易自燃特厚煤層綜放工作面回采技術

1工作面自然長火焰煤采區鐵法集團大興礦28.06工作面位于大興礦北部第二采區。采層為7#煤層，平均厚度10m，工作面長861m，斜長180m。邊坡磨損和回采空間的“u”型通風。工作面絕對瓦斯約為40～60m3/min,為高瓦斯工作面,回采煤層為長焰煤,一級易自然發火煤層,其最短發火期為20d左右,并且火成巖侵入嚴重,采高大,采空區丟煤嚴重。該采區的7#煤層已經采過4個綜放工作面,其中有2個綜放工作面N2702、N2703因自然發火而封閉工作面,因此N2706工作面防治煤層自然發火任務相當重。工作面開采初期曾經出現采空區CO濃度高達1000×10-6,而且出現C2H4,甚至出現過C2H4、CO濃度急劇上漲的情況,雖然風流中CO濃度未超限,也未出現明火,后經處理得到控制,但仍給安全生產帶來嚴重威脅。2自然退火的可能性通過已經采過的幾個綜放工作面防治煤層自然發火經驗,認為綜放工作面和其它采煤工作面相比有如下特點:1)工作面推進速度慢。綜放工作面煤層比較厚,單位進尺產煤量大,即工作面產煤工序包括采煤機割煤和放頂煤2道工序,而放煤量為割煤量的2倍,所以,工作面推進速度比其它工作面要慢,這樣,就增加了煤的自然發火的幾率。2)采空區的空間大。由于綜放工作面煤層比較厚,提高采、放工序后,采空區的空間大,漏風空間大,漏風量大,從而增加了自然發火的可能性。3)采空區遺煤量大。綜放工作面回采率比其它工作面要低,因為放煤過程完全靠人為控制,放煤量取決于放煤工技術水平、工作經驗和責任心,盡管用一些控制手段,但還是不能完全進行控制,因此,其回采率遠遠低于其它工作面,采空區遺失煤炭多,而且,采空區遺煤呈立體分布,滿足了煤炭自然發火的條件。4)采空區自然發火位置的不確定性。通過上述分析,綜放工作面采空區有較大的空間,遺失大量的煤炭,所以,其自然發火位置不確定,給預防和處理綜放工作面采空區自然發火造成很大的困難。5)煤礦科學技術的發展,煤巷錨網、錨鎖支護技術的使用,大大提高了掘進速度,降低了勞動強度,提高了支護質量,但同時也為預防煤的自然發火造成了負面影響,因為在回采過程中,兩巷受懸臂梁作用,靠工作面外層巷道不易垮落,與開切眼形成漏風通道,為開切眼和兩巷自然發火創造條件。3礦井內火炬氣的影響分析利用采空區風火瓦斯耦合仿真軟件,對大興礦N2706綜放工作面進行數值模擬,分析了流場的分布,劃分自燃氧化橫三區、縱三帶的范圍,對礦井內因火災的防治提供指導,有利于礦井的安全生產和整體安全水平的提高。3.1“橫復合材料”區域劃分根據煤自燃的基本條件和采空區浮煤氧化環境,采空區遺煤自燃區域大體可劃分為3個區,即散熱不自燃區域、可能自燃氧化區域和窒息區域(簡稱“橫三區”)。其劃分通常有2種標準,即以采空區內的漏風速度、氧氣濃度。以大興礦N2706推進300m為例,研究劃分“橫三區”各個區域。N2706進風巷面積與回風巷面積為12m2,進風量1343m3/min,現根據風量的變化劃分“橫三區”。進風側和工作面中部劃分結果見表1和表2。從表1、表2可知,由工作面向采空區漏風是客觀存在的,采空區可能氧化區域比較大,而且采空區進風側位置自燃氧化帶區域延伸較深。3.2采空區內通氣分散研究考察采空區“縱三帶”,可提高對綜放支架上部煤層自然發火危險性的認識。采用Gambit進行建模,建模參數為:巷道及工作面高度為3m,寬度為4m,采空區及頂板高度為25m,工作面長180m,采空區延伸100m,進風巷風量為1343m3/min。通過仿真發現,采空區在縱向方向存在通風散熱帶、氧化帶及不易氧化自燃帶。考察發現:綜放工作面上部2～8m范圍的氧氣濃度為10%～18%,為氧化帶;支架以上0～2m范圍內氧氣含量為19%,此空間為通風散熱帶。4防消防技術4.1運順自身注氮通過仿真系統為注氮系統選擇參數。綜放面回采過程中采空區防火注氮為開區注氮,采空區進風側埋管,以2臺N2流量為1000m3/h制氮機連續注氮,由運順預先向采空區每推進30m埋入1趟?108mm鋼管,隨著工作面推進進入采空區20m開始注氮,進入70m停止,保持2趟?108mm鋼管持續向采空區20～70m范圍的漏風帶和氧化帶內注N2。采空區開放式注N2流量越大,防火的效果就越好,反之就越差,但受采空區漏風風流、風壓影響,流失性強,停止注氮后其防滅火作用易消失,因此采空區開區注N2防火的關鍵是N2流量和氮氣出口位置的合理選擇,并且應保持持續穩定地輸送N2。4.2角點炭角角點炭角綜放面回采期間采空區自然發火是由于采空區氧化帶內殘存的浮煤在連續供氧的條件、持續的儲熱環境下造成的,而工作面前三角點隅角、后三角點隅角是采空區漏風供氧的主要通道。工作面回采過程中在工作面前、后三角點架后同時采取充填河砂、砌筑擋風墻等封堵措施,對采空區漏風通道進行封堵,是減少采空區漏風最有效的方法,通過采取充填河砂封堵措施,不但可以改變采空區氧化帶的范圍和供氧條件,使氧化帶提前進入窒息帶,而且在進行水砂充填過程中大量的水對采空區浮煤起到濕潤降溫的作用,破壞浮煤的持續儲熱環境,從而有效防止自然發火事故發生。1b充填反滲透膜段綜放面開采前,預先由運回順向開切眼前三角點、開切眼內各埋設1趟?108mm充填管路,工作面回采老頂初次來壓(30～50m)冒落后,利用預先埋設的管路向開切眼存在的1條近似三角形斷面的空間內充填河砂,封堵漏風通道,并且對附近的浮煤濕潤降溫。工作面回采期間,根據采空區自然發火危害程度,結合回采推進速度,工作面每推進10～40m,對前、后三角點架后采空區進行1次水砂充填封堵。對于火成巖侵入區段可以根據侵入的范圍在架間埋管,一般推進5～10m開始充填。2角點未開洞角進行填充工作面回采結束后和節日放長假期間,采空區氧化帶不能及時推入窒息帶內,其浮煤繼續發生氧化反應產生CO釋放熱量,如果持續蓄熱達到自然發火期就會發生自燃,為防止該區域浮煤自燃,除了對工作面前、后三角點隅角進行封堵充填河砂外,還應在工作面與采空區之間形成一道砂墻,隔絕或減少向采空區漏風,人為強制減小氧化帶范圍將其變成窒息帶,是最有效最實用的防滅火措施。回采結束后,利用了鋪設的鐵網作為外沙門子插管進行充填,能夠取得較好的效果。工作面收尾期間,當推進至采止線15m時開始進行鋪網,工作面回采結束后,保證鐵網的端頭正好落入采空區被浮貨壓住,利用鋪設的鐵網及網上攔截的破碎浮貨做為外砂門子,然后往里插設?108mm鐵管,向采空區充填河砂。不但可以在撤除支架時減少人工清貨、保證現場施工安全,而且省略了釘沙門子堵漏這一施工程序,并增加了嚴密性,防止了充填河砂時跑砂現象。3頂部灌溉,自然歷史地面受火成巖侵入等地質構造影響,采面中部易出現巖石區,不但影響推進度,而且是自然發火已發生地點,由于殘留采空區內大量煤炭,呈現立體分布,必須采取頂部澆灌的方式防火。因此可以利用工程鉆機利用運回順硐室施工穿層目標鉆孔,下入護壁套管,使用充填系統對構造巖石區采空區上部充填河沙。4.3注漿管出口留空區自然退火隱患選擇在回風順槽鋪設管路,同時向采空區預埋注漿管,出口留在采空區易出現自然發火隱患處,主要是在回采工作面開切眼后三角點、停采線、火成巖侵入及運回順采空區空間等處。4.4噴灑液在工作面的形成，以控制漏風技術在工作面停止推進時,可沿工作面支架進行架間噴漿、下隅角空間噴漿。4.5采空區內循環沖擊下的采空區充填通風系統的穩定是采空區流場穩定分布的基礎,采區隅角堵漏、充填河砂等措施是有效控制漏風強度措施,但因工作面火成巖的侵入影響,采區侵入區段爆破落巖,其沖擊作用對于采空區影響較大,因此采空區立體充填泡沫,因其較好的張性,可在沖擊波過后基本恢復,具有較好的控制漏風作用。風量的穩定也是采空區防火的主要因素,因此在回采時期應減少風量調整,并加強主要關聯通風設施的管理是減少采空區流場擾動因素的主要控制技術措施。4.6提高抽放效果,降低瓦斯抽放量大興礦為高瓦斯突出礦井,回采工作面最高絕對瓦斯涌出量高達120m3/min,多年來不斷總結經驗、探索方法,形成了一整套成熟實用技術,在治理瓦斯和防治自然發火上,采取了以抽為主、風排為輔、分源治理的工作指導方針,通過引進大功率抽放設備、大直徑抽放管路,進行抽放系統改造,提高系統抽采能力,合理選擇抽放方法,提高瓦斯抽放效果,既從根本上解決了瓦斯超限問題,又防止了因抽采方法不當或抽采量過大引起自然發火,同時減少了工作面配風量,實現了以風防火。高瓦斯煤層工作面回采時,傳統的觀點認為,以風定產就得加大風量處理瓦斯,然而大風量雖然能充分稀釋工作面瓦斯,但是會造成采空區漏風量加大、加深,將采空區深部瓦斯掃出。而且大量漏風稀釋采空區瓦斯,使得采空區高濃度瓦斯區減小、低濃度瓦斯區增大,抽采效果降低。同時漏風深、漏風量大,對防采空區自燃發火非常有害。因此,對于大興礦高瓦斯突出易自然發火礦井,合理選擇通風方法,同時合理調整工作面配風量、穩定通風系統、均壓通風是有效治理瓦斯、防止自然發火事故的關鍵。4.7采空區浮煤冷卻回采工作面采空區的易發火段為工作面前半部分,在采取有效地控制漏風措施后,還需不強采取采空區浮煤冷卻措施,方便易行的方法為注水,并且通過高位注水,可以使得采空區內立體分布的遺煤充分得到濕潤冷卻。1兩井管網注漿通過在運順開鑿鉆場,使用坑道鉆機,施工斜交高位鉆孔,下入注水套管,使用聚氨酯膠封孔,利用井下供水系統直接向采空區注水來實現。鉆孔隨工作面推進滯后在采空區冒落角處斷裂,隨工作面同步相對穩定的推移,使得落礦煤能夠及時的水冷濕潤。2采空區冒落煤地層鉆孔具備條件的采煤工作面可以實施頂板近水平長鉆孔,下入注水套管,使用聚氨酯膠封孔,利用井下供水系統直接向采空區注水來實現。鉆孔隨工作面推進滯后在采空區冒落角處斷裂,隨工作面同步相對穩定的推移,使得落礦煤能夠及時的水冷濕潤。優點:范圍廣,使用時間長。3頂板瓦斯道澆注頂板瓦斯道是主要截留上隅角瓦斯涌出的措施,需要大流量高負壓的強抽,因此對于煤層底板瓦斯是防控火災的重點,并且不同位的多重瓦斯道注水更便于注水防火的分布。根據頂板瓦斯道走勢,可以在回順實施斜交鉆孔,目標位瓦斯