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贫氧富水煤层采空区在蒙西地区集水疏放期间防火技术
摘要：为降低火灾对煤矿高效、安全生产的影响,文章以中北煤化工有限公司色连二矿为例,介绍了蒙西地区贫氧富水煤层采空区集水疏放期间防火技术。首先介绍了色连二矿的水文地质条件和目前防灭火方面的难题,然后介绍了加强采空区封堵的具体措施,以及如何实施采空区“水气置换”,并介绍了现场的管理措施。通过对采空区放水期间的综合防火技术实践,取得了较好的防火效果。
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火灾是煤矿主要灾害之一，严重影响煤矿的高效、安全生产。煤矿火灾大多发生在采空区，其中采空区是重点发火地点之一[1,2,3]。因此，在采空区放水期间，如何综合利用防火技术，防治煤炭自燃，是矿井安全生产工作的重中之重。国内外目前广泛采用注水、黄泥注浆、喷洒阻化剂、注惰气等技术防治煤自燃，近年来，采空水气置换[4]和加强封堵技术也得到了广泛应用，效果很显著。
1、概况
北煤化工有限公司色连二矿位于内蒙古自治区鄂尔多斯市东胜区罕台庙镇，矿井共有命名煤层14层，其中可采煤层9层，各煤层之间的间距大多在0～30m，属煤层群开采。矿井水文地质为中等，采空区补给水主要充水因素为侏罗系中下统煤系地层顶、底板砂岩水及断层水;上部侏罗系中统、白垩系及第四系含水层为间接充水含水层。
矿井目前已开采煤层为2-2煤层、3-1煤层和4-1煤层，2-2煤层和3-1煤层间距9.82～41.35m;3-1煤层和4-1煤层间距16.45～74.78m。截止2018年底2-2煤层已回采收作12205工作面和12206工作面;3-1煤层已回采收作12309工作面和12308工作面;4-1煤层已回采收作12403工作面、12401工作面和12404工作面。因回采的煤层煤变质程度低、挥发分高、丝炭含量高、吸氧性强，且含有黄铁矿结核或薄膜，并具有自然发火期短(最短自然发火期18～20d)、贫氧氧化(氧浓度在2%～3%即可氧化)的特点，煤层极易发生自燃，防火难度极大。具体表现在以下几个方面:
1)自然发火期短，低温快速氧化。各回采煤层煤属低变质程度的煤，西安科技大学自然发火实验结论显示煤层最短自然发火期为18～20d[5,6,7]。由于煤的变质程度低，低温阶段氧化速度快，且能生成大量的CO[8]，并且随着温度升高近似呈指数规律增加。
2)2-2煤层煤厚为0.19～4.80m,3-1煤层煤厚为0.27～3.75m，由于工作面在回采时支架的最大回采高度为2.6m，造成采空区部分区域遗煤厚度达1.15m及以上;12205和12206工作面在回采过程中，顶板垮落导致2-1下煤层完全暴露在垮落带中成为采空区的浮煤，破碎浮煤的厚度在1.5～2m之间;4-1煤层厚1.98～2.25m,4-1上煤层厚1.78～2.05m,4-1煤层与4-1上煤层分叉区回采时致使4-1上煤层垮落在12401和12403采空区内。采空区大量的遗煤为煤自燃的发生提供了充足的物质基础。
3)煤层具有贫氧氧化的特点。高温火区煤体窒息熄灭的氧浓度在2%～3%以下，一般情况在5%左右。
由于矿井属于煤层群开采，开采方式为下行开采，随着矿井收作工作面的增加，开采工作面受上部收作工作面采空区集水和临近收作工作面采空区集水威胁，例如12308工作面回采受临近12309工作面采空区集水威胁，回采期间12309采空区集水水位到达支架架顶;12307工作面采掘期间受上阶段12206工作面采空区集水和临近12308工作面采空区集水威胁;12408工作面回采期间受上阶段12309工作面采空区集水威胁;12402工作面采掘期间受临近12403工作面和12401工作面采空区集水威胁，采空区集水水位到达12402工作面巷道顶板位置。在各工作面掘进及回采前必须将威胁区域采空区集水疏放空，采空区集水疏放过程中造成采空区呼吸供氧[9]、水位下降遗煤暴露在氧气中自燃等隐患，采用常规措施无法满足采空区防火的需要，致使必须通过防火技术创新来消除采空区自然发火隐患。
2、加强采空区封堵
1)为确保收作工作面采空区封堵效果，密闭墙采用双墙结构，两道密闭墙厚度均为1m，两墙间距5m，两墙之间用黄土充填严实(如图1所示)。
图1封闭墙示意图(mm)
2)密闭墙施工前，先对密闭墙位置进行掏槽。两道密闭墙顶、帮、底均进行掏槽，根据巷道成型及煤岩情况，顶部、帮槽深度不小于800mm;底部掏槽深度为800mm，与煤岩相接。
3)掏槽完毕后，对两道密闭墙之间顶部及帮部用菱形网配合打锚杆进行临时支护，支护完毕后，对施工位置及向外巷道5m范围内进行初喷浆处理，喷浆厚度不小于50mm。
4)密闭墙均采用混凝土施工，强度不低于C30，混凝土浇筑时要充分振捣;浇筑过程中在墙体中间安设钢筋网，钢筋网规格为WB6.5×10(560mm×960mm)(横主筋10mm，纵副筋6.5mm)，每隔200mm用一道14#双股铁丝将两片钢筋网的主筋扎紧，钢筋网四周与掏槽边缘固定。两道密闭墙必须按铅直方向挂线施工，密闭墙垛厚1000mm。密闭墙施工完毕后对两墙中间充填黄土，要求边填充边洒水，填充黄土时每填充500mm高度用重锤夯实一次，将黄土填充严实。外道墙施工至距顶板300mm时，向两墙之间填黄土，将两墙之间填充实。并在密闭墙顶部预留三根注浆孔。注浆孔距顶部不大于200mm，采用6分的镀锌管，同一高度均匀排开，长度为4m。外露300mm，并车丝，深入墙体内2500mm，采用花管，以便注浆将墙体充填严实。封闭墙如图1所示。
5)密闭墙施工完毕后，对密闭墙外侧5m范围内进行复喷浆处理，初、复喷浆总厚度不小于150mm，喷浆完毕后对封闭墙前5m范围内巷道顶部、帮部、底板以及密闭墙墙内顶部进行注浆(注浆孔如图2所示)。
6)密闭墙施工过程中，必须安排专人负责对掏槽、砌筑、填充、封顶等隐性工程进行检查及验收，达到验收要求后，方可进行下一道工序，否则必须重新砌筑封闭墙。
图2封闭墙注浆孔布置图(mm)
3、采空区“水气置换”
正常收作采空区封闭结束后，通过一周时间对采空区进行注氮气(封闭墙管路布置如图3所示)等防火措施处理后，封闭墙内外压差一直保持正压状态，封闭墙内CO浓度为0，氧气浓度为3%～7%之间。采空区疏放水期间致使采空区内呼吸供氧，例如12408工作面疏放12309工作面采空区集水期间，经色谱分析仪化验分析12309工作面封闭墙内CO最大达15×10-6;12307工作面疏放12206工作面采空区集水期间，经色谱分析仪化验分析12206工作面封闭墙内CO最大达12×10-6;12402工作面疏放12403工作面采空区期间，12402工作面靠12403工作面采空区煤壁侧能检测到CO达5～13×10-6，经判断在采空区放水期间采空区内遗煤在供氧情况下进行了氧化自燃。
图3封闭墙管路布置图(mm)
为确保采空区在放水期间切断采空区呼吸供氧的通道，通过封闭墙措施管向采空区注氮气，采取“水气置换”的方式将氮气[10]注入采空区，根据每天的采空区放水量计算水位下降空间体积，每次注入的氮气量为空间体积的两倍以上，确保封闭墙内外压差一直保持正压状态，从而切断采空区呼吸供氧的通道。采用“水气置换”的方式后12205工作面采空区内、12309工作面采空区内、12403采空区内及煤壁侧CO均检测化验为0。
4、现场管理
4.1 预测预报管理
1)每天对采空区密闭墙外的空气温度、气体含量、密闭墙内外空气压差以及密闭墙墙体完好等情况进行检查。
2)每天对密闭墙墙内气体取样化验，分析密闭墙内部气体成分，并对数据进行统计、分析，出现异常情况采取措施进行处理。
3)所有现场检查数据必须记入防火检查记录本。
4)当密闭墙墙内CO达到24×10-6时，要在密闭墙外必须设置CO传感器。传感器安设于巷道中部，距顶不大于300mm，距密闭墙不大于800mm。
4.2 探放水钻孔管理
1)所有采空区探放水钻孔在施工完毕后均要安设U型管及闸阀，在不放水时要及时关闭闸阀。
2)探放水钻孔施工完毕后，经地测通防部检查确认无水后，联系通风综合队现场检查气体，在气体正常的情况下，采用注水泥砂浆对钻孔进行全孔封闭。
3)探放水钻孔施工中出现的报废钻孔，要及时用水泥砂浆全孔封堵严实。
4)安排专人定期检查钻孔的气密情况，防止因其他原因造成钻孔漏气。
4.3 防灭火系统巡查
1)定期对矿井防灭火系统管路进行巡查，建立巡查台账，保持防火系统处于完好状态。
2)地面灌浆设备要定期进行运行、检修及维护，确保机器运转正常。
3)色连二矿地面注氮车间设备选用3套DM-2000(97)/8矿用膜分离制氮装置(两用一备)，单台制氮能力大于等于2000m3/h，氮气纯度大于等于97%。为确保注氮系统正常运行，三台注氮机需交换运行，确保备用设备正常运行。
5、结论
在煤炭防火工作中，从现场实际情况、煤层特性和自燃条件入手，充分分析煤自燃原因，并制定切实有效的防火措施是其工作的关键所在。通过对采空区放水期间的综合防火技术实践，取得了如下效果:
1)保障了矿井正常的采掘接替，确保了各采掘工作面正常施工，为矿井的安全生产奠定了很好的基础。
2)为制定采空区集水疏放期间的火灾防治工作积累了经验，形成了初步的煤层群开采条件下贫氧富水煤层采空区集水疏放期间的综合防火技术，为蒙西地区同条件下的采空区集水疏放提供了有利的防火技术参考。
3)节省大量防火灌浆费用。由于鄂尔多斯地区黄土含沙量较大，浆液粘性低，流动性差，灌浆效果不佳，通过采用上述综合防火技术后，节省了工作面灌浆防火的费用。按正常情况每天采空区灌浆量400m3计算，每月可节省灌浆量约12000m3，预计节约灌浆费用365万元;同时从人工成本上算，每天灌浆一个班，需人工8人，预计回采期间共需人工工资0.7万元/月×8人×10月=56万元。工作面共节约灌浆总费用421万元。
参考文献：
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2024-03-05我要评论
期刊名称：火灾科学
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主管单位：中国科学院
主办单位：中国科学技术大学
出版地方：安徽
专业分类：科学
国际刊号：1004-5309
国内刊号：34-1115/X
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2020-11-23
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