張夏彭 雷沛德 李洪杰

(1.山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司；2.徐州吉安礦業(yè)科技有限公司)

煤炭是我國(guó)的主要能源，煤炭自燃是我國(guó)煤礦的主要災(zāi)害[1-2]。在我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦中，因煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的90%～94%[3-5]。綜放工作面回撤期間采空區(qū)遺煤量大，重型設(shè)備回撤周期長(zhǎng)，造成采空區(qū)遺煤自然發(fā)火嚴(yán)重[6-7]。易自燃礦井厚煤層放頂煤工作面在回撤準(zhǔn)備期間，架頂及架后的高位遺煤氧化蓄熱明顯，自然發(fā)火問(wèn)題突出，且傳統(tǒng)防滅火技術(shù)在處理高位火源上存在一定的不足，為此，有必要對(duì)綜放工作面高位遺煤自燃的防治技術(shù)進(jìn)行研究與實(shí)踐。

1 工作面概況

新景礦80117綜放工作面位于525 m水平，地面標(biāo)高為890～1 125 m，工作面標(biāo)高為424～543 m，埋藏深度為430～585 m。工作面位于15#煤層西采區(qū)南部，東為80115工作面采空區(qū)，西為80119工作面，北為80116工作面采空區(qū)，南為采區(qū)大巷。

80117工作面傾斜長(zhǎng)220 m，安設(shè)支架147架，走向長(zhǎng)811 m，平均煤層6.12 m。工作面機(jī)頭到14#架為撓曲影響區(qū)域，該范圍煤層傾角為20°，14#～20#架煤層傾角在12°～14°，為易自燃發(fā)火煤層，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。該工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝，垮落法管理頂板，采高為2.8 m，放煤3.3 m。工作面采用一進(jìn)兩回的通風(fēng)方式，皮帶巷進(jìn)風(fēng)，軌道巷與低位抽放巷回風(fēng)。工作面具體布置情況見圖1。

2 工作面發(fā)火原因及分析

工作面于2017年12月21日鋪網(wǎng)停采，于12月31日架間出現(xiàn)CO，1月12日架間CO達(dá)到60×10-6，并持續(xù)升高。分析原因如下：

(1)80117工作面停采作回撤通道時(shí)，未放頂煤，且受撓曲影響，機(jī)頭到25#架割底嚴(yán)重，為1.5 m，85#架到機(jī)尾同樣存在割底現(xiàn)象，最大為2.2 m。因而在整個(gè)回撤期間，頂煤及采空區(qū)遺煤量大。

(2)工作面12月期間推采不到50 m，遺煤停留在“氧化帶”的時(shí)間長(zhǎng)。

(3)工作面回風(fēng)巷擠壓變形嚴(yán)重，風(fēng)阻增大，采空區(qū)漏風(fēng)量大；為撤架需要，采取巷道擴(kuò)幫措施，長(zhǎng)時(shí)間延誤回撤進(jìn)度，導(dǎo)致遺煤氧化蓄熱時(shí)間充足。

(4)工作面煤層屬于自燃煤層，自然發(fā)火期短。

3 工作面火災(zāi)防治

3.1 氧化區(qū)域判定及治理難點(diǎn)

采用及紅外線測(cè)溫槍對(duì)工作面全長(zhǎng)進(jìn)行檢測(cè)收集，通過(guò)氣體及溫度數(shù)據(jù)的整理研究，初步劃分出采空區(qū)氧化危險(xiǎn)區(qū)域。工作面從機(jī)頭30#架至機(jī)尾140#架左右采空區(qū)檢測(cè)到CO氣體濃度高，且煤體溫度明顯高于井下環(huán)境溫度。

在初步劃定區(qū)域內(nèi)打設(shè)架間高低位長(zhǎng)鉆孔，利用測(cè)溫導(dǎo)線通過(guò)架間鉆孔測(cè)量孔內(nèi)不同深度的采空針對(duì)這種情況，利用傳統(tǒng)的注水、注黃泥漿手段，易順溝流，無(wú)法全方位立體擴(kuò)散；高分子凝膠則擴(kuò)散范圍小，很難全面覆蓋氧化遺煤；三相泡沫擴(kuò)散性可以達(dá)到要求，但是保水性差，在回撤工期緊張的情況下，無(wú)法達(dá)到預(yù)期的治理效果。

圖1 80117工作面布置平面

區(qū)溫度，結(jié)合工作面架后CO氣體持續(xù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)綜合分析得出，氧化區(qū)域位于68#～78#架及85#～100#架后立柱至架后3 m的高位區(qū)域。氧化區(qū)域示意見圖2。

圖2 高位氧化區(qū)域示意

3.2 防滅火措施

3.2.1 采空區(qū)漏風(fēng)降低

在滿足工作面要求的前提下，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量由1 050 m3/min降低到450 m3/min，回風(fēng)風(fēng)量由950 m3/min降低到384 m3/min，盡量降低采空區(qū)漏風(fēng)量。工作面上、下隅角分別打設(shè)袋子墻封堵，并對(duì)表面進(jìn)行噴涂，確保密封嚴(yán)實(shí)。

3.2.2 高位打鉆注漿

根據(jù)判定的大致高溫氧化范圍，針對(duì)68#～78#架，每隔1架布置一個(gè)大角度1#鉆孔,每隔2架布置一個(gè)2#鉆孔;針對(duì)85#～100#架，平均每隔2架布置一組鉆孔。1#孔終孔點(diǎn)位于支架后立柱之上3 m煤層頂板位置，2#孔終孔點(diǎn)位于支架后尾梁之上5 m煤層頂板位置。各鉆孔施工完畢后連接管路，灌注普瑞特防滅火材料。淺部高位鉆孔布置見圖3，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

圖3 淺部高位鉆孔布置示意

孔號(hào)角度/(°)開孔位置進(jìn)煤深度/m終孔位置1#52前梁架間3.8后立柱之上3 m2#37前立柱架間5.0尾梁之上5 m

3.2.3 普瑞特防滅火新技術(shù)

普瑞特防滅火材料很好結(jié)合了三相泡沫的擴(kuò)散性、凝膠的保水性及阻化劑的阻化性能，同時(shí)將惰性氣體結(jié)合在該材料的制備、注漿工藝中。該材料理論發(fā)泡倍數(shù)在20倍以上，保證了突出的高位擴(kuò)散效果；保水性在95%以上，極大減少水分流失，對(duì)采空區(qū)高位遺煤保持長(zhǎng)期冷卻降溫；黏附性、掛壁性佳，可很好覆蓋包裹煤體；同時(shí)，隨著泡沫的緩慢破裂，泡沫中的氮?dú)庵饾u釋放，對(duì)采空區(qū)有持久的惰化作用[8]。

普瑞特防滅火材料分為A料和B料，A、B料分別與水按體積比為2%和1%混合形成預(yù)混液，通過(guò)接入礦井壓風(fēng)的雙液氣動(dòng)泵輸送至普瑞特發(fā)泡成膠裝置，在發(fā)泡成膠裝置接入氮?dú)饣驂猴L(fēng)使混合液發(fā)泡，經(jīng)發(fā)泡成膠裝置制備出的普瑞特防滅火泡沫凝膠直接通過(guò)鉆孔注入遺煤區(qū)域。普瑞特材料及注漿設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表2、表3，施工工藝見圖4。

表2 普瑞特防滅火材料技術(shù)參數(shù)

表3 2ZBQS 45/4型煤礦用氣動(dòng)注漿泵技術(shù)參數(shù)

圖4 普瑞特防滅火技術(shù)施工工藝

4 治理結(jié)果

2月1日—2月14日通過(guò)各個(gè)架間打設(shè)的1#、2#鉆孔向氧化區(qū)域壓注30 t普瑞特防滅火材料，注漿治理過(guò)程中，75#、97#等架間觀察到有白霧，白霧是由煤體內(nèi)高溫水蒸氣冷凝而成，說(shuō)明普瑞特防滅火材料已有效覆蓋到高溫煤體。注漿過(guò)程中，檢測(cè)鉆孔溫度不斷下降，也反映了注漿滅火效果。壓注期間回風(fēng)巷道及工作面架后人工檢測(cè)CO濃度變化曲線見圖5，治理期間，架后氣體的上下波動(dòng)是由于采空區(qū)風(fēng)流變化及注漿引起的CO氣體擾動(dòng)，屬于正常的變化范圍，整體呈良性變化。治理結(jié)束后CO濃度從400×10-6左右下降到20×10-6左右，工作面回撤工作恢復(fù)正常，遺煤自燃問(wèn)題得到有效的治理，保證了設(shè)備的安全回撤。

5 結(jié) 論

(1)80117工作面末采期間不放頂煤，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤量大；回風(fēng)巷變形嚴(yán)重，風(fēng)阻增大，大量風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)；回撤準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)，氧化蓄熱時(shí)間充足，從而導(dǎo)致采空區(qū)遺煤區(qū)域自然氧化發(fā)火。

圖5 工作面CO濃度變化曲線

(2)通過(guò)對(duì)80117工作面采空區(qū)發(fā)火區(qū)域的分析和判定，針對(duì)普通防滅火材料無(wú)法快速治理高位火源的問(wèn)題，采用防滅火鉆孔壓注普瑞特防滅火材料的措施后，采空區(qū)遺煤氧化區(qū)域得到控制，回風(fēng)巷CO濃度迅速降低到安全值以下。

(3)普瑞特防滅火新材料具有良好的擴(kuò)散性、堆積性和穩(wěn)定性，彌補(bǔ)了其他防滅火材料的不足。普瑞特防滅火新技術(shù)在80117工作面回撤期間成功應(yīng)用，為我國(guó)煤礦防滅火技術(shù)提供了參考。