“第三十七屆科技論文交流會(huì)”二等獎(jiǎng)?wù)撐?
S2905 綜采工作面自燃傾向處理實(shí)踐與分析
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大興礦? 徐世波 朱大志 龍海
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摘? 要： 大興煤礦S2905綜采工作面火成巖侵入嚴(yán)重、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，自然發(fā)火期為17天。該工作面回采至42m，回順側(cè)邊采邊加支架時(shí)，架間采空區(qū)CO最大值達(dá)到387ppm，回風(fēng)CO最大值達(dá)到22ppm，工作面出現(xiàn)自然發(fā)火征兆，通過(guò)采取減風(fēng)堵漏、充填注水、注氮?dú)夂鸵簯B(tài)CO2降氧降溫的治理措施，有效的防治了災(zāi)害的擴(kuò)大，并通過(guò)合理的技術(shù)措施將CO濃度降低到合理范圍。
關(guān)鍵詞：綜采工作面；自然發(fā)火
1 問(wèn)題的提出
大興煤礦S2905綜采工作面為南二采區(qū)主采工作面，2016年5月15日開(kāi)始回采。5月31日南二905綜采工作面運(yùn)順回采42m、回順回采46m?，F(xiàn)場(chǎng)查工作面架間、上隅角高頂、老塘束管及5月22日束管（距切眼10.5m）等地點(diǎn)CH4、CO濃度情況，發(fā)現(xiàn)從58#支架至機(jī)尾支架架間均有CO，其中96#～97#架間CO濃度最高為312ppm、上隅角高頂CO濃度為225ppm、老塘束管CO濃度為257ppm、5月22日束管CO濃度為387ppm，采場(chǎng)回風(fēng)CO濃度為22ppm，呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)。
2 工作面概況及特點(diǎn)
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圖1? 巷道布置示意圖 |
S2905工作面位于南二采區(qū)東部。工作面大面長(zhǎng)659m，傾斜寬190m；小面長(zhǎng)290m，傾斜寬140m。工作面面積165810m2。工作面四周均為未采動(dòng)區(qū)，工作面上鄰7-2煤層，北部未采動(dòng)，南部為S5719上采空區(qū)，7-2煤層厚度在1.36～4.93m之間，一般為2.96m，與9煤層間距在33.07～36.73m之間，一般為34.99m。工作面下鄰10-1煤層，煤層厚度在0.28～0.62m之間，一般為0.45m，不可采，與9煤層間距在9.69～28.07m之間，一般為11.21m。
S2905 工作面從2016年5月15日開(kāi)始回采，至2017年7月28日回采完畢。工作面煤巖形態(tài)為舒緩向斜構(gòu)造，采用走向長(zhǎng)壁采煤法和傾斜長(zhǎng)壁采煤法。回采期間，共實(shí)見(jiàn)九條斷層，斷層最短延伸長(zhǎng)度為150m，最長(zhǎng)延伸長(zhǎng)度為700m；最小落差為0.4m，最大落差為3.1m。工作面共實(shí)見(jiàn)兩條火成巖巖墻，其中一條火成巖巖墻寬度為1.1m左右，回采至400m時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)，至850m尖滅；另外一條火成巖巖墻寬度3.5m左右，從564米進(jìn)入到工作面，延伸長(zhǎng)度為560m，至回采結(jié)束?；夭芍?span lang="EN-US">1093m時(shí)，工作面實(shí)見(jiàn)一條火成巖巖床。工作面“陷落柱”構(gòu)造較發(fā)育，回采至804m、814m、868m、1010m時(shí)，共實(shí)見(jiàn)四處“陷落柱”構(gòu)造?！跋萋渲敝饕獮榻堑[巖、煤塊、火成巖塊組成，規(guī)模一般為3～20m不規(guī)則的圓形。 ?
本工作面煤的工業(yè)牌號(hào)為長(zhǎng)焰煤，南部有少量不粘煤，煤層厚度在3.39～4.55m之間，一般為4.05m。本工作面煤層呈黑色，塊狀構(gòu)造，質(zhì)較純，以亮煤為主。煤的自燃發(fā)火期為17天，煤塵爆炸指數(shù)為33.81％。
3 生產(chǎn)基礎(chǔ)信息
S2905 工作面煤炭產(chǎn)量為136.7萬(wàn)t，塊段原始瓦斯含量為8.67m3/t、壓力為2Mpa；經(jīng)過(guò)采取順層預(yù)抽煤層區(qū)段瓦斯的區(qū)域防突措施，殘余瓦斯含量為5.18m3/t、殘余瓦斯壓力0.66Mpa（計(jì)算值）。回采前累計(jì)抽采純量484.81萬(wàn)m3,回采期間累計(jì)抽采純量3415.1萬(wàn)m3。絕對(duì)瓦斯涌出量16.4～98.5 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量在7.4～51 m3/t。2016年10月10日絕對(duì)瓦斯涌出量最大值為：122.5m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量最大值為51m3/t，出現(xiàn)在2017年6月。
4 高溫點(diǎn)位置分析
本次 產(chǎn)生 自然發(fā)火傾向 隱患時(shí) ， 工作面正處于擴(kuò)面邊采邊加支架期間，開(kāi)采17天僅推進(jìn)42m，采空區(qū)氧化帶浮煤易達(dá)到其自然發(fā)火期而出現(xiàn)高溫點(diǎn)。根據(jù)工作面防火措施效果、CO氣體涌出特點(diǎn)與濃度變化及地質(zhì)條件分析， 可以判定產(chǎn)生自燃傾向 主要 原因是 回采期間工作面切眼前部10號(hào)支架附近斷層處遺留浮煤發(fā)生氧化自燃 ，其理由如下：
4.1 措施有效性分析
（1）6月8日～6月9日運(yùn)順切眼30m埋管充填期間， 6月8日回風(fēng)CO濃度最高達(dá)21.63ppm，6月9日回風(fēng)CO濃度降到7.96ppm。回風(fēng)CO濃度大幅下降（當(dāng)時(shí)5月29日埋深30m注氮管單點(diǎn)注氮），說(shuō)明該充填點(diǎn)附近存在自然發(fā)火隱患。但由于充填量較大（6月9日當(dāng)日充填量為20m3/h），沒(méi)有及時(shí)減少下沙量、過(guò)早起壓，造成該點(diǎn)充填時(shí)間較短，自然發(fā)火隱患點(diǎn)附近沒(méi)有充分過(guò)水。
（2）7月1日工作面采取均壓通風(fēng)措施后，工作面CO涌出量186.9m3/d（回風(fēng)CO平均濃度38.16ppm）。7月2日工作面CO涌出量287.7m3/d（回風(fēng)CO平均濃度84.34ppm）。7月3日工作面取消均壓通風(fēng)，恢復(fù)負(fù)壓通風(fēng)，當(dāng)日CO涌出量336m3/d（回風(fēng)CO平均濃度128.38ppm）。CO涌出量及回風(fēng)CO濃度均大幅上漲，均壓措施失敗。
（3）通過(guò)采取注液態(tài)CO2降氧降溫措施，稀釋降溫運(yùn)順側(cè)逆流出高于工作面環(huán)境溫度的高濃度CO。7月5日～9日工作面CO涌出量由248.3m3/d下降到14.2m3/d，回風(fēng)CO平均濃度117.63ppm下降到 2.56ppm。
（1）（3）兩項(xiàng)措施實(shí)施后，CO涌出量和回風(fēng)最大值都大幅下降；（2）項(xiàng)均壓措施實(shí)施后，災(zāi)情沒(méi)有得到控制，相反出現(xiàn)上漲趨勢(shì)。說(shuō)明自然發(fā)火隱患點(diǎn)在本層采空區(qū)。
4.2 工作面上部空間標(biāo)志性氣體分析
通過(guò)905瓦斯道、上部的S5719工作面采空區(qū)氣體取樣化驗(yàn)分析均沒(méi)有出現(xiàn)高濃度CO，說(shuō)明S2905工作面與上部的南五719、717工作面采空區(qū)聯(lián)通不是導(dǎo)致本次自然發(fā)火的主導(dǎo)誘因。
4.3 地質(zhì)條件分析
工作面切眼前部10#支架附近及中部50#支架處各有一斷層，回采期間斷層處遺留浮煤。
5 自燃傾向處理過(guò)程
本次S2905 綜采工作面自然發(fā)火處理過(guò)程可分為兩個(gè)階段。
5.1 5 月31日～6月27日自然發(fā)火防治階段
工作面風(fēng)量1819 m3/min ，最大瓦斯涌出量 27.90m3/min ，最大瓦斯抽采量14.81m3/min。 自燃發(fā)展過(guò)程如本文開(kāi)頭所述。
5.1.1 煤炭自燃防治綜合技術(shù)及實(shí)施
5.1.1.1 封堵漏風(fēng)主要技術(shù)措施
堵漏降壓減抽技術(shù)措施主要目的是為了減少采空區(qū)因內(nèi)外壓差引起漏風(fēng)供氧加劇高溫點(diǎn)氧化，主要內(nèi)容是為防止通風(fēng)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)影響。先后對(duì)工作面減風(fēng)，工作面風(fēng)量從1800m3/min逐漸減到1100m3/min。分別于5月31日、6月19日及6月21日，在運(yùn)順下隅角分別砌筑永久封堵墻，并在1# ～ 2# 架間注羅克休1t，4# ～ 5# 架間注羅克休1t。6月21日 ～ 6 月26日工作面停產(chǎn)，前30組支架噴漿。
5.1.1.2 充填砂帶主要技術(shù)措施
充填砂帶措施不僅能抑制采空區(qū)漏風(fēng)、降低采空區(qū)溫度，更能在架后形成砂墻， 減少工作面漏風(fēng)量, 防止災(zāi)害擴(kuò)大。S2905工作面CO上升后， 針對(duì)切眼10#支架及50#架后斷層處遺留浮煤氧化自燃，從6月1日起，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行連續(xù)充填。 5 月31日 ～ 6 月27日期間 對(duì)兩順及切眼埋管等9處埋管點(diǎn)進(jìn)行充填，充填總量達(dá)7085m3。
5.1.1.3 注氮降氧降溫主要手段
注氮對(duì)采空區(qū)能夠起到降溫、降氧的作用，隨工作面推進(jìn)分別在距切眼30m、74m、94m處埋管向運(yùn)順采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮，注氮流量在2395 m3/h左右，共計(jì)注氮105.6萬(wàn)m3，并根據(jù)CO變化趨勢(shì)對(duì)注氮管路出口進(jìn)行調(diào)整。
5.1.1.4 上部采空區(qū)注水降溫
在上部南五采區(qū)719、七層軌道采空區(qū)密閉，利用管路對(duì)7-2煤層采空區(qū)進(jìn)行注水，共計(jì)注水量6940m3。 5.1.2 防治效果
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? 圖2? 5月31-6月27日CO涌出量變化曲線圖??????????
圖3? 5月31-6月27日回風(fēng)CO變化曲線圖 ? |
?通過(guò)采取各類措施后，工作面CO涌出量出現(xiàn)兩次波動(dòng)（見(jiàn)圖2、圖3）。6月4日工作面CO涌出總量最大為170m3/d（回風(fēng)CO平均濃度23ppm），6月5日至6月17日，CO涌出總量逐漸下降并穩(wěn)定到80m3/d（回風(fēng)CO平均濃度13ppm）。從6月18日至6月22日，工作面CO涌出總量上漲，6月22日CO涌出總量最大達(dá)到410m3/d（回風(fēng)CO平均濃度128ppm），6月23日至6月27日工作面CO涌出量再次下降至58m3/d（回風(fēng)CO平均濃度8ppm）。
5.2 6 月28日 ～ 7 月9日自然發(fā)火防治階段
6 月28日四點(diǎn)班工作面恢復(fù)生產(chǎn)，7月4日 ～ 9 日工作面停產(chǎn)放假，運(yùn)順已回采133m、回順回采136.8m。
5.2.1 自燃發(fā)展過(guò)程
6 月28日工作面CO涌出總量47.5m3/d（回風(fēng)CO平均濃度7.08ppm），7月1日工作面采取均壓通風(fēng)措施后，工作面CO涌出量186.9m3/d（回風(fēng)CO平均濃度38.16ppm）。7月3日工作面取消均壓通風(fēng)，恢復(fù)負(fù)壓通風(fēng)，當(dāng)日CO涌出量336m3/d（回風(fēng)CO平均濃度128.38ppm）。7月4日工作面CO涌出量上漲最高達(dá)348.1m3/d（回風(fēng)CO平均濃度155.24ppm）。
5.2.2 煤炭自燃防治綜合技術(shù)及實(shí)施
5.2.2.1 工作面均壓通風(fēng)措施
在S2九層軌道中巷設(shè)2組型號(hào)為2×55kW和1組型號(hào)為2×45kW的對(duì)旋式局部通風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)額定供風(fēng)風(fēng)量為三臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)、三臺(tái)備用。在距S2905運(yùn)順口70m處、S2905回順?lè)阑痖T(mén)處建設(shè)3道反向臨時(shí)風(fēng)門(mén)。在S2905運(yùn)、回順風(fēng)門(mén)里側(cè)10-15m各設(shè)一個(gè)束管，引到最外側(cè)風(fēng)門(mén)外，連接壓差計(jì)及壓力傳感器。在S2905瓦斯道閉前15m處建一道增阻框。
S2905 工作面回采期間均壓風(fēng)筒末端風(fēng)量為1500m3/min左右，工作面風(fēng)量控制在1100m3/min左右，運(yùn)順側(cè)風(fēng)門(mén)外觀測(cè)壓差控制在100 ～ 120mmH2O 。CO涌出量及回風(fēng)CO濃度均大幅上漲，均壓措施失敗。
5.2.2.2 恢復(fù)負(fù)壓通風(fēng)、堵漏主要技術(shù)措施
7 月3日 工作面取消均壓通風(fēng)， 工作面恢復(fù)負(fù)壓通風(fēng)?；謴?fù)運(yùn)順風(fēng)量至865 m3/min。同時(shí)在停產(chǎn)期間對(duì)工作面前三角點(diǎn)和前50組支架進(jìn)行噴漿。在6月30日、7月1日、7月4日分別對(duì)前三角點(diǎn)大墻空隙注羅克休3.1t。
5.2.2.3 兩順采空區(qū)埋管充填措施
6 月28日 ～ 7 月9日期間對(duì) 運(yùn)回順3處采空區(qū)埋管點(diǎn)進(jìn)行充填，總量達(dá)1440m3。
5.2.2.4 注氮措施
6 月28日-7月3日繼續(xù)對(duì)5月29日埋管、6月10日埋管、6月16日埋管向采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行注氮，日注氮量在1300 m3/h左右。本階段共計(jì)注氮39.3萬(wàn)m3。
5.2.2.5 注液態(tài)CO2降氧降溫措施
為快速有效置換S2905綜采工作面采空區(qū)內(nèi)氣體，創(chuàng)造一個(gè)惰化采空區(qū)，對(duì)S2905綜采工作面采空區(qū)、南五719采空區(qū)注液態(tài)CO2。
7 月5日 ～ 9 日，對(duì)運(yùn)順5月29日埋管連續(xù)注入液態(tài)CO2，共計(jì)55罐車、110m3。7月7日，利用南井充填系統(tǒng)對(duì)南五719回順閉過(guò)堂管路連續(xù)注入液態(tài)CO2，共計(jì)2罐車、52t。
5.2.2.6 注水、注泥降溫措施
在上部南五采區(qū)719、七層軌道采空區(qū)密閉，利用過(guò)堂管路對(duì)7-2煤層采空區(qū)進(jìn)行注水，共計(jì)注水量6200m3。7月6日，對(duì)南五719回順閉注泥220袋。
5.2.3 煤炭自燃防治效果
通過(guò)采取以上措施工作面CO發(fā)展得到有效控制， 注液態(tài)CO2起到了決定性作用。7月5日工作面CO涌出量248.3m3/d（回風(fēng)CO平均濃度117.63ppm）。7月6日工作面CO涌出量117.9m3/d（回風(fēng)CO平均濃度95.08ppm）。7月7日工作面CO涌出量55.1m3/d（回風(fēng)CO平均濃度22.92ppm）。7月8日工作面CO涌出量20.8m3/d（回風(fēng)CO平均濃度5.66ppm）。7月9日工作面CO涌出量14.2m3/d（回風(fēng)CO平均濃度2.56ppm）。
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圖4? 6月28日-7月9日CO涌出量變化曲線
圖5? 6月28日-7月9日回風(fēng)CO變化曲線 |
6 結(jié)論
5 月31日至7月9日，S2905工作面累計(jì)充填河沙8525m?;、 注氮總量144.9萬(wàn)m?;、注液態(tài)CO252t、注水13.1萬(wàn)m?;、 注羅克休5.1t 。
邊采邊加支架、初采推進(jìn)速度慢等因素給防火工作增加難度。
常規(guī)注氮?dú)夥阑鸫胧┰跍缁疬^(guò)程中沒(méi)有發(fā)揮惰化和降溫作用。工作面正?；夭善陂g常規(guī)防火措施，必須堅(jiān)持使用氮?dú)夥阑鸫胧Ｈ绯霈F(xiàn)自然發(fā)火隱患，需要根據(jù)發(fā)火點(diǎn)位置和CO變化趨勢(shì)，及時(shí)調(diào)整注氮位置。必要時(shí)，聯(lián)合注液態(tài)CO2措施進(jìn)行防滅火工作。
針對(duì)切眼內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域，實(shí)施的防火工程量較少。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)切眼內(nèi)的地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域的防火管理，在切眼貫通后回采前，采取噴漿、施工消火孔注泥、動(dòng)態(tài)取樣觀測(cè)、預(yù)埋效果管路等措施，確保工作面出切眼階段不留隱患。
均壓通風(fēng)技術(shù)缺少經(jīng)驗(yàn)， 對(duì)于均壓通風(fēng)技術(shù)在本次防治自然發(fā)火的實(shí)際應(yīng)用中是失利的，但不代表不能再其它工程上投入使用。
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作者簡(jiǎn)介： 徐世波 （1985.10.29-），男，工程師，2008年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全工程學(xué)院，現(xiàn)任鐵煤集團(tuán)大興煤礦兩防辦副主任。聯(lián)系電話：15841028830。
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