薄煤层无煤柱开采综合防灭火技术

吕 斌

(大同煤矿集团有限责任公司 通风处,山西 大同 037000)

采空区遗煤自燃作为煤矿火灾之一,严重影响着矿井的安全高效生产,为此众多学者从理论和技术方面对采空区遗煤自燃进行了大量研究[1-4]。自无煤柱开采技术提出以来,在矿井中得到了一定的应用,其采空区遗煤自燃特征与常规开采技术也有一定区别。

冯恩杰等[5]根据东滩矿综采放顶煤无煤柱开采煤层自然发火的特点,对煤层自然发火区及发火等级进行了划分,阐述了煤层自燃发火的特征。宋立兵等[6]对神东矿区哈拉沟煤矿通风系统、采空区自燃三带分布等分析,总结了切顶卸压无煤柱开采技术采空区防灭火管理经验。张永明等[7]以乌兰煤矿为例,通过对无煤柱开采下煤岩体裂隙发育状况和漏风通道的分析,研究了易自燃煤层工作面在无煤柱开采条件下的防灭火技术。马娇等[8]通过数值模拟分析了煤柱宽度及不同注氮方式下采空区自燃三带分布情况,发现段间无煤柱开采会形成大面积复合采空区,使本采空区氧化带宽度增加、注氮后高浓度氮气积聚区域减小,降低注氮防灭火效果。

综上所述,前人对无煤柱开采防灭火的研究取得了一定的成果,值得我们借鉴。本文以晋华宫煤矿为例,通过分析现有通风方式下无煤柱开采与传统开采采空区漏风的区别,对薄煤层无煤柱开采防灭火技术进行了研究。

1 矿井概况

晋华宫矿7-4#层402盘区8209工作面,是晋华宫矿第一个无煤柱工作面,同时也是同煤集团首批回采的无煤柱工作面。8209工作面的走向长度1 232.5 m,倾斜长度190.5 m,煤层厚度0.95 m～2.1 m,平均厚度为1.4 m,8209工作面回采煤层煤尘具有爆炸性,自燃倾向性等级Ⅰ级,最短自然发火期为62 d。采用走向长壁后退式开采,留巷方式为切顶卸压留巷,预计留巷长度750 m。工作面布置如图1所示。

图1 8209工作面布置图

8209工作面回采至留巷段之前通风方式为“一进两回”式通风,即2209巷进风,2207巷和5209巷回风。留巷段期间的通风方式为“两进一回”,即2209巷和2207巷进风,5209巷回风。

2 采空区漏风分析

回采至留巷段前通风方式如图2所示。该通风方式下,采空区漏风与传统的“U”型通风方式一样,漏风主要在进风巷和工作面后方的采空区。

图2 回采至留巷段前通风方式及漏风

回采至留巷段后通风方式如图3所示。在该通风方式下,采空区漏风除了2209进风巷及工作面后方外,还增加了由切顶留巷段的漏风。由于留巷段巷帮一侧为采空区冒落带,使留巷段处采空区处于一种开放的状态,与传统开采方式相比漏风相对严重。同时,由于漏风量的增加,导致采空区氧化带范围增大,漏风量的增加也会增加采空区的氧气量,会加速采空区遗煤的氧化,增加采空区放灭火的管理难度。

图3 回采至留巷段后通风方式及漏风

3 留巷期间防灭火方案及效果

3.1 防灭火方案

采空区自然发火主要原因包括两方面:一是遗煤暴露时间达到自然发火期;二是采空区漏风较大为采空区遗煤提供充足的氧气。因此,结合回采期间采空区漏风分析,回采留巷段期间,为防止采空区遗煤自燃,主要采取以下防灭火措施:

1)加强采空区预测预报。通过瓦检员加强工作面及混合风流CO等自然发火指标气体和回风流温度检查,同时留巷巷道内每回采150 m增设一个CO传感器,加强预报手段,时刻关注采空区是否存在自然发火征兆,以便发现工作面温度明显上升、有芳香族碳氢化合物、CO浓度超过0.002 4%或增加较快等发火征兆时,及时撤人并采取防灭火措施。

2)架间喷洒氯化镁阻化剂。在回采工作面支架内每隔30 m安设1个雾化器,对采空区喷洒氯化镁阻化剂。喷洒氯化镁阻化剂后能够吸收空气空的水分,在煤的表面形成含水液膜,阻止了煤与氧气的接触,同时会增加煤在低温时的化学惰性,降低煤的氧化速度。

3)2209进风顺槽端头封堵。利用砂袋装填黄土,沿工作面切顶线构筑封堵墙,封堵墙沿巷道走向呈分层垂直咬合垒砌,封堵墙的两侧必须与相邻的支架尾梁和巷道煤壁接严,且顶端必须与巷顶接实。当工作面正常回采时,每推进30 m左右构筑一道封堵墙,减少采空区漏风。

4)采空区注浆、注氮。回采过留巷段30 m后,在采空区中部对应地面向8209采空区中部施工1个Φ108 mm灌浆孔作为备用;在2209进风顺槽安装1台制氮机、2台空压机并随串车移动,确保存在自然发火隐患时可立即采取向采空区注氮的措施。

3.2 防灭火效果

回采过留巷段32 m、61 m、92 m、120 m、150 m时,在2209巷端头对应切顶线处分别构筑了1道封堵墙,根据回风流漏风量测定结果,发现构筑封堵墙前漏风量均在175 m3/min左右,构筑封堵墙后漏风量均在60 m3/min～90 m3/min之间,有效降低了采空区漏风。

留巷距离达98 m时,5209巷回风流中气体化验显示存在C2H6和CO气体,随着回采继续推进,C2H6气体从0.002 6%逐渐增大至0.062 8%,CO气体逐渐从0.000 6%升高到0.001 4%,为防止采空区自燃,启用了注氮系统。C2H6和CO气体浓度随注氮时间变化如图4所示。

从图中可以看出,随着注氮时间的增加,5209回风巷中C2H6气体浓度和CO气体浓度逐渐降低,注氮时间达到第10 d时C2H6气体浓度降到0,注氮时间达到第9 d时,CO浓度降低到0,表明注氮效果良好,有效防止了采空区遗煤自燃事故的发生。在之后的回采留巷过程中,采用该防灭火技术措施,采空区没有发生自燃现象。

4-b CO气体浓度变化曲线

4 结 论

1)无煤柱开采与传统开采方式相比,采空区处于一种开放式状态,增加了采空区的漏风量,加速采空区遗煤氧化,增加了采空区防灭火的难度。

2)采用进风顺槽端头封堵技术后,采空区漏风量由175 m3/min降低到60 m3/min～90 m3/min之间,有效降低了采空区的漏风量。

3)回风流中CO和C2H6气体浓度升高后,为防止采空区自燃,启用注氮措施,有效防止了自燃事故的发生。

4)采用加强预报、端头封堵、喷洒阻化剂、采空区注浆注氮综合防灭火技术能够有效降低采空区自燃事故的发生,保证工作面地安全回采。