复杂地质工作面采空区综合防灭火技术研究

景瑞锋

中煤新登郑州煤业有限公司,河南 郑州 450000

0 引言

对于有自燃发火倾向性的煤层,工作面回采期间采空区遗煤自燃发火往往受到地质构造、回采工艺、顶板管理、通风方式等多种因素的影响[1-2]。特别是地质构造复杂的工作面,需要研究现有通风、顶板管理和回采工艺条件下的采空区遗煤自燃“三带”的分布特征,在此基础上采取综合性的措施,方能有效治理遗煤自燃[3-4]。本文以河南某矿复杂地质条件下综采工作面为例,介绍了采空区遗煤自燃“三带”研究过程及分布规律,并针对性地提出综合防灭火措施,为类似工作面防灭火工作提供经验参考。

1 工作面概况

河南某矿主采二1煤层,煤层自燃发火倾向性属于Ⅱ类 ,自燃发火期为 30～75 d,二1煤层为不稳定煤层,厚度为1.2～12.4 m,平均厚度为5.3 m,煤层顶底板以炭质泥岩和砂岩为主。22011综采工作面位于22采区上部,煤层厚度2.5～6.5 m,平均5.5 m,煤层倾角15°,埋深124～156 m,工作面走向长度765 m,倾向长度180 m,采用U型通风方式。22011工作面煤层厚度不稳定,工作面范围内存在5条落差大于3 m的断层,且局部煤层夹矸厚度大于1.5 m,顶底板均为软岩,地质构造对工作面回采具有较大影响,回采速率较低。采用综合机械化采煤,完全垮落法管理顶板。工作面在生产期间采空区及回风测CO浓度较高,给矿井安全生产带来较大威胁。

2 采空区遗煤自燃“三带”研究

2.1 束管监测

束管监测技术是采空区气体检测时常用的技术方法,通过在采空区埋设束管并定期抽取、测量采空区O2和CO浓度,以此判定采空区遗煤氧化程度,为研究采空区自燃“三带”提供重要数据。22011工作面布置4个测点,并建立束管检测系统,每天对4个束管测点进行采气,并送到地面实验室进行成分分析,主要分析O2和CO含量。4个束管测点分别布置在工作面上下隅角和工作面采空区中部,其中1号测点位于上隅角,2号测点距离上隅角60 m,3号测点位于上隅角120 m,4号测点位于下隅角,采用埋设方式布置。为了防止顶板冒落对束管破坏,每个束管安放在带花眼的无缝钢管内部。为了防止采空区渗水对束管测点产生影响,每个测点采用煤袋垫高300 mm。

2.2 采空区自燃“三带”分布规律

在经过连续跟踪测试采空区深度250 m范围内CO和O2浓度,并采用国内常用的判断自燃“三带”的方法(O2浓度大于18%为散热带,O2浓度大于8%小于18%为氧化带,O2浓度小于8%为窒息带),对采空区进行“三带”划分[5]。发现散热带为“梯形”分布,呈现上隅角处较下隅角处收窄,平均宽度为75 m;氧化带近似为“平行四边形”分布,平均宽度为120 m。“三带”分布如图1所示。分析认为,受U型通风影响,下隅角及机头支架处属于通风扩散影响区域,漏风量大导致此区域O2含量相对较高,致使工作面采空区下部散热带宽度大于上部,形成“梯形”分布特征。工作面垮落法管理顶板,导致采空区气体流场畅通[6],且地质条件复杂导致工作面回采速率低,最终导致采空区遗煤氧化时间长且充分,所以,氧化带宽度大。

图1 22011工作面采空区遗煤自燃“三带”分布情况

3 综合防灭火措施

上述研究表明,22011工作面下隅角漏风量大,且采空区氧化带较宽,应采取综合性的防灭火措施,压缩采空区遗煤氧化时间,降低氧化带宽度。

3.1 减少采空区下隅角漏风

减少采空区漏风量,是降低采空区O2浓度的有效方法,同时也是减少氧化带宽度最有效的措施之一。22011工作面由于瓦斯条件简单,工作面生产期间无需瓦斯治理,所以在做好降尘措施后,确保工作面有效供风量(适当降低工作面风量是减少采空区漏风的主要技术手段);在工作面下隅角增加密闭,机头支架间设置风障(增大采空区漏风阻力也是一种行之有效的技术措施)。经现场改进喷淋降尘系统后,工作面供风量由1 322 m3/min降至1 016 m3/min,工作面风量降低了23%。另外,在下隅角增设一道厚度为800 mm厚的煤袋墙(并用黄泥涂抹堵缝),在机头10架范围内挂设一道风障,减少采空区漏风。

3.2 采空区注氮

氮气(N2)是一种化学性质很稳定的气体,在采空区注入高浓度N2,能排走O2,降低其含量,起到阻止遗煤氧化的作用。同时流动的N2还能吸收并带走遗煤氧化所产生的热量,降低采空区遗煤温度,破坏其氧化条件,起到减缓遗煤氧化的作用。采空区注入N2有多种方式,包括埋管、插管和施工钻孔等方法,根据采空区遗煤自燃程度可选用其中的一种或多种。22011工作面采用采空区埋管的方式进行。注氮管沿工作面下隅角埋设,每根管的出口间距为50 m,深入采空区75 m(氧化带与散热带分界点)开始注氮,深入采空区195 m(氧化带与窒息带分界点)停止注氮。出气口压力0.22 MPa。如此循环埋设注氮管,直至工作面回风隅角CO浓度降到合理值以下。

3.3 喷洒阻化剂

阻化剂是一种抗氧化剂,它喷射在采空区后可吸附在遗煤的表面,形成一层抗氧化保护膜,起到隔离煤和氧气的作用,能降低甚至阻止遗煤的氧化能力。同时喷射阻化剂也能起到降温作用,提高遗煤的阻燃效果和防灭火效果。22011工作面由于地质条件复杂,工作面过断层或煤层夹矸较厚时往往推进缓慢,为了提高防灭火效果,可喷射适量的阻化剂。可在工作面下付巷设置阻化剂搅拌站,采用浓度为16%～19%的CaCl2溶液作为阻化剂,利用型号BZ4/15-G型矿用阻化泵沿管道送至工作面下隅角及机头处,并采用喷射方式向采空区进行喷洒,喷洒范围为下回风隅角及以上30 m范围内的采空区。

4 防灭火效果分析

22011综采工作面回采期间,每隔120 m安设4个束管测点(方法同上),对工作面回采周期内进行全过程检测。通过检测发现,工作面采取下隅角密闭、挂风障、降低供风量和采空区注氮等综合防灭火措施后,24 h内回风上隅角处1号测点,O2浓度由17.2%降至12.4%,36 h后降至6.0%,如图2所示。可见,工作面采取综合防火措施后可缩小氧化带范围,使得采空区遗煤及时进入到窒息带内,消除遗煤自燃发火环境,实现防灭火。

图2 采空区综合防灭火措施后上隅角O2浓度变化情况

在工作面过断层等地质复杂地段,通过喷射阻化剂等技术措施后,采空区内各测点CO浓度不断降低,当断层进入到采空区内60 m后,CO 浓度均处于安全指标值以下。现场应用成果表明,在22011综采工作面采用的综合防灭火技术取得较好成果,可满足复杂地质条件下采空区遗煤防灭火需要。

5 结束语

通过布置的束管监测系统并以采空区内O2浓度为判据,确定22011综采工作面采空区内遗煤自燃“三带”分布特征,并确定散热带和氧化带的评价宽度分别为75 m和120 m。

根据22011工作面自燃“三带”分布特征及工作面地质条件,实施了采空区注氮、下回风隅角密闭并挂风障、调节工作面风量和喷射阻化剂等综合防灭火措施。最终使得采空区氧化带范围大大缩小,采空区遗煤提前进入到窒息带内,消除遗煤自燃发火环境,防灭火效果显著。

矿井综合防灭火措施经济成本高,应探明采空区遗煤自燃“三带”分布规律,根据自燃情况结合地质条件、开采工艺等制定具体的防灭火措施,实施“一矿一策、一面一策”。