王家岭煤矿18101工作面采空区防灭火技术研究

毕　猛

(山西王家岭煤业有限公司,山西 忻州 034000)

1　矿井及综采工作面概况

王家岭煤矿设计生产能力5 Mt/a,主采煤层为4#煤层,根据山西省煤炭工业厅综合测试中心出具的煤层自燃倾向性鉴定报告,该煤层为Ⅱ类自燃。18101位于井田东南部,走向长2 050 m,倾向200 m,工作面共布置4条顺槽,通风形式为“两进两回”,主采4#煤层,煤层倾角-7°,平均厚度7.69 m,采煤工艺为综采放顶煤后退式开采,全部垮落法管理顶板。

2　束管监测

采空区三带的划分是采空区防灭火的关键。为摸清王家岭煤矿采空区三带的具体距离,王家岭煤矿在地面建立了防灭火实验室,安装了设备,在井下18101工作面建立束管监测系统,每天对工作面后部采空区和回风上隅角、回风流抽取气样进行化验分析,每周对气样和温度变化曲线图进行综合分析,工作面有自然发火倾向时要每天抽取气样进行化验分析。

1)束管测点布置。根据工作面四周与上部8#煤层情况,束管监测点按实际情况设计为4个,1#点位于采空区,2#点位于工作面回风上隅角,3#点位于工作面回风流,4#点位于四采区8#煤层回风巷内。

2)采空区三带划分。束管测点分为两个线路煤层自燃是长期暴露在空气中的煤,由于氧化放热导致温度逐渐升高,当达到煤的着火点发生燃烧,煤层自燃过程其实是煤自身氧化蓄热燃烧的一个过程。煤层自燃是许多因素共同作用的结果,煤层自燃必须同时具备几个条件:具有自燃倾向性的煤呈破碎状态堆积、连续供氧、蓄积热量的环境、时间。根据煤层自燃的原理以及氧气浓度可将采空区分为三带,分别为:散热带、自燃带和窒息带[1]。根据埋入束管测量数据分析,王家岭煤矿采空区三带划分为:散热带(0 m～90 m,φ(O2)>18%);氧化带(90 m～200 m,5%<φ(O2)<18%);窒息带(200 m以外,φ(O2)<5%)。束管埋入采空区距离与氧气浓度变化曲线图,见图1。

图1　束管埋入采空区距离与氧气浓度变化曲线图Fig.1　Variation of the content of oxygen in goaf with the distance of buried tubes

3　采空区注氮

根据《煤矿用氮气防灭火技术规范》(MT/T701-1997)规定,煤矿防灭火可选择埋管、插管、施工钻孔注氮等工艺,王家岭煤业根据井下工作面具体情况,采用埋管注氮工艺进行采空区防灭火。

3.1　注氮原理

注氮技术就是通过地面制氮机制出高浓度氮气向采空区压入,由于氮气密度比空气大,不可燃也不助燃，采空区注入氮气后,氮气部分地替代氧气而进入到煤体裂隙表面,使煤体对氧气的吸附量降低,在很大程度上抑制或减缓了遗煤的氧化速度。另外氮气在流经煤体时,吸收了煤氧化产生的热量,可以减缓煤升温的速度并降低周围介质的温度,使煤的氧化因聚热条件的破坏而延缓。

3.2　注氮方法

在18101工作面胶带顺槽沿采空区埋设一趟注氮管路,当埋入采空区50 m后,同时再埋入第二趟注氮管路,当第二趟注氮管口埋入采空区冷却带与氧化带的交界部位时(采空区100 m位置)向采空区注氮,同时断开第一趟注氮管路,并停止第一趟管路的注氮,如此循环,直至工作面采完为止。18101工作面注氮管路安设步距示意图见图2。

图2　18101工作面注氮管路安设步距示意图Fig.2　Intervals of pipeline installation for nitrogen injection on 18101 working face

3.3　注氮布距以及“氧化带”氧气变化

根据采空区三带数据,氮气释放口在采空区100 m处,其出口为0.2 MPa以上的注氮能力,注氮口有效半径为25 m,则释放间距为50 m。注氮连续8 h以后,氧气浓度逐渐下降至16%左右,24 h降至14%后氧气浓度趋于稳定,18101工作面氧气浓度随埋入深度变化曲线图见图3。

图3　18101工作面氧气浓度随埋入深度变化曲线图Fig.3　Variation of the oxygen content with the buried depth in 18101 working face

4　减少采空区漏风

为防止风量过大,采空区漏风增多从而导致采空区氧气增加,在满足正常安全生产的前提下,工作面配风量尽量减少,目前王家岭煤业综采工作面配风稳定在1 300 m3/min。除此之外,在综采工作面上下隅角还吊挂风障,增大采空区漏风通道上的通风阻力,从而减少采空区漏风。

5　喷洒阻化剂

在工作面推进遇到地质构造带(褶曲、断层、夹矸等)时,工作面推进速度减慢,构造带位置煤体裂隙发育,易构成漏风通道,且构造造成大量浮煤堆积,针对此特殊时期王家岭煤业有限公司采用喷洒阻化剂进行采空区防灭火,就是每天定时对上下隅角的浮煤喷洒阻化剂(成分主要为15%的CaCl2溶液),阻化剂被配撒到煤体之后一部分包裹在煤表面,另外一部分充入煤体裂隙内,阻断煤体的漏风通道,从而达到采空区灭火的目的。

6　结论

从煤层自燃氧化理论以及采空区三带氧气含量关系出发,采用理论、实验与现场实践相结合的方法,对王家岭煤业18101工作面采空区的遗煤的氧化过程的规律进行了综合研究，从采空区三带的划分，到采取来管监测预报、减少采空区漏风、喷洒阻化剂和注氮等多项措施，使工作面采空区的防灭火工作取得显著的成效。