梁宝寺煤矿千米独头巷道火区启封技术研究

石 勇

(中煤集团山西华昱能源有限公司,山西 朔州 036000)

煤矿火灾按照着火热源的不同可分为内因火灾(亦称自燃火灾)和外因火灾[1-2]。井下工作面着火后,火源不容易被直接扑灭,为防止次生灾害发生,常采用将火区封闭的方法控制火灾影响范围[3-5],并对密闭火区内的气体进行分析,达到启封要求后选择合理的方法启封[6-8]。

将梁宝寺煤矿3306皮带顺槽作为研究对象,结合其实际情况,对其进行启封研究,制定相应的技术措施实施分段启封,确保封闭火区的启封能够安全进行,为矿井的安全生产提供重要支撑,为今后煤矿的独头巷道火区安全启封提供科学依据,同时为相似条件煤矿的火区启封提供技术指导。

1 火区概况

图1为3306皮带顺槽示意图。由图可知,3306皮带顺槽为只有一个出口的独头巷道,其设计走向长度1 962.5 m,煤层总厚2.77～7.00 m,平均4.50 m。在距设计切眼以南约635 m位置处的煤层出现分岔;煤层结构中等,煤层倾角为5°～11°,平均8°。煤层普氏硬度系数f=1.8。开采煤层为3上煤层,其顶底板岩性如表1所示。

图1 3306皮带顺槽示意图Fig.1 3306 belt conveyor gateway diagram

表1 3上煤层顶底板岩性Table 1 Lithology of roof and floor of 3-upper coal seam

据物探资料显示,3306掘进工作面煤岩层主要为向东北倾伏的褶曲构造。工作面位于南宋庄背斜东翼,该面断层发育共6条,其产状参数如表2所示。

2019年11月19日,3306皮带顺槽DF38正断层高冒区发生高分子材料着火事故。如图2所示,着火区域距3306皮带顺槽约200 m,该处受过DF38正断层(h=4.5 m,∠50°)影响,在断层下盘形成了约长×宽×高=4.0 m×3.5 m×3.0 m的高冒区。现场距着火点80 m处测得火区温度47℃,距着火点70 m处测得火区温度78℃,瓦斯体积分数为0.5%,一氧化碳(CO)体积分数为0.11%。在3306皮带顺槽机头门口以里3 m附近施工永久密闭。

图2 3306皮带顺槽着火区域位置剖面图Fig.2 Section view of the ignition area of the 3306 belt conveyor gateway

2 火区治理现状分析

《煤矿安全规程》第二百七十九条规定,封闭的火区,只有经取样化验证实火已熄灭后,方可启封或注销。火区同时具备下列条件时,方可认为火已熄灭:

1)火区内的空气温度下降到30℃以下,或与火灾发生前该区的日常空气温度相同;

2)火区内空气中的O2体积分数降到5.0%以下;

3)火区内空气中不含乙烯(C2H4)、乙炔(C2H2),且CO体积分数在封闭期间内逐渐下降,并稳定在0.001%以下;

4)火区的出水温度低于25℃,或与火灾发生前该区日常出水温度相同;

5)上述4项指标持续稳定的时间在1个月以上。

3306皮带顺槽封闭火区启封除需要符合《煤矿安全规程》中规定的启封火区的5个条件外,为提高火区启封的安全性,需要管控好启封过程中的危险因素,做到分步实施,实现对启封区域的实时监测,提高火区启封的可靠性。

在3306皮带顺槽机头往里3 m附近打永久密闭,施工期间密切监测火区气体和温度的变化,密闭后利用原有压风管路向火区压注氮气[9-10]。施工3306皮带顺槽密闭墙,密闭墙使用水泥砌块砌筑,墙厚0.9 m,宽6.0 m,高3.5 m,通过采取封闭措施,隔断了空气进一步向火区的供给。

3306皮带顺槽永久密闭墙施工完成后,向封闭火区注氮气,惰化火区。截止2020年9月16日已累计注氮15次,注入氮气812 948 m3(密闭巷道空间约22 604 m3)。

由3306皮带顺槽密闭注氮前后气体含量分析图(图3)可看出,3306皮带顺槽密闭内煤体吸附气体达到饱和的区域在逐渐趋于稳定。密闭内温度、瓦斯和CO体积分数变化不大。其中,瓦斯在每次停注后呈现略微上升的趋势,经过注氮后基本维持在3.0%左右。当O2体积分数降至2.0%时,即使继续持续注氮,O2体积分数基本保持稳定。由此分析可知,注氮阻隔了向封闭火区内的漏风,惰化了火区,对火区的发展起到了抑制作用。

(a) 注氮前

(b) 注氮后图3 3306皮带顺槽密闭区注氮前后O2与瓦斯体积分数对比图Fig.3 Comparison of oxygen and gas volume fraction before and after nitrogen injection in confined area of 3306 belt conveyor gateway

3 3306皮带顺槽火区治理及分段启封技术研究

3.1 密闭至第一积水区(367 m)启封

3.1.1启开密闭

1)将密闭破开一个0.2 m×0.2 m的通风口,检查局部通风机及其开关地点附近10 m以内风流中甲烷(CH4)的体积分数,低于0.5%时,电工开启局部通风机为单台供风。

2)逐步破开密闭,排出的瓦斯与全风压风流混合处的CH4和CO2体积分数均不得超过1.5%,O2体积分数不低于18%,CO体积分数不大于0.000 6%。当CH4和CO2含量高于上述值时,利用泄压三通减少局部通风机供风量。

3.1.2启封排瓦斯

1)密闭拆除完成后,延接导风筒逐段排放瓦斯向第一段积水区延伸,及时检查排出风流的混合气体,对气体中CO、CH4和CO2等气体体积分数进行实时检测。

2)延接风筒至第一段积水位置时,即距离密闭位置370 m处,首先对积水区域的积水深度及温度进行探测。若该积水区域的积水深度不超过0.3 m时,救护队员继续延接风筒排瓦斯向积水结束点继续深入,到达积水结束点后在该位置建立快速密闭板墙。若积水区域深度超过0.3 m,在积水点附近建立密闭墙,并布设排水管路,在密闭墙上预留监测竖管,并布设气体监测传感器对密闭墙内外气体进行远程监测。

3)施工快速密闭板墙后,开始对第一段积水区进行积水排放,在积水排放过程中人员撤离至安全地点,远程实时监测密闭区内外气体变化。

3.1.3第一积水区排水

第一积水区位于巷道S3—S6标高控制点之间,受DF74(h=8 m,∠70°)和ZF3-26(h=7.0 m,∠70°)两个正断层影响,巷道存在顶板淋水现象。封闭时间内,预计积水影响平距长度134 m,完全水封区长约96 m,水面最高点标高为-888.8 m,水面最低点标高为-895.5 m,积水量预计1 800 m3。预计剖面图如图4所示。当火区启封至第一积水区时,开始进行排水作业,以50 m3/h排水泵计算,预计完全排水用时约36 h。

图4 预计第一积水区剖面图Fig.4 Cross-sectional view of the estimated first water accumulation area

3.2 第一积水区至第二积水区(214 m)启封

1)拆除密闭板墙后,延接风筒逐段排放瓦斯向第二段积水区延伸,瓦检员及时检查排出风流的混合气体,对气体中CO、CH4和CO2等气体体积分数进行实时检测。

2)到达第二段积水区后,对积水区域深度进行探测,并计算积水量,在积水点附近建立快速密闭板墙,并在积水区布设排水管路。在密闭墙上预留监测竖管,并布设气体监测传感器对密闭墙内外气体进行远距离监测。

3)完成快速密闭板墙建立后,开始对第二段积水区进行积水排放,在积水排放过程中人员撤离至安全地点,通过远程气体监测对密闭内外气体变化进行实时监测。

4)第二段积水区排水位于巷道S10—S14标高控制点之间,受F06-1(h=2.0 m,∠70°)和F06-2(h=1.5 m,∠70°)两个正断层影响,巷道存在顶板淋水现象。封闭时间内,预计积水影响平距长度295 m,完全水封区长约18 m,水面最高点标高为-890.8 m,水面最低点标高为-894.44 m,积水量预计2 800 m3。预计剖面图如图5所示。当火区启封至第二积水区时,开始进行排水作业,以50 m3/h排水泵计算,预计完全排水用时约56 h。

图5 预计第二积水区剖面图Fig.5 Cross-sectional view of the estimated second water accumulation area

3.3 第二积水区至联络巷(245 m)启封

1)第二段积水区排放完成后,瓦检员需要对密闭板墙内外气体进行检测。

2)救护队员开始对密闭板墙进行拆除,密闭拆除完成后,延接导风筒逐段排放瓦斯向3306皮轨联络巷延伸,瓦检员及时检查排出风流的混合气体,对气体中CO、CH4和CO2等气体体积分数进行实时检测。

3)到达3306皮轨联络巷位置后,首先将原有的注氮管路和火区内压风管路进行连通,向火区注氮惰化,在三岔门以里机尾位置建立快速密闭板墙,并覆盖风筒布(确保板墙四周严密不漏风)。保留原有管路,在离底板高度为墙高的二分之三处留设监测管,用于观察密闭内外压差;在密闭板墙左上角距顶板0.3 m处留设Φ10 mm束管检测孔,安设束管,检测密闭内的气体和温度;离底板高度0.3 m处,安装Φ108 mm的U型放水管,并安装阀门,用于观测水温、释放积水;在距密闭顶部0.3 m安装Φ108 mm的措施孔。

4)快速密闭板墙建成后,在其外部建立砖墙密闭,减少向密闭内漏风。在砖墙密闭上预留与密闭板墙相同的监测孔和措施孔,并将密闭板墙的监测管路和措施管路延长至砖墙密闭外。

4 巷道防灭火及启封效果分析

4.1 火区治理

3306皮带顺槽高冒着火区域(长×高×宽=4.0 m×3.5 m×3.0 m)附近巷道因高分子材料热解燃烧受热,联合支护强度减弱,应力易失效,且高冒区处于DF38(h=4.5 m,∠50°)正断层交界面区域,本身整体稳定性较差,如图6所示。

图6 高冒着火区域剖面图Fig.6 Cross-sectional view of fire zone in top-caving region

1)完成3306皮轨联络巷位置密闭后,对3306皮轨联络巷恢复通风,对顶板和巷道进行加固,并恢复水电等。

2)在完成3306皮轨联络巷的恢复工作后,开始从3306皮轨联络巷向火点位置进行打钻探测和火区处理,采用矿用钻机向高冒区附近打5个直径75 mm的钻孔,钻孔终孔位置在高冒区两侧贴近煤层顶板处,在钻孔内下套管,钻孔接近高冒区3 m范围内下花管套管,钻孔布置如图7所示。

图7 灭火与监测钻孔布置图Fig.7 Layout of fire fighting and monitoring boreholes

3)从3306皮轨联络巷向冒落区打钻时,各钻孔的落点在以高冒区为中心的左右各10 m范围内,各钻孔落点之间相距5 m。3#钻孔的落点在高冒区中心顶部位置,2#和4#钻孔落点分别在3#钻孔左右两侧各相距5 m的位置,1#和5#钻孔落点分别距离2#和4#钻孔左右两侧各相距5 m位置,各钻孔的长度和钻孔角度如图8所示。

图8 各钻孔长度及角度Fig.8 Length and angle of boreholes

4)完成钻孔打钻后,首先通过钻孔对火点位置进行气体和温度检测,分析密闭区域内火点情况。完成火区情况分析后,通过四路钻孔向火点附近灌注凝胶和高分子胶体对火区进行降温和灭火处置。

5)完成火区处置后,通过钻孔和密闭墙布设的监测束管对密闭区域内和火点附近的气体含量和空气温度进行检测分析,判断火区是否达到启封条件。

如图9所示,通过对各个钻孔的气体含量和温度进行检测发现,火点附近气体中不含有C2H4、C2H2,且CO的体积分数也较低,均在0.001%以下,各测点的温度与火灾发生前该区域的日常空气温度相同,且低于30℃,密闭区域内火点情况已达到启封条件,可以进行启封。

图9 各钻孔气体体积分数检测Fig.9 Detection of gas volume fraction of boreholes

4.2 启封效果分析

3306皮带顺槽高冒着火区域开展启封技术后的监测数据如图10所示。通过监测气体的体积分数变化可知,启封期间,各种气体组分变化较小,火区内空气中的O2体积分数降到5.0%以下,火区内空气中CO体积分数在封闭期间内逐渐下降,并稳定在0.001%以下,且不含C2H4和C2H2。

火区内的空气温度均下降到30℃以下,火区的状态基本稳定。该结果表明启封方案和采取的技术手段是科学有效的,启封方案的实施没有对封闭火区产生不良影响,启封取得了圆满成功。

5 结论

1)提出了适用于梁宝寺煤矿3306皮带顺槽火区的分段启封技术方案,按照第一积水区、第二积水区、联络巷的顺序进行分段启封及排水。

2)总结了3306皮带顺槽高冒区火区的治理方法、启封条件及方法、启封效果。通过实施过程中记录的气体体积分数发现,启封期间火区内气体组分变化很小,且启封后无复燃的可能性,该启封方案是合理且科学有效的。

3)根据梁宝寺煤矿千米独头巷道的特点,制定了逐段分步启封的方案,是一套切实有效的火区启封技术措施。该方案在关键环节上行动迅速,短时间内即可进入火区侦查到实际情况,不仅为防灭火工作提供了宝贵的经验和参考案例,也为类似千米独头巷火区的防治提供了技术支持。