检测,编制束管分析报告,以此判断煤层发火程度,并上报总工程师及通风区长审批。

7) 非正常回采时期,工作面注氮时机为每天注氮1次。

2.4 工作面回采结束后的封闭及灌浆措施

工作面回采结束后,通风队必须在45 d对巷道进行封闭,利用井下移动黄泥灌浆泵对采空区进行灌浆,由通风队提前编制工作面黄泥灌浆方案,灌浆时必须严格执行所规定的内容,由通风队安排专人负责。

灌浆设备为ZHJ-30/5灌浆泵,额定压力5 MPa,额定排量30 L/min,输出功率15 kW;电机型:YBK2-160-4 ,功率15 kW.浆液的水固比应根据泥浆的输送距离、煤层倾角,灌浆方式及灌浆材料和季节等因素通过实践确定,一般情况下为4∶1.具体灌浆量和灌浆天数根据现场实际情况而定,以灌完采空区浆液从措施孔溢出为准。具体采空区灌浆工艺如图5所示。

图5 灌浆工艺示意

1204工作面在回采期间采用上文所述防灭火技术措施后,采面进风隅角、回风隅角、回风巷以及采空区等位置CO、温度等参数均在正常范围内,整个生产期间未有遗煤自然发火征兆,为采面煤炭高效回采奠定了良好基础。

3 结 语

1) 南关矿回采的2号煤层具有自然发火倾向,为确保采面回采安全,提出在采面生产期间综合使用安全监控系统、宿管监测系统以及人工检测方式对煤层自然发火情况进行监测。在正常生产期间,通过喷洒阻化剂方式进行防灭火,具体一次喷洒量约为1.12 m3;1204工作面正常回采期间不进行注氮,若出现CO、C2H2、C2H4、C2H6等标志性气体,改为连续注氮,从进风隅角位置,及时惰化采空区。并对采面在非正常回采期间主要通过减少漏风、强化阻化剂喷洒、每天注氮以及强化监测等手段进行防灭火;在回采结束后采用及时密闭、采空区灌浆等手段进行防灭火。

2) 依据1204工作面现场情况构建的火灾监测以及防灭火技术措施可确保采面回采安全,在1204工作面回采期间,未出现有采空区遗煤自然发火问题,为采面煤炭安全回采创造了良好条件。