王 躍 馬洪濤 金 波 路 寧 董桂學(xué)
(神華國能哈密煤電有限公司大南湖煤礦,新疆維吾爾自治區(qū)哈密市,839000)
大南湖礦區(qū)位于哈密市南80km,主要含煤地層為侏羅系西山窯組,含煤29層(組),煤層平均總厚75m,煤種以長焰煤為主,褐煤次之。礦區(qū)預(yù)測面積1100km2,預(yù)測資源量625億t。
神華國能哈密煤電有限公司大南湖一礦是新疆哈密大南湖礦區(qū)第一個投產(chǎn)的礦井,1301綜放工作面是礦區(qū)內(nèi)的首采工作面,該區(qū)域從1958年即有人開采露頭煤冶煉鋼鐵,并引發(fā)部分煤層露頭自燃,國家先后組織多次滅火,1974—1975 年基本完成滅火工作。該區(qū)域以褐煤為主,深部煤質(zhì)為長焰煤,自然發(fā)火隱患嚴(yán)重,自燃傾向性等級為I級,屬容易自燃煤層。
1301工作面采用綜采放頂煤采煤工藝,走向長度1428.6m,傾斜長度240m,煤厚6m,可采指數(shù)96%,于2012 年5 月16 日開始回采,2013年8月5日縮面回采,2013年9 月4 日工作面終采,2013年10月22日封閉,2013年11月15日所有密閉施工完畢。自縮面回采至第一道封閉完成歷時79d,順利完成回撤封閉工作。
1301綜放工作面采空區(qū)采用跨步埋管注氮工藝。具體作法是在1301綜放工作面采空區(qū)埋設(shè)1條直徑50mm、長240m 全花眼PVC 管路,花眼間距200mm,花眼直徑10mm,與進風(fēng)巷主注氮管路對接,當(dāng)管路埋入采空區(qū)50 m 后開始注氮,同時埋入第2條PVC 注氮管路 (注氮管路埋設(shè)的移動步距為50m),當(dāng)?shù)?條注氮管路埋入采空區(qū)50m 后開始向采空區(qū)注氮,同時停止第1條注氮管路的注氮,重新敷設(shè)注氮管路,如此循環(huán)。工作面停采前120m 時調(diào)整注氮管路埋設(shè)步距為30m,工作面隔離帶造好后,調(diào)整注氮管路埋設(shè)步距為10m,工作面最后剩余40 m 時,每10 m 布置1根注氮管路,累計布置3根,同時進行注氮工作,直到工作面回撤封閉后結(jié)束采空區(qū)注氮。注氮量約1200m3/h,24h連續(xù)注氮,注氮管路出口壓力約為0.12 MPa,1301綜放工作面回撤封閉期間累計注氮665459m3,注氮機安設(shè)在地面制氮機房,注氮路線為:地面制氮機房→回風(fēng)立井→+235回風(fēng)石門→輔助運輸大巷二→三中車場→三煤層回風(fēng)大巷→1301輔助運輸巷道→1301采空區(qū),注氮埋管工藝如圖1所示。
1301綜放工作面采空區(qū)采用末采跨步埋管灌漿工藝。具體作法是在1301綜放工作面采空區(qū)末采時跨步式埋設(shè)3條直徑50mm、長10m 全花眼PVC管路,花眼間距200mm,花眼直徑10mm,與進風(fēng)巷主灌漿管路對接,3條灌漿管路埋設(shè)步距分別為70m、45 m、25 m,3條灌漿管路根據(jù)埋設(shè)步距不同,每條管路埋入采空區(qū)10m 后開始灌漿,3條管路全部埋入采空區(qū)后進行分別灌注,直到工作面回撤封閉后結(jié)束采空區(qū)灌漿。灌漿量約60m3/h,隨采間歇式灌漿,工作面出漿時停注,1301綜放工作面回撤封閉期間累計灌漿7649m3。灌漿設(shè)備安設(shè)在地面黃泥灌漿站,灌漿路線為:地面黃泥灌漿站→回風(fēng)立井→+235回風(fēng)石門→輔助運輸大巷二→三中車場→三煤層回風(fēng)大巷→1301輔助運輸巷道→1301采空區(qū),灌漿埋管工藝如圖1所示。
1301綜放工作面在距停采線30m 時開始停止放頂煤,在停止放煤前20 m 段,降低煤質(zhì)要求,不留頂?shù)酌?,將頂煤全部放干凈,并?0 mm 底板,形成20m 的防火隔離帶。有效地隔絕了采空區(qū)與外部的聯(lián)通,見圖1所示。
由停采線外30m 至1301綜放工作面后180m沿后部輸送機全面埋設(shè)直徑50mm 鋼管,間隔30 m 設(shè)置1個觀測點 (三通),總計6個觀測點。三通長度為1.0m,三通出口處設(shè)置防堵裝置。鋼管內(nèi)安設(shè)單芯束管 (不同顏色)、單回路導(dǎo)線 (不同顏色)、鉑電阻,每個觀測點設(shè)置1套。利用負壓采樣泵抽取采空區(qū)氣體裝入球膽,帶至地面進行色譜分析采空區(qū)氣體變化情況,人工采用萬用表測定鉑電阻電阻值,比對電阻對應(yīng)溫度計算出測點溫度,束管溫度監(jiān)測系統(tǒng)布置工藝如圖2 和圖3 所示。
上隅角及架后全斷面噴涂工藝分兩步實施,在末采期間,每天對上隅角進行噴涂堵漏風(fēng),要求噴涂嚴(yán)密,噴涂長度不小于15 m;在停采時,在工作面支架后掛網(wǎng)處進行全斷面噴漿封閉,隔絕采空區(qū)漏風(fēng),防止氮氣逸出。
圖2 1301工作面后束管、測溫點布置圖
圖3 1301工作面后束管、測溫點探頭布置圖
煤自燃是在常溫常壓下,煤與空氣中的氧自發(fā)反應(yīng)升溫的過程。大量松散煤體同時接受漏風(fēng)供氧發(fā)生氧化放熱,靠近圍巖和漏風(fēng)邊界的煤體散熱條件好,不易造成熱量積聚;由于煤體不斷地消耗氧氣,風(fēng)流滲透到離漏風(fēng)邊界較遠的深部時,氣流中的氧濃度已很小,煤自身的氧化放熱強度小,不易產(chǎn)生熱量積聚;在距漏風(fēng)邊界一定距離的范圍內(nèi),氧氣濃度合適,蓄熱條件好,熱量易于積聚,造成煤體自熱升溫;在供氧和蓄熱條件最佳的區(qū)域,煤體升溫速度最快,該區(qū)域周圍的煤體升溫速度依次減慢;升溫過程開始是一個很緩慢的過程,隨著煤溫的逐漸升高,化學(xué)反應(yīng)加劇,產(chǎn)生的熱量增多,升溫過程也加快;隨著煤體內(nèi)溫差的加大,形成熱力風(fēng)壓,漏風(fēng)強度加大,同時,隨著煤體內(nèi)各點耗氧速度的變化,氧濃度分布發(fā)生動態(tài)變化,煤體內(nèi)部的高溫區(qū)域會發(fā)生移動。
經(jīng)74d的連續(xù)觀測,6個測點中有2個測點因線路故障失效,得到4組采空區(qū)溫度隨時間變化的曲線,由于多種措施同時對采空區(qū)進行了管控,溫度變化情況有緩慢下降平穩(wěn)運行趨勢,與煤體升溫理論相背離,未形成升溫過程,導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)化學(xué)反應(yīng)平穩(wěn),未形成化學(xué)反應(yīng)加劇的階段,煤體內(nèi)溫差變化平緩導(dǎo)致未形成熱力風(fēng)壓,也側(cè)面減小了采空區(qū)漏風(fēng),有效地預(yù)防了采空區(qū)遺煤的氧化過程。1301工作面溫度變化如圖4所示。
圖4 1301工作面采空區(qū)溫度變化圖
經(jīng)過采取注氮、灌漿防滅火技術(shù)為主,與設(shè)置隔離帶、上隅角及架后全斷面噴涂堵漏風(fēng)和溫度檢測的綜合防滅火措施,1301綜放工作面從末采至安全回撤歷時79d,時長遠大于煤樣最短自然發(fā)火期實驗報告中的發(fā)火天數(shù),未發(fā)生自然發(fā)火事故,順利進行了封閉。
(1)采用綜采放頂煤技術(shù)開采厚煤層、易自燃煤層時,采用采空區(qū)240 m 全面埋設(shè)注氮管路進行連續(xù)注氮工藝能夠全面有效地稀釋采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度,惰化采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化過程,為首采工作面安全回撤及礦井的安全生產(chǎn)提供可靠的安全保障。
(2)仰采工作面采用合理的間歇式灌漿工藝,漿液能夠有效地包裹漿液擴散半徑內(nèi)的煤體,起到隔絕遺煤的氧化升溫過程。灌漿工藝的有效實施及方案設(shè)計能夠?qū)ΦV區(qū)內(nèi)仰采工作面的灌漿工藝提供可靠的實踐依據(jù)。
(3)采空區(qū)內(nèi)隔離帶的設(shè)置能夠有效隔絕采空區(qū)內(nèi)遺煤的連續(xù)性,上隅角及架后全斷面噴涂工藝能夠起到有效地堵漏風(fēng)效果。
(4)采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)鉑電阻測定采空區(qū)內(nèi)溫度的變化情況能夠?qū)崟r掌控采空區(qū)內(nèi)遺煤溫度變化情況,對是否采取下一步防滅火措施能夠提供可靠有效地實際依據(jù)。
(5)大南湖一礦1301綜放工作面作為新疆哈密地區(qū)大南湖礦區(qū)第一個回采工作面,在短自然發(fā)火期長時間回撤的復(fù)雜情況下,所采用的綜合防滅火措施能夠有效地指導(dǎo)礦井及礦區(qū)內(nèi)其他礦井的防滅火實施工作,具有實際的指導(dǎo)意義。
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