綜采工作面預(yù)防煤層自燃發(fā)火技術(shù)研究與應(yīng)用

綜采工作面預(yù)防煤層自燃發(fā)火技術(shù)研究與應(yīng)用摘要：山西永泰煤礦為解決采空區(qū)煤炭自燃問題，從采煤工作面設(shè)計(jì)入手，合理確定采面可采走向長度、回采巷道布置方式，回采期間加強(qiáng)放頂煤管理，回撤后及時(shí)采用以灌漿為主、噴灑阻化劑的防煤炭自燃方式，減少了采空區(qū)丟煤，提高了煤炭回采率，同時(shí)在防止采空區(qū)煤炭自燃方面取得了良好效果。關(guān)鍵詞：灌漿；阻化劑；煤炭自燃；束管監(jiān)測系統(tǒng)煤炭自燃是煤礦火災(zāi)的主因之一，采空區(qū)煤炭自燃發(fā)火引起的火災(zāi)、一氧化碳等有毒有害氣體溢出等事故在易自燃煤層中時(shí)有發(fā)生［１－３］，嚴(yán)重威脅煤礦安全高效生產(chǎn)。山西永泰煤礦15號(hào)煤層為II級(jí)自燃煤層，煤層的自燃發(fā)火期約為115天，礦井從優(yōu)化設(shè)計(jì)入手，減少采空區(qū)丟煤，同時(shí)選用以灌漿為主，堵漏、噴灑阻化劑等為輔，加強(qiáng)管理與防火監(jiān)測，并采用先進(jìn)技術(shù)加快開采推進(jìn)度的綜合預(yù)防煤層自燃發(fā)火措施，取得了較好的效果。1采煤工作面設(shè)計(jì)和回采工藝1.1回采巷道布置永泰煤礦15號(hào)煤層煤厚3.2～9.5m，平均6.3米，平均傾角16°，為緩傾斜厚煤層，回采工作面采用走向長臂后退式采煤方式，為提高回采率，上下順槽回采巷道采用下幫沿煤層底板，上幫破煤層底板的方式布置，巷道布置剖面圖如1所示，這種巷道布置方式有利于采面沿煤層底板回采和采面下頭前、后刮板輸送機(jī)和順槽轉(zhuǎn)載機(jī)的搭接，從而最大限度的提高煤炭回采率，減少底煤丟失。圖1采煤工作面回采巷道布置剖面圖1.2工作面可采走向長度的確定礦井以往回采經(jīng)驗(yàn)表明，采空區(qū)形成的次氧化帶和氧化帶的長度一般為60～90m，為使在煤炭發(fā)火期內(nèi)將采面回采剩余的少量浮煤甩入采空區(qū)窒熄帶，根據(jù)自燃發(fā)火期確定工作面推進(jìn)度，綜放工作面走向可采長度確定為140米。回采結(jié)束后45天內(nèi)回撤設(shè)備并封閉采空區(qū)。1.3采煤工作面切眼防滅火切眼為采煤工作面最易發(fā)火地點(diǎn)，必須重點(diǎn)預(yù)防。切眼施工完成后全斷面噴霧方式噴灑阻化劑，同時(shí)在切眼上隅角設(shè)置一氧化碳傳感器，隨時(shí)監(jiān)測切眼內(nèi)自燃發(fā)火征兆。1.4放頂煤回收工藝（1）綜放工作面采高控制在3m左右，保證后部溜附近有足夠的作業(yè)空間，便于清理浮煤。（2）堅(jiān)持多循環(huán)間隔順序放煤，原則上“一刀一放”。每循環(huán)放煤間距、放煤時(shí)間、放煤量應(yīng)嚴(yán)格控制，確保頂煤均衡下放，頂板同步垮落。原則上頂煤4米到5米之間時(shí)循環(huán)放煤次數(shù)不少于4輪，5米以上時(shí)不少于5輪。待后部溜持續(xù)出現(xiàn)頂板矸時(shí)停止放煤。（3）拉移后部溜前用專用工具清理后部溜前后兩側(cè)浮煤，最大限度提高煤炭回收率，減少頂煤損失。2黃泥灌漿工藝灌漿方法采用采面設(shè)備回撤后灌漿，即回撤結(jié)束后，通過埋管灌漿法[4-5]向采空區(qū)內(nèi)灌注黃泥漿。即按照防滅火設(shè)計(jì)在采空區(qū)內(nèi)預(yù)先埋設(shè)灌漿管(一般預(yù)埋10～20m鋼管)，預(yù)埋管采用φ50mm鋼管，一端通采空區(qū)，一端接膠管，膠管長一般為20～30m，保證工作面采空區(qū)內(nèi)能灌到足夠的泥漿。2.1注漿工藝流程（1）埋管灌漿：有灌漿站操作人員運(yùn)行灌漿站-先注入清水-通風(fēng)隊(duì)安排人員沿線檢查灌漿管路是否漏水，若漏水則停止注水-安排管路維護(hù)人員進(jìn)行線路維護(hù)，若不漏水，則對(duì)工作面密閉進(jìn)行黃泥灌漿，檢查井上下電話聯(lián)絡(luò)。（2）灌漿前，灌漿站人員先將黃土準(zhǔn)備好，檢查灌漿管路完好-確保黃泥漿體進(jìn)入工作面密閉內(nèi)，檢查灌漿站整個(gè)系統(tǒng)完好，各設(shè)施能正常使用。2.2灌漿后防止?jié){、透水事故在灌漿區(qū)如果灌漿不能及時(shí)排出，而在采空區(qū)內(nèi)大量積存，在采掘工作面接近此區(qū)域時(shí)，會(huì)使大量的泥漿大量涌出，造成潰漿事故。所以在灌漿時(shí)應(yīng)注意采區(qū)安全措施防止事故發(fā)生。（1）經(jīng)常觀察水情。采空區(qū)灌入水量和排出水量要做詳細(xì)記錄。（2）設(shè)置慮漿密閉。在灌漿區(qū)下部，構(gòu)筑慮漿密閉墻，以便將泥沙阻流在采空區(qū)內(nèi)而使水排出。（3）在煤層淺部永鉆孔灌漿時(shí)，要及時(shí)堵塞鉆孔和地表裂縫，防止地表水或空氣進(jìn)入采空區(qū)。（4）在灌漿區(qū)下部開始掘進(jìn)回采巷道前，必須對(duì)灌漿區(qū)進(jìn)行探查，通過探查，如果存在積水，務(wù)必采取疏放積水措施，積水疏排完成后，才能繼續(xù)采掘工作。2.3灌漿量計(jì)算依據(jù)灌漿量計(jì)算根據(jù)MT/T702-1997《煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范》礦井小時(shí)灌漿量按下式計(jì)算：QW=kG(δ+1)M/rct式中:QW———礦井注漿量，m3/h；k———灌漿系數(shù)，取5%;；G———礦井日產(chǎn)煤量，1921t；δ———土水比的倒數(shù)，取5；M———漿液制成率，取0.9rc———煤的密度，1.46t/mt———礦井注漿時(shí)間，8h；礦井小時(shí)灌漿量QW=kG(δ+1)M/rct=0.05×1924×(5+1)×0.9/1.46×8=44.48m3/h15號(hào)煤層每個(gè)工作面黃泥灌漿量:Q=QW×t=44.48×8=355.84m3/次3阻化劑輔助滅火3.1機(jī)理目前國內(nèi)外使用的阻化劑大致有：吸水鹽類阻化劑（如氯化鈣、氯化鎂、巖鹽），石灰水、水玻璃，亞磷酸脂、阻化劑與水混合成一定濃度的溶液后能起到抑制和防火作用，其防滅火機(jī)理為：可以加大煤炭在低溫時(shí)的化學(xué)惰性，使煤炭和氧氣的結(jié)合力降低；形成一層液膜包圍在煤塊和煤的表面或者裂隙面；而且可以充填煤柱內(nèi)部空隙；使煤體蓄水，水分蒸發(fā)吸熱降溫。實(shí)質(zhì)是降低煤炭在低溫時(shí)的氧化速度，延長煤炭的自燃發(fā)火期。3.2阻化劑材料和濃度選擇（1）阻化材料選擇。選擇阻化劑的原則是：阻化防火效果要好，而且來源廣泛，使用方便，對(duì)人員安全無害，對(duì)設(shè)備無腐蝕，防火成本低。從礦井以往應(yīng)用結(jié)果來看，氯化鈣、氯化鎂、氯化鋁、氯化鋅等氯化物有一定的阻化效果，氯化鈣阻化效果最好，因此采用氯化鈣。（2）藥液濃度。阻化劑的藥液濃度大小既決定防火效果的好壞，又直接影響著煤礦噸煤成本。實(shí)踐表明，采用單一的氯化鈣作為阻化劑，濃度為20%時(shí)，阻化劑阻化率較高，防火效果較好。因此，阻化劑的藥液濃度控制在15%～20%之間，最低不要低于10%。實(shí)際應(yīng)用中，還可以將阻化劑加入泥漿，制成“阻化泥漿”，用于防滅火工作。例如，可在黃泥漿中摻入5％的CaCl2，由灌漿系統(tǒng)將其灌注到井下采空區(qū)等處。3.3阻化設(shè)備高壓泵采用BH40/2.5型高壓泵，泵流量為40L/min，額定工作壓力為1~2.5MPa，電機(jī)功率3kW。液壓泵由機(jī)座、防爆電動(dòng)機(jī)、霧化泵、噴槍等部分組成，液壓泵由防爆電機(jī)用V帶帶動(dòng)液壓泵從動(dòng)輪，以700～800r/min的轉(zhuǎn)速工作。液壓泵在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一圈時(shí)，分別在三個(gè)活塞筒內(nèi)的三套進(jìn)水和出水閥組件的作用下進(jìn)行三次吸液和排液。由于電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，曲軸帶動(dòng)連桿連續(xù)推動(dòng)滑塊部件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而使液壓泵連續(xù)工作。壓力表采用直管標(biāo)桿式，具有抗震動(dòng)、耐疲勞、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，能及時(shí)讀出液壓泵當(dāng)前工作壓力。調(diào)壓閥用來調(diào)節(jié)液壓泵工作壓力，通過順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥來實(shí)現(xiàn)液壓泵工作壓力的調(diào)整，滿足現(xiàn)場工作需要。高壓膠管干管為直徑25mm，長度為250m。支管為直徑13mm。長度為20m。3.4阻化劑噴灑方式為降低成本，同時(shí)滿足安全生產(chǎn)需要，阻化防火的管路系統(tǒng)為臨時(shí)性。臨時(shí)性管路系統(tǒng)的儲(chǔ)液池一般采用礦車或?qū)Ｓ玫膬?chǔ)液箱做成，管路臨時(shí)鋪設(shè)。應(yīng)用阻化劑防火的方式主要有：壓注阻化劑溶液、汽霧阻化、噴灑阻化劑溶液，根據(jù)礦井實(shí)際情況，選用汽霧阻化。汽霧阻化防火其實(shí)質(zhì)就是將一定壓力下的阻化劑水溶液通過霧化器霧化成為阻化劑汽霧。汽霧發(fā)生器噴射出的微小霧?？蓪⒙╋L(fēng)風(fēng)流作為載體飄移到采空區(qū)，從而達(dá)到采空區(qū)防火的目的。阻化汽霧預(yù)防工作面采空區(qū)煤炭自燃的工藝系統(tǒng)如圖2所示。阻化劑水溶液的容器（礦車）置于回風(fēng)巷內(nèi)，用防滅火液壓泵沿高壓軟管將阻化劑溶液輸送到霧發(fā)生器，泵上安有壓力計(jì)以便于控制輸送壓力。裝在工作面與運(yùn)輸巷交接處的霧發(fā)生器，在高壓（2.5MPa）作用下噴出阻化汽霧，溶液的85％被霧化為直徑30μm的霧粒，并由風(fēng)流帶向采空區(qū)內(nèi)。為了防止霧發(fā)生器噴咀堵塞，在供液管路中裝有自動(dòng)過濾器。圖2采空區(qū)汽霧狀阻化系統(tǒng)示意圖（2）噴霧量噴霧量的大小與采空區(qū)丟煤量成正比。其計(jì)算公式如下：V=K1K2dγLhl/R……（5-6）式中V―日噴霧量，m3/d；K1―噴霧加量系數(shù)，K1=1.2；K2―每噸遺煤噴灑氣霧量，阻化劑濃度為20%，K2=0.02m3/t；d―工作面采空區(qū)丟煤率，5%；γ―煤的實(shí)體密度，15號(hào)煤層1.46t/m3；L―工作面長度，140m；h―工作面煤厚，15號(hào)煤層回采工作面采高4.02m；l―工作面日推進(jìn)度，3.15m；R―氣霧轉(zhuǎn)化率，80%-90%，取85%；V=1.2×0.02×0.05×1.46×140×4.02×3.15/0.85=3.7m3/d；4.1束管監(jiān)測系統(tǒng)礦井安裝了SG-2003型礦井火災(zāi)束管多參數(shù)色譜監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)由礦井地面控制中心的數(shù)據(jù)處理裝置、抽氣泵及敷設(shè)在礦井中的管纜及管路附件等構(gòu)成。利用抽氣泵和管纜將井下被測點(diǎn)氣體信息傳遞至地面進(jìn)入氣路控制裝置，在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行處理。依據(jù)長期連續(xù)監(jiān)測礦井氣體成分的變化趨勢，可有效預(yù)報(bào)煤層的自燃發(fā)火。實(shí)際應(yīng)用過程中，在采煤工作面回風(fēng)順槽設(shè)置3根1芯束管，1根在上隅角、一根在采空區(qū)、一根備用進(jìn)行邁步式推進(jìn)。兩個(gè)束管監(jiān)測取樣點(diǎn)間距40m,埋入采空區(qū)最遠(yuǎn)取樣點(diǎn)距工作面為150m。5結(jié)論山西永泰煤礦從優(yōu)化采煤工作面設(shè)計(jì)入手，通過沿底掘進(jìn)、多輪次間隔放頂煤回采工藝最大限度減少采空區(qū)丟煤，同時(shí)采用注漿為主，噴灑阻化劑為輔的防采空區(qū)煤炭自燃工藝，最后封閉采空區(qū)，從根本上杜絕了采空區(qū)煤炭自燃事故的發(fā)生，對(duì)于類似條件下的煤礦防采空區(qū)煤炭自燃具有借鑒和現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。參考文獻(xiàn)：［１］張嬌，王筱冬．采空區(qū)自燃發(fā)火ＣＯ蔓延規(guī)律仿真研究［Ｊ］．煤礦機(jī)械，2018，39（５）：55－57．［２］逯培紅．多參數(shù)無線監(jiān)測