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沁裕煤礦綜采工作面綜合防滅火技術(shù)研究

2020-09-11 02:44:20
2020年9期
關(guān)鍵詞:遺煤化劑漏風(fēng)

李 晉

(蘭花集團(tuán) 沁裕煤礦有限公司,山西 晉城 048212)

1 工程概況

蘭花集團(tuán)沁裕煤礦井田內(nèi)主要含煤地層為二疊系下統(tǒng)山西組(P1s)和石炭系上統(tǒng)太原組(C3t),山西組主要可采煤層為2號(hào)煤層,太原組可采煤層為15號(hào)煤層。目前,井田內(nèi)的2號(hào)煤基本采掘殆盡,15號(hào)煤層回采工作面已逐漸投入生產(chǎn),15號(hào)煤層厚度0.93~5.80 m,平均2.24 m,煤層穩(wěn)定,賦存區(qū)可采。2號(hào)、15號(hào)煤層均采用綜采一次采全高采煤法。結(jié)合15號(hào)煤層賦存條件,考慮井型、工作面產(chǎn)量等因素確定回采工作面長(zhǎng)度取180 m,工作面采用“四六”工作制,采煤機(jī)截深0.8 m,循環(huán)進(jìn)度0.8 m,日進(jìn)度7.2 m,通過(guò)對(duì)本井田15號(hào)煤層自燃傾向性取樣測(cè)試表明,煤的吸氧量為0.69 cm3/g,自燃等級(jí)為Ⅱ類,結(jié)果為自燃煤層。為避免15號(hào)煤層采空區(qū)發(fā)生自燃現(xiàn)象,本文以15103工作面為背景,對(duì)工作面綜合防滅火技術(shù)進(jìn)行研究,以期為礦井的安全生產(chǎn)提供指導(dǎo)。

2 采空區(qū)日常防滅火措施

2.1 利用高抽巷減少采空區(qū)漏風(fēng)量

沁裕煤礦15號(hào)煤層采用綜采一次采全高采煤法,全部垮落法管理頂板,容易發(fā)生自燃的區(qū)域?yàn)楣ぷ髅妗皟删€—兩道”[1],即工作面開采線、停采線,進(jìn)風(fēng)道與回風(fēng)道。工作面投產(chǎn)初期,工作面推進(jìn)距離短,采空區(qū)頂板巖層垮落不充分,漏風(fēng)嚴(yán)重,工作面采出率低,采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大,此時(shí)通過(guò)增大高抽巷抽采流量,加快采空區(qū)熱量的散失,減小采空區(qū)漏風(fēng),達(dá)到降低采空區(qū)溫度及氧氣濃度的目的。高抽巷布置見(jiàn)圖1。

圖1 高抽巷布置示意

2.2 采空區(qū)灌漿防滅火

采空區(qū)灌漿防滅火技術(shù)在我國(guó)各個(gè)地區(qū)的礦井取得了良好的應(yīng)用效果[2],漿液灌注于采空區(qū)內(nèi),可降低采空區(qū)溫度,漿液包裹采空區(qū)遺煤,減少采空區(qū)遺煤與空氣的接觸,減緩遺煤的氧化反應(yīng),且漿液能夠填充采空區(qū)垮落矸石間的空隙,增強(qiáng)采空區(qū)的密閉性,減小漏風(fēng)量。黃土取土方便,節(jié)約成本,粉煤灰相對(duì)成本較高,運(yùn)輸相對(duì)困難,故本次設(shè)計(jì)礦井注漿材料為黃土。地面固定式集中灌漿系統(tǒng)是在地面工業(yè)場(chǎng)地或風(fēng)井場(chǎng)地設(shè)立集中灌漿站,為全礦服務(wù),雖然初期投資較大、管路較長(zhǎng)、占地較大,但具有灌漿量大、工作集中、管理方便、效率高等優(yōu)點(diǎn)。因此,選擇在回風(fēng)井場(chǎng)地內(nèi)布置地面固定式多功能集中灌漿系統(tǒng)。15103工作面采用地面固定式灌漿站集中灌漿,系統(tǒng)組成如圖2(a)所示,工作面開始后,在液壓支架后方工作面長(zhǎng)度方向放置一趟DN100 mm鋼管,鋼管上部每隔30 m安裝一根長(zhǎng)度1 m的花管,注漿管路在上隅角與DN100 mm鋼管連接,管路鋪設(shè)如圖2(b)所示,灌漿流量為50 m3/h,灌漿時(shí)間為12 h,工作面每推進(jìn)50 m進(jìn)行一次灌漿。

圖2 采空區(qū)灌漿工藝示意

2.3 封堵工作面上、下隅角

采煤工作面上隅角和下隅角風(fēng)流壓差是造成采空區(qū)漏風(fēng)的重要原因,工作面上、下隅角為采空區(qū)傾向邊界,頂板不能充分垮落,為采空區(qū)漏風(fēng)提供良好的通道,因此采取措施封堵上、下隅角,可有效減小采空區(qū)漏風(fēng)量,減小采空區(qū)氧化帶的寬度。15103工作面在上、下隅角堆砌袋子墻進(jìn)行封堵,工作面每推進(jìn)50 m設(shè)置1道袋子墻。

2.4 阻化劑防火系統(tǒng)

根據(jù)我國(guó)其他礦區(qū)采用阻化劑經(jīng)驗(yàn),因氯化鈣阻化率較高,阻化效果好,價(jià)格便宜且儲(chǔ)運(yùn)方便,設(shè)計(jì)15103工作面采用氯化鈣(CaCl2)作為阻化劑。在15103工作面配備一套移動(dòng)式阻化劑防火系統(tǒng)向采空區(qū)的遺煤噴灑阻化劑,在南翼補(bǔ)回風(fēng)巷內(nèi)適當(dāng)位置(盡量靠近工作面中部)放置兩個(gè)水箱作為阻化劑藥箱,交換使用,按需濃度(20%)將工業(yè)CaCl2倒入儲(chǔ)液箱內(nèi),用臨時(shí)供水管路按比例加足清水,配成溶液攪拌均勻后,用高壓泵(置于平板車上)將阻化液沿巷道和刮板輸送機(jī)電纜槽下方鋪設(shè)(每20 m安一三通和高壓球閥)的D25 mm高壓膠管壓至工作面,與D13 mm的膠管和霧化器相連。一臺(tái)泵配一支噴槍,由專人手持噴槍,從支架間隙向采空區(qū)噴灑,每間隔5組支架噴一次,每次噴灑至少6 min,流量不小于35 L/min。正?;夭善陂g每班噴灑一次,如遇停產(chǎn)、過(guò)斷層、收尾等情況時(shí),須對(duì)采空區(qū)加大噴灑頻率。

圖3 阻化劑噴灑系統(tǒng)示意

3 采空區(qū)注氮滅火措施

采空區(qū)注氮系統(tǒng)為沁裕煤礦采煤工作面采空區(qū)滅火方法,預(yù)防火災(zāi)時(shí)不使用,根據(jù)礦井束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)定,CO為測(cè)試煤自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體;CO出現(xiàn)表明測(cè)試煤已經(jīng)開始氧化;其出現(xiàn)臨界溫度為37.2~46.8 ℃,檢出濃度為30 ×10-6,此時(shí)要求開始封閉工作面進(jìn)行注氮。井下移動(dòng)式制氮設(shè)備安置于距需要防火的就近處,該系統(tǒng)不需鋪設(shè)專用輸?shù)苈罚频O(shè)備產(chǎn)氮能力較小。地面固定式和地面移動(dòng)式制氮設(shè)備生產(chǎn)的氮?dú)?,?jīng)井上、下輸?shù)苈匪瓦_(dá)采空區(qū)內(nèi),防滅火效果好,結(jié)合本礦特點(diǎn),設(shè)計(jì)選用地面固定式制氮注氮設(shè)備。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)每噸煤需5 m3氮?dú)饬?,本礦井15號(hào)煤層厚度平均2.24 m,屬中厚煤層,回采率取95%。注氮量計(jì)算如下[3-4]:

式中:QN為注氮流量,m3/h;A為年產(chǎn)量,取90萬(wàn)t/a;K為工作面回采率,取95%;t為每年礦井生產(chǎn)的時(shí)間,取330 d。

通過(guò)上式計(jì)算得到注氮流量為539.8 m3/h,結(jié)合沁裕煤礦具體情況考慮1.5的富余系數(shù),確定注氮流量850 m3/h。15103工作面回采期間,采空區(qū)注氮管鋪設(shè):地面制氮站—回風(fēng)斜井—15煤層回風(fēng)巷—15煤層西翼回風(fēng)大巷—15103工作面回風(fēng)巷—工作面采空區(qū)。采用埋管注氮工藝,在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路。當(dāng)埋入一定深度后開始注氮,同時(shí)埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移動(dòng)步距通過(guò)考察確定)。當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)氧化帶與冷卻帶的交界部位時(shí)向采空區(qū)注氮,同時(shí)停止第一趟管路的注氮,并重新埋設(shè)注氮管路,如此循環(huán)。當(dāng)工作面采空區(qū)內(nèi)溫度超過(guò)35 ℃,工作面上尾巷內(nèi)一氧化碳濃度超過(guò)30×10-6時(shí),采取開放式、間歇式注氮方式,注氮時(shí)間每天不小于16 h,直到采煤工作面采空區(qū)溫度降至35 ℃以下,一氧化碳?xì)怏w為零時(shí),停止注氮,注氮管路的鋪設(shè)如圖4所示。

圖4 工作面注氮管路鋪設(shè)示意

4 防治措施效果分析

4.1 工作面防滅火措施效果評(píng)估

沁裕煤礦15103工作面正?;夭善陂g,采空區(qū)內(nèi)CO濃度保持在20×10-6以下,采空區(qū)無(wú)自然發(fā)火的可能,防治效果良好。2019年2月份15103工作面臨時(shí)停產(chǎn),停產(chǎn)期間束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)表明,采空區(qū)內(nèi)CO濃度異常,呈現(xiàn)明顯上升趨勢(shì),一氧化碳濃度超過(guò)30×10-6,因此采取注氮滅火措施,采取開放式、連續(xù)性注氮方式,每天灌注量約10 000 m3,該期間對(duì)深入采空區(qū)45 m處(氧化帶內(nèi))的氧氣和一氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè),濃度變化如圖5所示。

圖5 采空區(qū)氣體濃度變化

由圖5可以看出,深入采空區(qū)45 m處,氧氣濃度充足,位于氧化帶內(nèi),CO濃度達(dá)到58×10-6,存在自然發(fā)火的跡象,通過(guò)灌注液態(tài)氮?dú)夂?,一氧化碳濃度迅速降低,?8×10-6降至20×10-6以下,氧氣濃度變化不明顯,滅火效果明顯。綜上可知,采空區(qū)注氮可顯著降低CO濃度,減緩采空區(qū)遺煤的氧化的速度,抑制采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象。

4.2 停采后采空區(qū)防治效果評(píng)估

2020年2月份15103工作面回采完畢,在距膠帶巷(回風(fēng)巷)開口10 m處,采用袋子墻進(jìn)行密閉,束管監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)CO濃度變化如圖6所示。

圖6 采空區(qū)內(nèi)CO濃度變化規(guī)律

由圖6可以看出,15103工作面采空區(qū)密封后,采空區(qū)內(nèi)CO濃度逐漸降低,膠帶巷側(cè)CO濃度由24.5×10-6逐漸降低至5×10-6,并最終穩(wěn)定在10×10-6以下;回風(fēng)巷側(cè)CO濃度由21.5×10-6逐漸降低至2.3×10-6,并最終穩(wěn)定在4 ×10-6以下,采空區(qū)內(nèi)CO濃度低于24 ×10-6,且穩(wěn)定,由此說(shuō)明,采用袋子墻密閉性良好,采空區(qū)無(wú)自燃的危險(xiǎn)。

5 結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)沁裕煤礦15103工作面具體的開采技術(shù)條件,設(shè)計(jì)采用增大高抽巷抽采流量、埋管灌注黃泥漿、封堵工作面上(下)隅角、噴灑阻燃劑等作為日常防火措施,當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火的跡象時(shí),采用注氮防滅火措施,工作面回采完成后,采用袋子墻封堵采空區(qū)。通過(guò)束管監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)CO氣體濃度變化驗(yàn)證防治效果,結(jié)果表明,設(shè)計(jì)的防滅火措施可行、有效,實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采,可為類似工作面的煤自燃災(zāi)害防治提供參考依據(jù)。

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