采煤工作面煤柱自然发火防治技术研究.pdf

收稿日期:2023 02 10作者简介:陈汝旭(1976-),男,山西太谷人,工程师,从事煤矿安全生产标准化管理工作。doi:10.3969/j.issn.1005-2798.2023.09.008采煤工作面煤柱自然发火防治技术研究陈汝旭(山西焦煤汾西矿业集团 高阳煤矿,山西 孝义 032306)摘 要:针对 130205 工作面回风巷煤柱自然发火问题,以封堵煤柱内漏风裂隙、回风巷表面裂隙为出发点,针对性设计防灭火技术方案。具体在煤柱内注入凝胶实现漏风裂隙有效充填、煤柱靠近 130203 采空区注入三相泡沫应对采空区位置遗煤及煤柱表面破碎煤体氧化升温问题、在回风巷煤柱帮喷涂盖尼克塑性喷涂材料封堵采动裂隙,并详细设计防灭火技术措施。现场应用后,130205 工作面回风巷煤柱漏风问题得以有效解决,煤柱内基本不存在高温点,表明现场使用的防灭火技术取得显著应用效果。关键词:护巷煤柱;自燃煤层;漏风裂隙;防灭火技术中图分类号:TD752.2 文献标识码:A 文章编号:1005 2798(2023)09 0031 02 煤矿井下综采或综掘工作面在设计时,从巷道围岩变形控制、漏风控制、防灭火以及水害防治等方面考虑,一般在本工作面与邻近采面间留设有一定宽度的保护煤柱1-3。保护煤柱矿压长时间作用下容易出现破碎、裂隙发育等情况,严重时甚至会形成漏风通道(煤柱内裂隙与邻近采空连接),从而导致煤柱及邻近采空区内遗煤出现氧化自燃问题4-6。减少甚至避免煤柱漏风是煤柱防灭火工作开展的关键,文中就以山西某矿 130205 工作面回风巷煤柱防灭火为工程背景,结合采面开采及煤柱留设等情况针对性制定防灭火技术措施,现场应用后为采面安全回采创造了良好条件。1 工程概况1.1 地质概况130205 工作面设计推进长度为 1 690 m、切眼斜长 290 m,采面回采 13 号煤层,煤层厚度均值8.7 m、倾角 15,顶底板岩性以砂岩、砂质泥岩以及灰岩为主,回采范围内煤层埋深均值为 360 m.13 号煤层具有自然发火倾向性,且煤尘具备有爆炸危险性。130205 工作面采用综放开采工艺,全部垮落法管理顶板,设计采高 3.8 m、放煤高度 4.9 m,推进速度为 3.48 m/d,采用 U 型通风方式,供风量为1 680 m3/min,采面回采范围内地质构造不发育。130205 工作面回采巷宽高=5.0 m4.0 m,采用锚网索支护方式,巷道在 360560 m 范围内采用小煤柱沿空留巷方式掘进,巷道与邻近的 130203 工作面采空区间留设有 6 m 宽窄煤柱,煤柱在矿压作用下内部裂隙较为发育。具体 130205 工作面回风巷与邻近采空区位置关系如图 1 所示。图 1 130205 工作面回风巷位置示意 矿井现有的防灭火系统为:地面一号井配备有1 套 60 m3液态 CO2储存罐笼、1 套 5 m3150 m3液态 N2储存罐笼,液态 CO2及 N2系统共用一套汽化及管网,汽化能力为 5 000 m3/h;在采区工业广场位置配备有 MDZ-+60 固定式灌浆、注胶防灭火系统,最大流量为 60 m3/h.1.2 采面煤柱防灭火问题分析130205 工作面回风巷巷道全长为 1 820 m,在巷道掘进至 360560 m 范围与邻近的 130203 采空区间留设的窄煤柱宽度为 6 m,窄煤柱在矿压长时间作用下内部裂隙发育,局部漏风明显,导致煤柱内部局部出现高温问题。在 130205 工作面推进期间,窄煤柱在采动压力作用下变形更为明显,煤柱内形成的裂隙与邻近的 130205 采空区贯通,煤柱更容易自然发火。130205 工作面回风巷原通过喷浆方式进行漏风裂隙封堵,但是在矿压作用下喷浆层容易出现裂隙,导致喷浆效果较差。因此,需要针对 130205 工作面回风巷现场情况,对煤柱漏风及自然发火问题进行防治,以确保采面安全回采。实实用用技技术术 第第 3 32 2 卷卷 第第 9 9 期期 2 20 02 23 3 年年 9 9 月月2 煤柱自然发火防治技术2.1 煤柱注凝胶为实现回风巷窄煤柱内部漏风裂隙封堵,在巷道回风巷窄煤柱内布置注浆钻孔,向煤柱内主图凝胶,具体钻孔布置情况如图 2 所示。煤柱按照三花眼形式布置 2 排注浆钻孔,其中上排、下排注浆孔与顶板间距分别为 1 m、1.5 m,钻孔间距均为 2.4 m.图 2 煤柱凝胶钻孔布置示意2.2 注入三相泡沫在 130205 工作面回风巷向邻近的 130203 采空区注入三相泡沫,具体钻孔布置情况如图 3 所示。煤柱上布置的钻孔间距为 20 m,钻孔仰角 55、孔深9 m,钻孔终孔位于 130203 采空区靠近煤柱位置,钻孔钻进完成后封孔深度为 6 m.图 3 三相泡沫钻孔布置示意 具体单个钻孔三相泡沫灌注量通过公式(1)计算:Q=KmLH (1)式中:Q 为单个钻孔三相泡沫灌注量,m3;m 为采高,取 8.7 m;K 孔隙率,取 0.1;L 为单个钻孔走向覆盖长度,m;H 为单个钻孔倾覆盖长度,m;为三相泡沫灌注系数,取 0.25.将上述参数带入到公式(1)即可求得 Q=63.8 m3,三相泡沫中发泡剂添加量为 5%,将三相泡沫密度按照 1 000 kg/m3计算,则单个钻孔所需的发泡量为 0.32 t.灌注三相泡沫时每次灌注 3 个钻孔,单孔灌注量为 63.8 m3,则一次灌注的三相泡沫为191.4 m3,一次灌注需要的发泡剂量为320 kg.2.3 巷道表面喷涂针对 130205 工作面回风巷表面裂隙发育,以及常规的水泥喷浆后期容易二次开裂形成新的漏风裂隙问题,提出采用塑性喷涂材料密闭巷道煤柱帮。塑性喷涂材料喷涂时的具体要求为7-8:1)结合 130205 工作面回风巷现场情况及喷涂,巷道煤柱帮采用初喷及复喷工艺,提高喷涂区巷道表面裂隙封闭效果;2)对于部分煤柱破碎、裂隙发育区域,若直接使用塑性喷涂材料喷涂存在材料消耗量大、经济性差等问题,为此先使用无机发泡材料进行打底,以便封堵较大的漏风裂隙,随后采用塑性喷涂材料进行全覆盖喷涂。2.3.1 喷涂材料130205 工作面回风巷煤柱帮表面喷涂使用盖尼克塑性喷涂材料,该材料在巷道煤柱帮喷涂后形成的涂层具备较强的密闭功能,可有效封堵煤柱表面裂隙,防止煤柱漏风;喷涂层具备有较强的延伸性及塑性,拉伸率可超过 100%,可有效应封堵矿压引起煤柱帮二次开裂。具体使用的喷涂材料性能技术指标为:粘附性能强,喷涂材料在煤岩体表面具有较强的粘附力;延伸性好,喷涂材料拉伸率超过100%,对巷道表面位移有较强的应对能力;防渗性好且长期不风化。具体回风巷煤柱帮现场喷涂使用的盖尼克塑性喷涂材料技术参数如表 1 所示。表 1 喷涂材料技术参数材料配比表感时间/min固话时间/h拉断延伸率/%剪切强度/MPa拉伸强度/MPa可重复弯折数/次A 组分 B 组分=2 11000.752.21002.3.2 喷涂工艺在回风巷煤柱帮喷涂时使用的盖尼克塑性喷涂材料由 A、B、b 组分构成,具体 A B 组分体积比为2 1 混合液,b 组分与水按照 2 1 混合;A、B 组分混合液以及 b 组分与水按照 10 1 配比在喷涂系统前端混浆装置内均匀混合,最后通过喷头喷出。具体盖尼克塑性喷涂材料喷涂工艺如图 4 所示。(下转第 75 页)23 第 32 卷C2H4是煤层进入加速氧化的标志气体,监测到C2H4必须采取切实有效的防灭火措施。2)结合正益煤业现场情况,确定井下火灾观测点,并提出综合使用 KJ90X 煤矿安全监控系统、KSS-200 煤矿自然火灾束管监测及人工监测方式对井下进行监测,并具体对测点布置方式进行阐述。3)提出采用灌浆、喷洒阻化剂方式进行防灭火,给出各防灭火系统使用条件以及布置方式。现场应用表明,文中所提矿井火灾监测与防灭火技术可有效抑制采空区遗煤自燃,监测期间采空区及采面内 CO、C2H4等气体成分均在安全范围内,可在一定程度提高井下煤炭生产安全保障能力。参考文献:1 董合祥,任继飞,王润生,等.小峪煤矿 8202 综放面综合防灭火技术研究与应用J.煤炭技术,2021,40(10):153-156.2 张 毅.亿欣煤业综采面切顶留巷采空区防灭火技术J.山东煤炭科技,2021,39(9):92-94,97.3 张军杰.井下作业面综合防灭火技术分析J.能源与节能,2021(2):164-165.4 张松宁.矿井火灾束管监测及灌浆防灭火技术应用J.江西煤炭科技,2021(1):157-159.5 豆兵利.晋牛煤矿采空区自然发火的防治J.现代矿业,2015,31(9):165-167.6 李健威,罗伙根,张增辉.保德煤矿防灭火设计研究J.山西焦煤科技,2013,37(4):23-27.7 梁运涛,罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势J.煤炭学报,2008(2):126-130.本期编辑:王伟瑾(上接第 32 页)图 4 喷涂工艺流程3 煤柱自然发火防治效果通过在 130205 工作面回风巷煤柱使用注入凝胶、三相泡沫以及在煤柱帮表面喷涂盖尼克塑性喷涂材料等技术措施后,煤柱漏风裂隙得以有效封堵,实测煤柱无漏风点;同时煤柱内高温点得以快速降温。在 130205 工作面后续回采期间,采动压力虽然导致煤柱产生新的裂隙,但是由于煤柱帮喷涂材料具有较强的延伸性及韧性,后续未出现喷涂层脱落或开裂等情况。在煤柱自燃防灭火技术应用前,热成像仪显示煤柱内最高温度为 35 左右,而采用防灭火技术后,煤柱内温度与巷道内温度保持一致,温度在20 左右且后续未再有温度升高情况发生。4 结 语1)130205 工作面回风巷窄煤柱(煤柱宽度6 m)段,在邻近采空区侧向应力、地应力以及采动压力等作用下出煤柱破碎、内部裂隙发育,导致煤柱自燃氧化风险较高,煤柱内容易出现高温蓄热点。同时回风巷煤柱帮表面喷浆使用的水泥浆在动压作用下封堵效果较差。2)为有效解决 130205 工作面回风巷煤柱自然发火问题,提出采用凝胶材料封堵煤柱内漏风裂隙;使用三相泡沫封堵邻近采空区靠近煤柱段;使用盖尼克塑性喷涂材料密闭回风巷煤柱帮表面裂隙,充分利用喷涂材料在延伸性、密闭性及封堵性优势,实现动压影响下煤柱表面裂隙有效封堵。3)现场应用后,130205 工作面回风巷煤柱漏风裂隙得以有效封堵,煤柱高温点基本消除,取得较好的煤柱自然发火防治效果。参考文献:1 王德洁,刘思鑫.完全孤岛工作面自燃防治技术研究J.煤,2023,32(2):66-70.2 李建华,张亚潮,王凯旋,等.巷道煤柱自燃致灾机理及注浆灭火技术实践J.陕西煤炭,2022,41(5):30-34.3 屈艳阳.小流量注水防治煤柱高温氧化应用研究D.廊坊:华北科技学院,2022.4 张春华,姚立洪.长走向工作面巷道煤柱自燃预警及防治技术J.辽宁工程技术大学学报:自然科学版,2020,39(6):483-490.5 李江鹏.小纪汗煤矿矿井通风对煤壁自燃影响研究D.西安:西安科技大学,2020.6 郭春生,李耀谦,王 姣,等.小煤柱综放工作面相邻采空区自燃灾害综合治理技术J.矿业安全与环保,2021,48(2):117-121.7 马成甫,张 闯,张喜梁,等.压注塑性材料在防治破碎煤柱漏风及自燃中的应用J.煤炭科技,2022,43(2):116-119.8 李本一,万敏中.马道头煤矿小煤柱裂隙带自燃机理及防治技术J.当代化工研究,2022(1):99-101.本期编辑:王伟瑾57第 9 期 王家福:正益煤业火灾监测与防灭火技术研究