综合防灭火技术在15101综放工作面的应用

温衍强

(太原东山五龙煤业有限公司,太原 030043)

矿井火灾为煤矿“五大”灾害之一,煤层自燃引起的矿井火灾占矿井火灾总数的85%～90%。近年来,综采放顶煤开采技术因其生产效率高、经济实用而在厚煤层中被广泛推广应用,但也存在许多缺点,如果管理不善,会出现采空区遗煤较多、回采率较低、漏风严重等问题,使得煤层自燃火灾频发,从而导致人身安全受伤害,煤炭资源浪费,设备损失,造成巨大的经济浪费。如2013年3月29日,吉林八宝煤矿4146工作面采空区煤层自燃造成瓦斯爆炸事故,死亡17人,8人受伤,直接经济损失1 986.5万元;太原东山煤矿有限责任公司在2016年71504工作面开采过程中,因煤层自燃发火将全部综采设备封闭于工作面,造成了巨大的经济损失和资源浪费[1-3]。

太原东山五龙煤业有限公司(以下简称五龙煤业)15101综放工作面采取综合防灭火技术,保证了工作面正常开采,特别是工作面停产一个月,CO含量稳定,无明显增高,确保了工作面正常接续开采,对易自燃煤层综放开采防灭火工作提供了借鉴。

1 15101综放工作面项目概况

五龙煤业为兼并重组矿井,井田位于沁水煤田西北隅,太原东山矿区西南,矿井设计生产能力90万t/a,现处于正常生产矿井。公司首采面为15101工作面,布置在15号煤层,采用综采放顶煤工艺开采。

五龙煤业15101综采工作面埋深约370 m～430 m,煤层倾角6°～20°,变化幅度较大,通风采用“一进一回”U型方式。工作面倾斜长度(切眼)为150 m,走向长度(顺槽)610 m,开采区域煤层厚度为6.5 m～7.5 m,平均厚度为7.02 m,工作面采用综采放顶煤开采,全部垮落法管理顶板。

根据山西省煤炭工业厅综合测试中心《山西省煤矿矿井瓦斯等级鉴定报告(2019年度)》太原东山五龙煤业有限公司矿井绝对瓦斯涌出量为1.43 m3/min,相对瓦斯涌出量为0.81 m3/t;井下回采工作面绝对瓦斯涌出量最大为0.58 m3/min；矿井属低瓦斯矿井。15号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级,自燃倾向性性质为自燃，最短发火期为81 d[4-5]。

五龙煤业井下采用采空区灌浆、喷洒阻化剂、采空区注氮等综合防灭火措施。在回风立井工业场地新建一座黄泥灌浆站,站内安设MYZ-30/60型灌浆注胶防灭火系统,灌浆管路采用Φ108 mm×4 mm的无缝钢管,辅设至距离上隅角15 m处，然后对接Φ108 mm×4 mm的高压胶管，埋入采空区6 m处，为全矿灌浆服务,灌浆方法随采随灌。在采煤工作面回风顺槽放置阻化剂喷洒设备,选用WJ-24型喷射泵,管材为Φ50.8 mm的普通钢管及Φ38.1 mm的胶管,对工作面进行阻化剂喷洒作业。地面工业场地建设注氮车间,安装DM-1000/10L型煤矿用移动式膜分离制氮装置,从主井铺设Φ108 mm×4 mm的无缝钢管至采煤工作面,对井下采煤工作面进行注氮作业。矿井采用JSG8井下自燃火灾束管监测系统,对井下综采工作面进行采样监测分析,主管路采用8 mm×8 mm芯束管,自束管实验室沿主斜井至回风下山进行铺设,支管路采用8 mm×4 mm芯束管,通过井下分路箱与主管路连接，沿综采工作面回风顺槽铺设至工作面。束管均使用Φ50 mm无缝钢管进行保护,在综采工作面布置5个测点,抽出的气体通过气体采样控制柜进入气象色谱仪进行分析,分析数据由数据工作站进行处理。

矿井设有KJ160N安全监控系统,地面有中心控制站(设在调度监控中心),系统采用双电源供电。现设有12台监控分站,地面主要通风机风机房安设1台监控分站;该系统可对矿井瓦斯、风速、CO、负压、温度、主通风机、局部通风机开停、风门开关状态等井下环境参数及设备开关状态进行监测[6]。

15101综采面在正常开采时,初期配风1 220 m3/min,推进260 m后,检测到工作面回风上隅角CO体积分数升到(16～22)×10-6,上隅角往下5架支架后尾部CO体积分数为(10～18)×10-6,在上级检查时,要求工作面停产整顿一个月。

2 CO浓度增高的原因

1)15101工作面回采后采空区、上下隅角遗留的浮煤较多,这些遗煤在长时间漏风条件下低温氧化,产生大量CO。

2)15101工作面在瓦斯治理上采取了加大供风量方式,工作面配风为1 220 m3/min,造成采空区漏风严重,从而扩大了采空区氧化带范围,导致采空区浮煤氧化产生CO。

3)15101工作面在联合试运转及初采期间,主要以设备调试为主,工作面推进为辅,生产速度相对缓慢,延长了采空区氧化带存在的时间,造成了氧化带热量聚集,导致采空区浮煤达到自燃发火温度而氧化产生CO。

3 综放工作面瓦斯治理与防灭火之间的关系

综放工作面所采煤层有自燃发火性且瓦斯涌出量增大时,治理瓦斯与防灭火之间存在矛与盾的关系,在治理瓦斯超限时通常手段是采取加大工作面风量。但是增加工作面风量的同时,采空区漏风也会相应增加,从而会增加采空区自燃发火的概率。因此在治理工作面瓦斯与防灭火工作时要找到两者之间的平衡关系[7]。

1)采空区漏风是煤层自燃发火的重要因素,因此在减少采空区漏风的同时也要保证工作面风量充足，以此来排出工作面瓦斯。在实际生产中调整风量时,也要注重束管系统正常使用，加强束管监测,查看CO数据变化情况,在综放面供风量与CO涌出浓度之间寻找平衡点,使风量达到最大时,CO浓度不会升高。

2)在瓦斯治理与防灭火之间寻找侧重点。假如综放工作面CO浓度升高有自燃发火迹象时,首先要考虑的是如何加强工作面防灭火。如瓦斯治理技术手段与防灭火治理相互冲突,则可以相应减少一些技术手段,保证工作面瓦斯不超限。

3)治理瓦斯与防灭火可以同时使用的措施[6-7]:

①在治理瓦斯超限时,增加工作面风量,但是需将工作面上下隅角进行封闭，以此减少采空区漏风。

②在轨道顺槽超前综放面40 m打钻瓦斯释放孔,成孔后利用压缩空气对孔内进行冲刷,以此来排出煤层赋存的游离状态的瓦斯。

③利用风水喷雾装置排出上隅角积存的瓦斯。且用风水喷雾装置喷出的水雾也有利于上隅角降温，从而降低煤层自燃发火的可能性。

④在采用注氮防灭火技术时,会对上隅角瓦斯治理产生一定的影响。在氮气注入采空区时,采空区瓦斯会相应的由上隅角涌出,从而造成上隅角瓦斯超限,因此在利用注氮防灭火的同时要考虑风排瓦斯能力。

⑤如果工作面防灭火情况较为严重,且工作面瓦斯涌出量较大时,可以采用井下移动瓦斯抽放泵站,利用上隅角埋管的方法抽采上隅角积存的瓦斯,以此来保证综放面防灭火措施顺利实施,也保证了工作面瓦斯不发生超限现象。

⑥采用注浆与喷洒阻化剂防灭火。在利用其他方法进行防灭火工作对瓦斯治理造成一定影响时,采取该方法对工作面瓦斯治理不会造成任何影响。

⑦在煤层有自燃发火性时,必须加强瓦斯治理工作。如瓦斯超限会导致瓦斯爆炸或者瓦斯燃烧现象,也可能引燃煤层,导致煤层自燃,因此要将瓦斯治理与防灭火同时进行且要相辅相成。

4 15101综放工作面综合防灭火技术的应用

4.1 第一阶段

1)15101综采面防灭火管理作为全矿井安全工作重点,成立以总工程师为组长的防灭火管理机构,调度中心和通风部设专人负责,出现异常情况及时向矿调度中心和总工程师汇报。

在15101综采面回采期间,严格执行瓦斯检查制度,每日3班,每班需认真记录综采面的CO浓度、CO2浓度、CH4浓度、空气温度等,且要作为当班领导检查的重点,同时要将15101综采面自燃发火束管监测预测预报表报通风部领导和总工程师审阅[8]。

2)优化通风系统,合理调配工作面风量。当检测到工作面CO浓度升高后,为了及时控制采空区浮煤的进一步氧化,减少采空区漏风量,需根据工作面瓦斯的涌出浓度、风速大小、温度及最大工作面人数等综合因素,将工作面风量调整到860 m3/min[9]。

3)加强束管监测系统使用,每日进行束管监测数据分析,安排瓦斯员每日巡查束管管路是否漏气,加强人工采样化验上隅角气体浓度,每天早班、夜班进行采样,化验结果报通风调度留存。对于正在回采的活动工作面,通常情况下工作面布置5处束管测点,主要测点布置见图1。

图1 15101综采面束管监测点布置示意图

采空区的气体成份采用埋管测定法。在采空区设置3个等距回顺侧监测点,采用Φ50.8 mm镀锌管作为预埋管,在镀锌水管中穿入3根Φ8 mm不同标记的束管。采样点分别分布在90 m、60 m及30 m处(可根据实际情况更改距离),每根束管负责一个测点的气样。为了防止积水堵塞束管,可将每个测气点抬高1.5 m同时用束管连接,每个测气点的头部采用带孔花管加滤尘器或滤尘材料填充,在立管最上方,加工制作防水帽,避免采空区顶部的水淌下从滤尘器进入束管管路[9]。采空区束管测点随着工作面回采而推进,每90 m需要更新一次保护管路和采气点,已经使用的监测管路不回收[10]。

4)加强工作面瓦斯监控管理。在15101综采面上隅角、回风顺槽距工作面5 m～10 m范围内及回采面靠近回风大巷10 m～15 m范围内应另行设置CH4传感器;在距15101综采面靠近回风大巷10 m～15 m范围内需另行设置CO、O2、温度、风速等传感器,监测设备布置见图2。

图2 15101综采面监测设备布置示意图

采用专用吊架将传感器吊挂在顶板上,一般距帮<200 mm,距顶≤300 mm范围内,不影响行人和行车,且应安装维护方便。CO传感器报警体积分数≥24×10-6,温度传感器报警温度≥26℃,O2传感器报警浓度<18%[11]。

5)严格回收率考核。综采队放顶煤时要将顶煤放干净,以放出1/3矸石为准,每班回采结束时要对工作面、支架间进行浮煤清理。

6)每班安排喷洒阻化剂(阻化剂用氯化镁或氯化钙水配比成饱和溶液),喷洒地点为上下隅角、工作面支架之间、后溜槽、支架与运输机之间。上隅角要多喷多洒;对回风巷巷帮及前、后溜子机尾向机头方向50 m范围进行喷洒,以降低巷帮煤体温度,并对巷帮浮煤进行浸温处理[12]。 阻化剂的使用量按照下式计算:

(1)

式中:ρ为阻化剂溶液浓度,%;C为阻化剂溶液量,kg;T为阻化剂用量,kg。

设计确定本矿阻化剂溶液的浓度为10%,经统计,15101综放工作面顺槽巷道喷洒阻化剂溶液量为2 160 kg,则顺槽巷道喷洒所需阻化剂用量为216 kg。

7)上下两隅角顶板未完全垮落存在悬顶时,在上下隅角每隔6 m砌筑一道袋墙,袋墙必须进行双层砌筑,上下隅角封堵前用高压水枪对采空区遗煤进行洒水降温处理;每班回柱,必须将上下隅角处锚索、锚杆退出,以确保顶板垮落,减少悬顶存在,减少采空区漏风[13]。工作面端头封堵示意图见图3。

图3 工作面端头封堵示意图

8)综采工作面上、下隅角设置导风帘标准。上隅角导风帘沿15101综采面倾斜向上挂设,尺寸为1.8 m×8 m,距切顶线与煤柱各留设0.5 m的距离。为了减少采空区漏风,下隅角导风帘的一端紧贴巷帮,另一端紧贴液压支架后侧,尺寸为1.8 m×14 m[14]。

综采队上、下隅角工作人员按标准要求挂设导风帘,由当班安检员、瓦检员进行监督和指导。当割煤、移架接近导风帘时需取掉导风帘,移动刮板机时也需随同移设导风帘,而其他工序均要保持导风帘挂设使用,以冲淡和稀释上隅角CO浓度。15101综采面上、下隅角挂设的导风帘用胶质阻燃风筒制作。15101综采面导风风障挂设示意图见图4。

图4 15101综采面导风风障挂设示意图

9)为减少采空区漏风,增加严密性,在检修班上需对工作面采空区进行一次黄泥灌浆。这样黄泥可以充填浮煤和顶板冒落矸石之间的缝隙,将浮煤与采空区氧气隔绝,同时,黄泥灌浆还可以冷却氧化发热的煤炭,起到散热作用。15101工作面采用上隅角埋管灌浆方法,当注浆管埋入采空区约10 m后开始注浆,当注浆管埋入采空区60 m后停止注浆,并在工作面回风隅角处截断注浆管,依次循环。管路埋入采空区不回收,重点对采空区集中灌注。

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试验确定灌浆泥水配比,参照阳煤集团经验,一般情况下为1:5,冬季时为1:6[15]。

灌浆材料的颗粒一般小于2 mm,且细小颗粒(粘土≤0.005 mm者应占60%～70%)要占大部分,其密度为2.4 t/m3～2.8 t/m3,容易脱水并具有一定的稳定性,不含有可燃物。灌浆工作与回采工作紧密配合进行。设计灌浆为三班灌浆,每天纯灌浆时间为10 h,若矿井自燃发火严重,所需灌浆的工作面较多,宜采用四班灌浆,每天灌浆时间为15 h。经测算,15101工作面采用上隅角埋管灌浆方法,每日三班灌浆,则灌浆量为597.5 m3/d。

10)在检修班上对工作面采空区进行注氮一次。注氮防灭火技术是防治采空区矿井自燃火灾行之有效的技术措施。注入氮气可排除采空区氧气,从而使浮煤缺氧惰化,且注入氮气后采空区处于正压状态,阻止了新鲜空气的进入,可以保持采空区的惰化度。此外,氮气在管路中带压输送,在注氮口氮气膨胀吸热,可以吸收部分煤炭氧化产生的热量。15101工作面采空区采用两顺槽上下隅角埋管方式进行注氮,在工作面胶带顺槽和轨道顺槽各埋设注氮管1套。

当释放口埋入采空区10 m后开始注氮,当注氮口埋入采空区60 m后停止注氮[16]。

4.2 第二阶段

工作面正常推进260 m后,在检查过程中发现一些不满足要求的情况,工作面需停产整顿一个月。为保证15101工作面回采停采期安全,防治煤层自燃发火事故,五龙煤业采取以下技术措施完善了综合防灭火措施,保证了工作面的正常生产。

1)在工作面前10 m内埋设了10 t干冰,利用干冰吸收采空区内热量,降低采空区内温度,延缓煤炭氧化聚热。

2)将上下隅角闭墙改为密集布置,不留间距,杜绝上下隅角出现空区,并用阻燃帆布覆盖袋墙,帆布边角向袋墙内压实,减少向采空区漏风。

3)加大阻化剂喷洒次数和喷洒量。每班全工作面喷洒两次,喷洒量翻倍。

4)降低工作面配风量。工作面停产后,调整工作面风量为660 m3/min。

5)加大煤层注水。加大对工作面两巷喷雾洒水,降低煤体表面温度,在回风上隅角加设风水射流器,喷射出的风雾稀释带走气体,同时降低上隅角温度。

6)每日24 h连续向采空区进行黄泥灌浆工作。

7)每班连续对采空区注氮。

5 结束语

太原东山五龙煤业有限公司15101综放工作面在联合试运转及初采期间,由于生产管理不善,长时间停工,导致综放工作面采空区CO浓度升高,公司通风部及调度中心根据实际情况,制定了专项综合防灭火方案,采取了合理调整工作面配风、黄泥灌浆、注氮及埋设干冰、砌筑袋墙等专项安全技术措施,同时配合束管和瓦斯连续监控,加强管理,严格考核。15101综放工作面在第1阶段采取治理措施后保持了CO含量的稳定,保证了工作面正常生产。在第2阶段采取了24 h连续黄泥灌浆以及注氮等综合措施后,保证了停产一个月后工作面CO含量稳定,CO体积分数为(8～15)×10-6,没有发现明显升高现象,现工作面恢复生产正常推进,实现了15101综放工作面安全生产。

采取第一、二阶段综合防灭火措施后,确保了15101综放工作面正常生产,特别是停产一个月安全无事故,实现了矿井联合试运转的安全运营,为五龙煤业今后正式投产及其他类似矿井提供了借鉴。