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煤层自燃防治技术

摘要:针对华丰煤矿大倾角厚煤层综放面煤层自然发火的特点,提出大倾角综放面煤层自燃综合防治技术,通过在1409大倾角综放面生产过程中的实际应用,确保了华丰煤矿大倾角厚煤层综放面的安全生产。
  关键词:大倾角煤层;综放工作面;煤层自燃:防治
  华丰煤矿1409工作面是新汶矿业集团公司第1个采用综采放顶煤技术开采的工作面。1409工作面位于-1100m水平前组一采区第1区段,上下限标高分别为-750,-840 m,走向长2100m,倾斜长150m,由西向东推采,煤层平均厚6.4m,倾角30o~35o,平均为32o,f=1.5~2.5。2005年经煤炭科学研究总院重庆分院鉴定,4层煤自燃倾向性为容易自燃,并有自然发火灾,最短发火期为42d。工作面位于井田的中东部,地层走向自东向西略有变化,煤层从西部的125o。变至东部的75o,倾角从西部的34o变至东部的30o。该层煤顶板具有强烈冲击性,工作面在开采过程中受冲击地压威胁,推采速度多次受到影响。
  1 大倾角综放面煤层自然发火特点
  1)火灾一般发生在距煤体暴露面一定距离的深部。垮落范围大,渗透性强,漏风范围广,强度大。
  2)采空区垮落高度和空间体积增大,火源位置的不确定性和隐蔽性将给防灭火造成极大的困难。
  3)现有的各类防灭火方法如黄泥灌浆、注阻化剂等常规灭火措施难以达到防灭火的要求。
  4)1409大倾角工作面受强冲击地压威胁,作为保护层开采的6层煤工作面在其前方推进速度缓慢,为保证安全距离,4层煤工作面推采速度受到人为限制,煤体自燃氧化时间长,自然发火几率增加。
  2 大倾角综放面回采期间煤层自燃预防
  1409大倾角综采放顶煤开采以来,在工作面切眼处、终采线、采空区两侧发生自燃火灾可能性大,采空区两道受自燃火灾威胁,采空区“三带”动态移动,自燃高温区域范围大且隐蔽,采空区漏风量大,漏风规律复杂,自燃火灾灭火难度大。因此,必须对自燃危险区域进行预防性处理。利用温度分析法和束管气体分析法对煤炭自燃进行早期预报,一旦出现自然发火隐患,采取各类防灭火技术措施对自燃火灾进行综合处理。
  2.1 煤层自燃预测预报
  建立完善的防火预测预报制度,派专职防火观测员对石门见煤线、防火密闭内气体定期取样检查,工作面回风流、回风隅角每班检查3次。充分利用各种监测手段,机防和人防相结合,提高煤层自燃预测预报的准确性。
  2.1.1 人工观测
  工作面在开采过程中,安排专职防火观测员每2 d对推采过的石门防火墙内、部分支架顶部煤体内、回风石门见煤线、巷道高冒区、工作面回风、下隅角风流中的瓦斯、CO2、CO、温度使用电子检测仪器仪表现场检测1次,工作面配备专职瓦斯检查员每班对工作面回风、下隅角风流中CO检查1次,发现问题及时汇报。自2006年1月开始,在工作面架间顶部(每隔5架)煤体中、上、下隅角、工作面回风流中共设加余处防火观测点,每班监测2次,监测指标有CO、O2、温度,检测结果分别汇报通防部、调度室和专业负责人。
  2.1.2 对采空区内CO连续监测
  工作面推采过石门后,在构筑防火密闭墙时,在墙内预先埋设束管,在工作面后部下隅角内敷设束管,随推采不断前移位置。围绕1409工作面的开采,共设5路束管与地面KSS-200型CO束管监测系统主管路连接,每天对各观测点巡回检测1次,自动生成报表,提供防火观测信息,以便及时分析气体变比趋势,进行预测预报。
  2.1.3 对发火指标气体进行微量分析
  配备先进的SP3430气相色谱仪,对以上人工观测地点的气体每2d取样1次,带至地面束管站分析,分析项目有H2,CO,CO2,瓦斯,C2H4,C2H2,C2H6,O2,N2等9种气体,及时分析CO,C2H4,C2H6等自然发火指标气体和其他气体的浓度,以及变化趋势,结合煤样自燃实验结果,掌握煤体自燃氧化过程的发展进程,及时预报发火危险性,指导现场采取措施提前进行处理。
  2.1.4 对CO浓度、风流温度和风量进行连续监测
  在1409下平巷回风流中,安设CO传感器、温度传感器、风速传感器,对工作面下平巷回风流中的CO浓度、风流温度和风量进行连续监测。
  2.1.5 利用红外场强探测仪查找煤体氧化异常点
  在1409工作面防火中使用了ST6防爆红外探测仪。该仪器主要用于井下探火、探水、探瓦斯。为了满足井下防范3种灾害的需要,该仪器上设有3个挡,第1挡是测温挡,第2挡是常用红外辐射场强挡,第3挡为高灵敏度红外辐射场强挡。仪器上装有激光指向器,用以对准被探测目标,通过仪器上的转换开关,根据探测时的需要,可直接在仪器的数字显示屏上,读取红外辐射场强的瞬时值、最大值、最小值、差值和平均值。
  在采煤期间,对上下平巷局部地段存在高冒区的上帮、顶板和下帮设点探测红外场强的辐射情况,沿巷道走向每隔5m探测3个点,分别是上帮中、顶板中和下帮中,按顺序编号,升井后将探测数据及时输入微机,绘出曲线。探测工作每隔5d进行1次,对连续几次测定的数据和曲线形状进行对比分析,发现有变化时,立即找出原因。对发现有异常的地点,及时再次测定,探测点的间距缩小,每隔2架棚测定1次,并在每个测点位置增加探测部位,如顶板有时探测3个部位:顶板上(靠近上帮位置)、顶板中、顶板下(靠近下帮位置)。
  2005年2月,利用红外场强探测技术,发现下平巷第5石门以西70~90m巷道顶部探测点红外场强数值有升高趋势,共设40个观测点,随后加强了观测。通过观测,14~19号点探测值比其他点升高,18号点为最高,如图1所示。该处有地质构造带,掘进过程中出现了顶煤垮落,用水泥背板装顶,底部煤体破碎,煤体内部温度达到32℃,CO体积分数达到230×10-6,原因是垮落空间内风流小,氧化产生的热量积聚不能散发,导致氧化过程不断扩大,出现了发火隐患点,后采取了喷浆,打钻先注水降温、后注凝胶的防火措施。很快将隐患点消除。

  2.2 煤层自燃预防
  2.2.1 采空区注氮
  华丰矿共配备2台井下移动变压吸附式制氮机,1台JXZD一300型制氯量为300m3/h,另1台IXZD-700型制氮量为700m36/h,出日N2压力不低于0.5MPa,N2纯度在97%以上。采取2种注氮方式:①自进风平巷上隅角向采空区内埋设2趟Ф50mm钢管,管路出口相距24m,2路管路交替注氮,当一路管路埋设深度达到48m时即断开重新埋设,注氮位置始终保持在上隅角以里24~48m处,防止N2从支架后大量泄人工作面;②在后部进风石门内提前埋设注氮管路,在工作面推采过该石门前,自石门内向石门两侧平巷内埋设注氮钢管,并随工作面向前推采,不断延长,管路出口分别相距60m,共埋设4趟,采空区注氮范围走向能达到300m。1409工作面正常开采期间,每5d对采空区注氮1次。进入末采阶段后,采取三班连续注氮措施,2台制氮机交替开机,分别工作5h,注氮量5000m3班。2006年1-9月累计注氮600万m3。
  2.2.2 工作面单体支柱段洒浆、采空区灌浆
  在推采过程中,在采空区预留注浆管路,随工作面推进向外接管路,保持深度在30~60m,向采空区注浆,同时工作面上部带采煤柱单体支柱段采取了洒浆措施。正常推采过程中,每天二班注浆,每班注6车黄土浆,泥浆比例为1:(3~5)。进入末采阶段后采取三班注浆措施,并在浆液中加人MEA等防火剂,提高泥浆黏稠度和堵漏效果。2006年1-9月注浆用黄土2705车,灌浆量达到1.63万m3。
  2.2.3 采空区注水
  1)实施高位注水技术。2006年1月,1409工作面过地质构造期间,推采速度慢,为防止支架顶部煤体氧化自燃,在工作面上平巷安设SGZ-IB钻机,自巷道底板以上1m高度按设计角度施工钻孔,终孔位置在工作面50~100架支架卜方、底板以上25m处,钻孔直径75mm,下Ф40mm套管,沿工作面走向每20m为1组,2006年1月23日-4月9日共施工长钻孔15个,钻孔平均深度80m。钻孔接通注水管进行连续注水,每个钻孔连续注水3d,然后接通注氮管进行注氮,依次轮换注水、注氮。2006年9月13日-10月3日在上平巷向工作面施工3排高位注水孔,共18个,第1排位于支架前部,第2排位于支架后尾梁处,第3排位于支架后部3m位置,钻孔平均深度53m,最深17#孔长为94m。高位注水孔注水效果:注水前监测的CO体积分数为(100~300)×10-6,最高达到562×10,注水后稳定在(30~60)×10,效果较明显。
  2)综放支架顶部注水。2006年1月23日,1409工作面40架以下架顶出现CO异常,采取了对工作面60架以下逐架进行打钻注水处理。使用KZG-15型隔爆型震动冲击电钻配麻花钻杆打孔,深度为2.5~4m,下Ф15mm套管,接通水管进行注水。每架设钻孔3个,分别位于架前、架中部、架后尾梁处,随工作面推采,及时补孔。2006年1月23日-3月1日共打浅孔148个。
  在工作面上平巷后部隅角处,利用震动冲击电钻向采空区打30o钻孔,深度12~18m,下Ф20mm套管,注胶体泥浆,共打钻孔12个。在1409工作面溜尾处,向溜尾架顶煤打0o钻孔,深度12m,下Ф15mm套管,共打钻孔23个,接通水管注水或注氮。共施工顶部注水孔172个。对工作面支架顶部、后部尾梁处打钻下套管注水、MEA等材料堵漏风。
  2.2.4 上隅角注胶体封堵漏风
  应用复合胶体防火系统,向采空区注入胶体,固化、包围浮煤。对工作面上隅角及工作面单体支护段采取了胶体注浆堵漏技术,注入高分子材料、胶体泥浆、增稠剂、MEA等防火材料,封堵采空区漏风。
  2.2.5 上下平巷后部建编织袋墙降低漏风量
  在工作面正常推采情况下,每15m建1道墙。自2006年1月后坚持每5m构筑1道,并根据后部垮落情况随时建筑。改变采空区漏风路线,降低采空区漏风量,减小氧化深度。工作面推采到位后,上隅角建矸石袋墙1道,墙后充填胶体防灭火材料。
  2.2.6 控制风量,减少氧化带宽度
  工作面末采期间在下石门构筑了调节风门,工作面风量控制在600m3/min以下工作面回撤时,自于需要回撤机电设备,拆除了下石门风门,在-840m水平岩巷煤仓处构筑挡风墙,过胶带处加设了风帘,每班安排专人检查维护,严格将风量控制在500~600m3/min。
  2.2.7 石门见煤线加固处理
  工作面上下平巷石门在揭露煤层前5m,采用锚喷支设“U”形棚加强支护,防止煤体松散垮落。工作面过下石门时在见煤线处支设水泥板垛4个加强支护,上下平巷石门封闭全部建筑防火密闭墙,保证施工质量,杜绝漏风,安设观测管、束管加强监测,预留Ф50mm钢管作为注氮管,工作面推过后进行注氮预防。
  2.3 煤层自燃隐患处理
  2.3.1 封闭石门内防火处理
  2005年7月9日,防火观测人员在取样分析-840m水平西四石门防火密闭墙内气体时,发现CO体积分数较以前升高,随后几天CO体积分数快速上升,最高达到3.6×103。-840m水平西四石门于3月31日采过,7月11日石门距工作面距离为280m。分析认为:产生CO的主要原因是由于采动压力影响,石门内围岩产生裂缝漏风,造成煤体氧化。7月12日夜班,由救护队对1409西四石门进行了启封,对原防火墙外巷道进行喷浆处理,在原防火密闭外6m处重新构筑了防火密闭,密闭墙掏槽深度0.6m,并在墙前支设“U”形棚加强支护,重新进行了封闭。7月12日早班,利用JXZD-300型制氮机对-840m水平西四石门进行注氮,每小班注氨6h,注氮量5400m3。至7月20日,-840m水平西四石门内CO消失,随后对该石门实行连续注氮,直至9月5日停注,共计注氮54d,注氮量29.16万m3。
  2.3.2 工作面推采速度慢形成发火隐患时的处理
  自2005年12月26日起,1409工作面因顶板破碎,煤壁片帮冒顶严重,推采速度慢,造成采空区遗煤及支架顶部破碎煤体氧化产生发火隐患,2006年1月下隅角CO体积分数达到40×10-6,支架顶部煤体中测点CO体积分数最高达到1403×10-6,采取采空区注氮、注浆、上、下隅角垒砌矸石袋墙、支架顶煤注水、高位钻孔注水、注胶体泥浆、高分子材料、隅角充填封堵等综合防火措施,CO体积分数降低至0并趋于稳定

2.3.3 工作面撤面期间煤层自燃预防
  工作面撤面期间后部采空区浮煤、支架顶部和接近支架尾梁的采空区煤体容易出现自燃隐患。工作面进入东翼后推采速度十分缓慢,后期采取了不放顶煤的措施,采空区大量的浮煤氧化程度已相当严重,撤面时间长,后部采空区氧化带内的煤体接触氧化时间已经超过最短自然发火期。是最大的发火隐患点。其中30#~50#架内CO体积分数比其他地点高,工作面30#架以上是防火的重点部位。在支架回撤期间,顶部破碎煤体裂隙发育,局部存在较厚的顶煤,如果回撤时间过长,超过发火期,容易形成自燃,是防火的另一个重点。
  1409综放工作面撤面期问防火工作仍采取“综合治理,预防为主”的方针,提前采用常规技术措施消除发火隐患,对容易发火的特殊地点,采取有针对性的防火措施,破坏煤体自燃的条件,使发火条件不能同时存在。
  3 结束语
  针对华丰煤矿的现场实际情况,分析并掌握了大倾角综放面煤层自然发火规律,采用有针对性的防灭火技术措施,形成了一套大倾角煤层自燃火灾预测及防治技术,在工作面推进速度慢,开采条件差的情况下,成功实现了首个综放面的安全生产,安全产煤190万t,创造经济效益1.2亿元,为深部大倾角综放面的安全生产提供了保证。


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