淺談綜放工作面拆除期間自然發火的防治

          作者:喬寧  來源:安全管理網 
          評論:  更新日期:2019年07月17日

          摘要 本文通過對孔莊礦7431綜放工作面拆除期間自然發火事故的分析研究,闡述了綜放工作面拆除期間防治煤炭自然發火的針對性措施

          1 引言

          綜采放頂煤是一種高產高效低耗的采煤新工藝,因其巷道掘進率低、工作面單產能力大、投資見效快等特點,已經在我國煤礦廣泛使用,取得了巨大的經濟效益和社會效益。由于綜放工作面巷道沿煤層底板布置,一次性開采強度大,采空區冒落空間高,供風漏風量大,兩道頂煤放出率低,采空區遺煤較多,綜放面推進速度慢、拆除時間長等原因,使得采空區遺煤、巷道和支架上方頂煤自燃的危險程度大大增加。據全國綜采放頂煤專家組調查統計,綜采放頂煤自1984年在我國試驗研究以來,工作面自然發火率為50.6%。可見,自燃火災已經成為制約綜放技術發展的重要問題,防治綜放面煤炭自燃是實現綜采放頂煤開采高產高效的前提和基礎。因此,分析和研究綜放工作面防滅火問題,具有深遠的現實意義。

          2 7431工作面概況

          7431工作面位于孔莊煤礦四水平三采區,為該采區首采工作面,工作面標高-771.98~-843.50m,地面標高+33.38m。工作面走向長820m,傾向長140m;煤層厚度4.3~5.4m,平均煤厚4.8m;煤層傾角22~28°,平均傾角25°。工作面地質儲量81.7萬噸,可采儲量69.4萬噸。

          采用走向長壁采煤法,綜采放頂煤一次采全高,全部垮落法管理頂板。工作面共安設ZF2800-16/26型放頂煤液壓支架123臺,設計采高2.2m,采用一采一放采煤工藝,采放比為1: 1.05,循環進度0.6m。

          7431工作面煤層瓦斯含量7.5 m3/t,瓦斯絕對涌出量為4.8m3/min,相對瓦斯涌出量為4.7 m3/t(本面雖為低瓦斯區,但比照高瓦斯區管理);煤塵有強爆性;煤層自燃傾向性為Ⅲ類可能自燃,自然發火期6~12個月。工作面正常生產時配風量為760m3/min。

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          3 7431工作面自燃事故的發生及處理過程

          7431綜放工作面2005年9月10日開始回采,2007年1月19日回采結束,2月2日開始拆除工作面支架,至2月5日早班已回拆支架25臺。其間因出現一起運輸事故,拆除工作一度中斷,自2月14日起,零星回拆支架15臺;2月17日至2月20日春節放假,拆除工作再度中斷,2月21日節后開始恢復正常回拆工作,至2月25日中班(自然發火時止)累計回拆支架100臺,工作面仍有23臺支架沒有拆除。

          工作面自拆架至春節放假期間,各監測點CO濃度均為3 ppm左右。防火措施為:工作面停采后,工作面上、下隅角各打兩道高分子材料墻,在墻間充填羅克休,并在上隅角往下老塘側及下隅角往上老塘側各10米范圍內加注羅克休;支架回拆過程中,早中班采空區間隙注漿,每班監測氣體一次。

          2月22日氣體監測情況:回風巷CO為6ppm,CH4為0.12%;上隅角CO為15ppm,CH4為0.2%;100#架CO為10ppm;101#架CO為30ppm;102#架CO為32ppm;103#架CO為38ppm;104#架CO為45ppm;106#架CO為20ppm;108#架CO為10ppm。至2月24日早班,各測點氣體情況基本穩定,變化不大。為解決支架拆除人員工作地點溫度偏高(30℃)問題,22日開啟材料道事先準備好的5kw局扇,回拆工作面實行全負壓與局扇混合通風,工作面風量為300m3/min,溫度降低至28℃左右。防火措施為:中班采空區注漿6小時,每班查火人員跟班監測。

          2月24日中班:回風巷CO為8ppm,CH4為0.12%;上隅角CO為18ppm,CH4為0.2%;100#架CO為20ppm;101#架CO為130ppm;102#架CO為260ppm;103#架CO為300ppm;104#架CO為400ppm;106#架CO為240ppm;108#架CO為80ppm。各測點CO氣體濃度呈明顯上升趨勢,遂采取特別防火措施:有關科室領導現場跟班,加快支架回撤速度,對100~108#支架架間頂煤進行插管注水。

          7431綜放工作面拆除期間CO變化情況統計表單位:ppm
           2月2~20日2月22日2月24日 早 班2月25日 早 班2月25日 中 班2月26日 早 班
          回 風 巷2681050 
          上 隅 角5151820  
          100#支架3102050  
          101#支架430130120出現煙霧 
          102#支架332260200  
          103#支架338300400  
          104#支架345400800  
          106#支架320240540  
          108#支架21080180  
          主要措施早中班采空區間隙注漿中班采空區 注漿(灰)6h領導現場跟班,加快回拆速度,支架上方頂煤插管注水停電撤人 準備封面工作面 封閉完畢
          每班監測 氣體一次5kw局扇材料道局部通風(解決工作地點溫度偏高)
          查火人員跟班監測礦救護隊現場監測

          2月25日早班:100#架CO為50ppm;101#架CO為120ppm;102#架CO為200ppm;103#架CO為400ppm;104#架CO為800ppm;106#架CO為540ppm;108#架CO為180ppm。100~108#支架上方頂煤開始出現明顯自燃征兆,2月25日23時30分,101#架處出現煙霧。于是立即撤人現場人員,并設立警戒;在公司救護隊的支援下,公司、礦兩級救護隊協同作戰,于2月26日12點40分,在7431工作面上下兩巷各打密閉磚墻一道,完成了對此工作面的封閉工作。封閉巷道總長39m,凍結煤量1000噸。

          4 工作面拆除期間煤炭自燃原因分析

          4.1 拆除期間煤炭自燃是綜放工作面自然發火的新趨勢

          隨著采掘機械化程度的提高和掘進支護工藝的改進,特別是錨網錨索的使用,使得綜放工作面生產過程中對頂煤的松動破碎影響程度相對減少,推進速度加快,工作面采、掘期間煤炭自然發火事故明顯下降。相反,由于綜放支架噸位重、“三機”體積大,回收和拆除難度加大,拆除周期長,綜放工作面拆除期間煤炭自燃問題正日益顯現出來,且呈現上升態勢。據統計,目前這類自燃事故約占綜放工作面自然發火事故的47.3%左右,已經成為工作面綜放設備安全拆除成敗的關鍵。

          4.2 拆除期間煤炭自燃起因及過程分析

          具有自然發火傾向性的煤層能否發生自燃主要取決于以下四個條件:①有破碎的煤呈堆積狀態存在;②有連續的通風供氧條件;③周圍具有蓄熱環境;④有維持煤炭氧化過程發展的時間。當上述四個條件都滿足時即發生自燃。煤體發生自燃主要是由煤氧復合作用放出熱量而引起。煤與空氣接觸后,首先發生煤體對氧的物理吸附,之后又發生煤氧化學吸附和化學反應。工作面拆除期間,工作面停止推進,且時間較長,一般都超過煤炭最短發火期。而在停采期間,支架上方頂煤和支架后方采空區浮煤,在相對靜態的狀態下得到充分的氧化和有良好的蓄熱環境,在此期間,煤炭自然發火的可能性大大增加。

          4.2.1 支架后方網上浮煤

          支架后方網上浮煤是指工作面距停采線15~20米處因準備拆除支架而鋪網時頂煤冒落在網上不能放出的煤炭,煤厚一般都在數米以上,這種堆積碎煤靠埋管注漿的漿液不易將其全部滲透。工作面停采后,由于網上煤炭所處位置具備持續供氧、熱量聚集和足夠的氧化時間等條件,所以該處形成的碎煤條帶極易自燃。

          4.2.2 支架上方頂煤

          支架上方頂煤為停采后,工作面支架和后部溜子上方的煤炭,此處煤炭的特點與網上浮煤類似,區別在于支架上方頂煤的破碎程度在工作面剛剛停采后相對較小,塊度較大,主要呈裂隙狀。當支架開始拆除時,架頂煤炭隨支架的拆除而破碎、冒落。工作面的拆除速度過慢(回拆時間超過30天),此處煤炭自燃的可能性就大大增加,一旦出現CO氣體,必將嚴重影響工作面的拆除速度,使得頂煤有了更長氧化、聚熱時間,形成惡性循環。

          4.2.3 支架部分拆除后采空區的漏風分布發生變化

          當工作面支架開始拆除后,支架上方頂煤隨之冒落,堵塞或縮小了原有的通風斷面,局部阻力加大,迫使工作面的進風流向采空區深部及支架上方破碎頂煤擴散,增大了工作面下半部采空區的漏風寬度和工作面中上部頂煤漏風深度。因此,在工作面支架拆除過程當中,工作面下半部從停采線至采空區50m范圍內的遺留煤炭和工作面中上部30m范圍內支架上方頂煤最易發生自燃。

          孔莊礦7431工作面就是由于工作面傾角大、瓦斯濃度高、運輸路線不暢、拆除難度大,回拆時間長等多方面原因,導致工作面中上部支架上方頂煤松動、漏風量增大,氧化時間充足而引發自然發火的。

          5 綜放工作面拆除期間防滅火技術

          縱觀綜放工作面拆除期間煤炭自燃隱患,主要來自兩個方面的威脅,一是支架上方頂煤,二是支架后方采空區(網上)浮煤。根據綜放面拆除期間煤炭自燃原因及規律,綜放面拆除期間防滅火管理應從“防”和“治”兩個方面入手,收面撤架前必須做好充分準備,確保撤架路道暢通,盡量減少支架運輸時間,越快越好。做到“以防為主,防治結合”。其中,安全快速是原則,經濟高效是目標,充分準備是基礎,統一調度是關鍵,考核落實是保證。因此,深部采區大傾角高瓦斯綜放工作面拆除期間自然發火的防治技術主要包括以下幾個方面。

          5.1 加強生產技術管理,為工作面安全順利拆除創造良好條件

          根據綜放工作面停采收面拆除工作進程,礦相關部門要密切配合,保質保量完成各項工作,以保證拆除期間安全生產。收面期間,在生產技術管理上要求做到:

          ⑴ 加強機電設備檢修維護,保證生產系統正常,確保工作面按期停采。

          ⑵ 工作面停采前,老空區側20~30m范圍內頂煤必須全部放干凈,放煤要均勻,全部見頂(矸)為止,形成防火隔離帶。

          ⑶ 收面時上網距離不少于12m,以保證停采線附近少留遺煤。

          ⑷ 加強工作面上網、上鋼絲繩期間的頂煤(頂板)管理工作,提高支架的初撐力和支架支護質量,以保證頂煤的完整不松動。

          ⑸ 嚴格兌現收面措施要求,保證收面質量,以利于加快工作面拆除速度。

          ⑹ 加強停采線處煤頂支護,防止出現大面積頂煤破碎或離層。若出現局部冒頂或頂煤破碎離層區域要設點檢查。

          5.2 減小采空區漏風寬度

          ⑴ 封堵進回風隅角

          工作面采空區的內部漏風主要是由上下兩道壓差造成。上下兩巷道因支護原因在回采過程中冒落不實,特別是采用錨網、錨索支護形式的巷道,回采后冒落滯后,使采空區的漏風深度加大。工作面停采后,立即封堵上、下(進回風)隅角,實現采空區均壓,以減小采空區的漏風量,使采空區“三帶”位置相對前移,自熱帶寬度變窄,自燃危險區域范圍減小。在端頭支架以里,建立阻燃墻,對墻面噴涂聚胺脂或用黃泥摸面處理后注入凝膠材料,嚴禁風流從兩道漏進或漏出,減少采空區的漏風量,縮小漏風的寬度,對防止采空區煤炭自然發火可以起到事半功倍的作用。

          ⑵ 控制工作面風量

          工作面停采后,立即進行風量調節,使工作面風量降到300~400m3/min,保持工作面溫度不超過25℃,風速不低于0.4--0.5m/s之間。降低工作面風量以減少向采空區漏風。風量的控制可以在封閉采空區的永久性密閉位置,打板墻,進行調節。

          隨著支架的撤除,從機頭向上每隔5m打木垛,每臺支架處放一根圓木,打三角柱,以維護巷道通風斷面,在工作面錨頂、錨幫、控制頂板,預留回風巷,根據撤架工作的進展,采空區冒落面積的擴大,調節風門的調節應及時進行調節,以保證撤架工作的通風要求。

          5.3 建立采空區無煤防火隔離帶

          在工作面進入停采準備期前,在放煤過程時將頂煤徹底放凈,在采空區內形成一定寬度的無煤區。有效隔離無煤區后部采空區煤炭的自燃,阻止自燃災害向工作面擴散。 無煤隔離帶建立在網上冒落區的后部,其寬度為20~30m。

          5.4 支架上方頂煤插管壓注凝膠

          支架上方頂煤注凝膠。這是處理支架頂煤自燃的最佳方案。注凝膠量應足以填塞頂煤裂隙,保證在工作面與采空區間形成一道凝膠墻,將工作面與采空區隔開,這樣注凝膠不僅阻止了頂煤自燃,也阻止了采空區煤炭自燃。因為綜放工作面臨近停采時,需掛繩鋪網,隨著支架不斷前移,支架上方頂煤將在支架中梁和尾梁鉸點附近發生斷裂,網上頂煤將下沉到底板,從而造成大量碎煤堆積。工作面停止推進后,中梁及前梁上方的頂煤也會隨著時間的延長而松動,產生裂隙。這樣就使工作面與采空區間通過碎煤裂隙溝通,因采空區漏風而向頂煤供氧,引起自燃。頂煤氧化自燃靠注氮、注漿等常規防滅火方法都難以解決,但通過注凝膠,可以堵塞其漏風裂隙,并將工作面和采空區隔開,一方面起到了防治頂煤自燃的作用,另一方面由于堵塞了采空區的漏風通道,減小了采空區漏風,也阻止了采空區煤炭氧化自燃。

          工作面停采后壓注凝膠就是每隔2~3架,從支架間隙向支架斜上方和后部溜子的斜上方插管(Ф1吋)。通過軟管將遠距離(<250m)處的凝膠經插管注入松散的煤體及煤的裂隙中。凝膠的成膠時間控制在10~30s范圍內。為避免與工作面支架拆除工作發生沖突,注膠工作在工作面停采后立即開始。

          5.5采空區預埋注漿、注氮管

          ⑴對采空區自熱帶注氮惰化

          采空區注氮能降低采空區中的氧氣濃度,從而降低煤的氧化速度,并使“三帶”位置相對前移,能抑制采空區遺煤自燃的發展。但由于受注氮量的限制及開區注氮采空區漏風的影響,采空區始終存在自燃危險帶。因而,采空區遺煤仍會自燃。工作面收面撤架期間綜合防滅火措施仍應堅持以采空區注氮和埋管注漿為主要防滅火手段。由于撤架期間工作面風量減少,“三帶”會相應前移,注氮釋放口距工作面停采線不宜超過25m,日注氮量不應低于3000立方。對采空區壁后埋管注漿可推廣使用膠體泥漿技術,可加大注漿防滅火效果。

          ⑵采空區注漿

          注漿是一種長效而持久的防滅火措施,一方面漿液注入采空區遺煤后,可以滲入遺煤縫隙中,既堵漏風,又包裹碎煤,防止煤炭表面與氧氣接觸,從而防止煤的自燃;另外,漿液能吸收煤炭氧化產生的熱量,通過水的流動,將熱量帶出,降低煤溫,防止自燃。埋設注漿管的主要目的是起到預防作用,一旦停采面在拆除過程中出現煤炭自燃征兆,可采取向采空區注漿的措施,確保設備拆除工作的順利進行。

          工作面停采前,在上巷預埋注漿管2~3趟,管徑4吋為宜。第一根管出口位置在網上煤炭區;第二根出口在無煤區以里的采空區內。注漿量不少于浮煤量的30%,若仍不能滿足要求,應變注漿為壓注膠體泥漿。對已回架冒落的高溫煤炭仍需采用灌漿或灌水的方法進行處理。

          5.6 拆架期間通風方式的選擇

          ⑴工作面拆除期間通風系統以下行風(上行風與下行風是指進風流方向與采煤工作面的關系而言。當采煤工作面進風巷道水平低于回風巷時,采煤工作面的風流沿傾斜向上流動,稱上行通風,否則是下行通風。優缺點:1、下行風的方向與瓦斯自然流向相反,二者易于混合且不易出現瓦斯分層流動和局部積存的現象。 2、上行風比下行風工作面的氣溫要高。 3、下行風比上行風所需要的機械風壓要大;4、下行風在起火地點瓦斯爆炸的可能性比上行風要大)為優,工作面風量不宜過大,一般控制在300~400m3/min左右。利用全風壓通風時,應預留通風道,保持通風道暢通,以減小采空區漏風壓差。

          ⑵適時封閉進風道,利用局扇通風。在可能的情況下,綜放面回收盡量采用局部通風,其優點有:①進風巷封閉,獨頭通風,不存在采空區全風壓漏風壓差,因而不存在采空區全風壓漏風,對采空區及頂煤防滅火都有利;②工作區域為正壓通風,有害氣體不易向作業區域涌出,比較安全;③人員處于局部通風機供給的新風中,作業環境好;④供風穩定,對抑制頂煤供氧有利。但由于受拆架面斷面的限制,局部通風風筒的吊掛與拆架互相影響,使得局部通風管理難度加大。

          5.7 工作面爬行至頂板下拆除

          在條件允許的情況下,工作面在設計時可以考慮最后回拆階段將工作面從底板緩慢爬行至頂板收作。即工作面停采線以外巷道沿煤層頂板掘進,然后由頂板位置逐漸下移掘進至煤層底板,再正常掘進工作面的兩道。這樣在工作面拆除時,就可以減少工作面垂直方向上架上頂煤自燃威脅,有利于拆除期間防滅火工作的重點突破。

          5.8 加強氣體監測

          工作面停采期間,監測停采線附近采空區的CO產生和變化情況來判斷煤炭自燃的發展趨勢,可以有效地指導工作面拆除期間防滅火工作開展。具體做法是在工作面回風巷采空區內預埋3趟束管(外加保護管,防止煤、矸冒落砸壞)。三趟束管的埋設距離分別為8~12m、22~31m、38~54m。氣樣采集可用皮球或氣泵,分三班取樣化驗,作出CO變化趨勢圖表以備總結分析。

          5.9 建立應急預案,將事故損失減少到最低

          工作面拆除期間,建立預防工作面拆除過程中出現自燃的應急預案,可以及時封閉工作面,將事故損失較少到最低程度。在工作面上下兩巷永久密閉墻位置提前預備好密閉材料,若工作面拆除過程中CO氣體濃度升高或有自燃隱患,可先建筑調節墻,若CO氣體增高速度很快,可在工作面進風巷砌筑密閉墻,回風巷采用局部通風機供風,或直接同時封閉工作面上下兩巷。

          6 結論

          縱上所述,深部采區大傾角高瓦斯綜放工作面拆除期間煤炭自燃的防治必須牢固樹立預防為主、防治結合的指導思想。因地制宜地及時采取綜合防滅火措施,最大限度地減少架上頂煤和架后網上浮煤的漏風量,加快回拆速度,才能真正解決工作面拆除過程中煤炭自然發火問題。

          ⑴ 保證工作面拆除期間不發生煤炭自燃事故,必須做好充分的準備工作,,最大限度地減少漏風量,加快工作面拆除速度,嚴格執行“安全、快速”的原則。其中包括工作面收面質量要好、組織協調工作到位、設備運輸路線暢通、防火措施充分等,確保在小于30天內完成工作面的拆除工作,并將其封閉。

          ⑵ 保持正規循環作業,確保合理的回拆進度。因條件變化、機械設備故障或人為因素導致工作面拆除進度變慢時,必須采取相應的防滅火措施。

          ⑶ 工作面拆除期間,必須適時進行通風系統調整。若工作面不能保證短時間內拆除,則拆除期間通風方式應優先選取局部通風方式。不僅有利于防治采空區及頂煤自燃,而且也是減少工作面及回風巷CO涌出量的一種較好的方法,局部通風方式應為綜放工作面拆架時不適合下行通風時的首選通風方案。

          ⑷ 工作面停采前,在距停采線50米范圍內預留30米(至少應保證在10~15米以上)的隔離帶,將隔離帶內的頂煤盡可能地放干凈,能夠為下一步拆架贏得寶貴的時間。

          ⑸ 采空區注漿工作的堅持和工作面架后及時埋管注漿,對預防采空區的浮煤和因拆架而垮落的頂煤自燃能起到較好的效果。

          ⑹ 打鉆插管壓注凝膠是有效地解決工作面沿底收作頂煤自燃最有效的方法,該區域注漿不但施工困難,且工藝上也難以起到注膠的堵漏效果。

          ⑺ 網上頂煤區插管注凝膠和預埋管注漿均屬預防性準備措施,如果沒有自燃征兆,可不實施,一旦有自燃跡象則可立即實施。

          ⑻ 工作面拆除期間,防滅火預測預報工作千萬不能放松,及時準確地發現每一個自燃隱患點,是及早采取措施將事故隱患消滅在萌芽狀態的關鍵。

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