浅谈综放工作面拆除期间自然发火的防治

作者:乔宁  来源:安全管理网 
评论:  更新日期:2019年07月17日

摘要 本文通过对孔庄矿7431综放工作面拆除期间自然发火事故的分析研究,阐述了综放工作面拆除期间防治煤炭自然发火的针对性措施

1 引言

综采放顶煤是一种高产高效低耗的采煤新工艺,因其巷道掘进率低、工作面单产能力大、投资见效快等特点,已经在我国煤矿广泛使用,取得了巨大的经济效益和社会效益。由于综放工作面巷道沿煤层底板布置,一次性开采强度大,采空区冒落空间高,供风漏风量大,两道顶煤放出率低,采空区遗煤较多,综放面推进速度慢、拆除时间长等原因,使得采空区遗煤、巷道和支架上方顶煤自燃的危险程度大大增加。据全国综采放顶煤专家组调查统计,综采放顶煤自1984年在我国试验研究以来,工作面自然发火率为50.6%。可见,自燃火灾已经成为制约综放技术发展的重要问题,防治综放面煤炭自燃是实现综采放顶煤开采高产高效的前提和基础。因此,分析和研究综放工作面防灭火问题,具有深远的现实意义。

2 7431工作面概况

7431工作面位于孔庄煤矿四水平三采区,为该采区首采工作面,工作面标高-771.98~-843.50m,地面标高+33.38m。工作面走向长820m,倾向长140m;煤层厚度4.3~5.4m,平均煤厚4.8m;煤层倾角22~28°,平均倾角25°。工作面地质储量81.7万吨,可采储量69.4万吨。

采用走向长壁采煤法,综采放顶煤一次采全高,全部垮落法管理顶板。工作面共安设ZF2800-16/26型放顶煤液压支架123台,设计采高2.2m,采用一采一放采煤工艺,采放比为1: 1.05,循环进度0.6m。

7431工作面煤层瓦斯含量7.5 m3/t,瓦斯绝对涌出量为4.8m3/min,相对瓦斯涌出量为4.7 m3/t(本面虽为低瓦斯区,但比照高瓦斯区管理);煤尘有强爆性;煤层自燃倾向性为Ⅲ类可能自燃,自然发火期6~12个月。工作面正常生产时配风量为760m3/min。

 

3 7431工作面自燃事故的发生及处理过程

7431综放工作面2005年9月10日开始回采,2007年1月19日回采结束,2月2日开始拆除工作面支架,至2月5日早班已回拆支架25台。其间因出现一起运输事故,拆除工作一度中断,自2月14日起,零星回拆支架15台;2月17日至2月20日春节放假,拆除工作再度中断,2月21日节后开始恢复正常回拆工作,至2月25日中班(自然发火时止)累计回拆支架100台,工作面仍有23台支架没有拆除。

工作面自拆架至春节放假期间,各监测点CO浓度均为3 ppm左右。防火措施为:工作面停采后,工作面上、下隅角各打两道高分子材料墙,在墙间充填罗克休,并在上隅角往下老塘侧及下隅角往上老塘侧各10米范围内加注罗克休;支架回拆过程中,早中班采空区间隙注浆,每班监测气体一次。

2月22日气体监测情况:回风巷CO为6ppm,CH4为0.12%;上隅角CO为15ppm,CH4为0.2%;100#架CO为10ppm;101#架CO为30ppm;102#架CO为32ppm;103#架CO为38ppm;104#架CO为45ppm;106#架CO为20ppm;108#架CO为10ppm。至2月24日早班,各测点气体情况基本稳定,变化不大。为解决支架拆除人员工作地点温度偏高(30℃)问题,22日开启材料道事先准备好的5kw局扇,回拆工作面实行全负压与局扇混合通风,工作面风量为300m3/min,温度降低至28℃左右。防火措施为:中班采空区注浆6小时,每班查火人员跟班监测。

2月24日中班:回风巷CO为8ppm,CH4为0.12%;上隅角CO为18ppm,CH4为0.2%;100#架CO为20ppm;101#架CO为130ppm;102#架CO为260ppm;103#架CO为300ppm;104#架CO为400ppm;106#架CO为240ppm;108#架CO为80ppm。各测点CO气体浓度呈明显上升趋势,遂采取特别防火措施:有关科室领导现场跟班,加快支架回撤速度,对100~108#支架架间顶煤进行插管注水。

7431综放工作面拆除期间CO变化情况统计表单位: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 风 巷2681050 
上 隅 角5151820  
100#支架3102050  
101#支架430130120出现烟雾 
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区间隙注浆中班采空区 注浆(灰)6h领导现场跟班,加快回拆速度,支架上方顶煤插管注水停电撤人 准备封面工作面 封闭完毕
每班监测 气体一次5kw局扇材料道局部通风(解决工作地点温度偏高)
查火人员跟班监测矿救护队现场监测

2月25日早班:100#架CO为50ppm;101#架CO为120ppm;102#架CO为200ppm;103#架CO为400ppm;104#架CO为800ppm;106#架CO为540ppm;108#架CO为180ppm。100~108#支架上方顶煤开始出现明显自燃征兆,2月25日23时30分,101#架处出现烟雾。于是立即撤人现场人员,并设立警戒;在公司救护队的支援下,公司、矿两级救护队协同作战,于2月26日12点40分,在7431工作面上下两巷各打密闭砖墙一道,完成了对此工作面的封闭工作。封闭巷道总长39m,冻结煤量1000吨。

4 工作面拆除期间煤炭自燃原因分析

4.1 拆除期间煤炭自燃是综放工作面自然发火的新趋势

随着采掘机械化程度的提高和掘进支护工艺的改进,特别是锚网锚索的使用,使得综放工作面生产过程中对顶煤的松动破碎影响程度相对减少,推进速度加快,工作面采、掘期间煤炭自然发火事故明显下降。相反,由于综放支架吨位重、“三机”体积大,回收和拆除难度加大,拆除周期长,综放工作面拆除期间煤炭自燃问题正日益显现出来,且呈现上升态势。据统计,目前这类自燃事故约占综放工作面自然发火事故的47.3%左右,已经成为工作面综放设备安全拆除成败的关键。

4.2 拆除期间煤炭自燃起因及过程分析

具有自然发火倾向性的煤层能否发生自燃主要取决于以下四个条件:①有破碎的煤呈堆积状态存在;②有连续的通风供氧条件;③周围具有蓄热环境;④有维持煤炭氧化过程发展的时间。当上述四个条件都满足时即发生自燃。煤体发生自燃主要是由煤氧复合作用放出热量而引起。煤与空气接触后,首先发生煤体对氧的物理吸附,之后又发生煤氧化学吸附和化学反应。工作面拆除期间,工作面停止推进,且时间较长,一般都超过煤炭最短发火期。而在停采期间,支架上方顶煤和支架后方采空区浮煤,在相对静态的状态下得到充分的氧化和有良好的蓄热环境,在此期间,煤炭自然发火的可能性大大增加。

4.2.1 支架后方网上浮煤

支架后方网上浮煤是指工作面距停采线15~20米处因准备拆除支架而铺网时顶煤冒落在网上不能放出的煤炭,煤厚一般都在数米以上,这种堆积碎煤靠埋管注浆的浆液不易将其全部渗透。工作面停采后,由于网上煤炭所处位置具备持续供氧、热量聚集和足够的氧化时间等条件,所以该处形成的碎煤条带极易自燃。

4.2.2 支架上方顶煤

支架上方顶煤为停采后,工作面支架和后部溜子上方的煤炭,此处煤炭的特点与网上浮煤类似,区别在于支架上方顶煤的破碎程度在工作面刚刚停采后相对较小,块度较大,主要呈裂隙状。当支架开始拆除时,架顶煤炭随支架的拆除而破碎、冒落。工作面的拆除速度过慢(回拆时间超过30天),此处煤炭自燃的可能性就大大增加,一旦出现CO气体,必将严重影响工作面的拆除速度,使得顶煤有了更长氧化、聚热时间,形成恶性循环。

4.2.3 支架部分拆除后采空区的漏风分布发生变化

当工作面支架开始拆除后,支架上方顶煤随之冒落,堵塞或缩小了原有的通风断面,局部阻力加大,迫使工作面的进风流向采空区深部及支架上方破碎顶煤扩散,增大了工作面下半部采空区的漏风宽度和工作面中上部顶煤漏风深度。因此,在工作面支架拆除过程当中,工作面下半部从停采线至采空区50m范围内的遗留煤炭和工作面中上部30m范围内支架上方顶煤最易发生自燃。

孔庄矿7431工作面就是由于工作面倾角大、瓦斯浓度高、运输路线不畅、拆除难度大,回拆时间长等多方面原因,导致工作面中上部支架上方顶煤松动、漏风量增大,氧化时间充足而引发自然发火的。

5 综放工作面拆除期间防灭火技术

纵观综放工作面拆除期间煤炭自燃隐患,主要来自两个方面的威胁,一是支架上方顶煤,二是支架后方采空区(网上)浮煤。根据综放面拆除期间煤炭自燃原因及规律,综放面拆除期间防灭火管理应从“防”和“治”两个方面入手,收面撤架前必须做好充分准备,确保撤架路道畅通,尽量减少支架运输时间,越快越好。做到“以防为主,防治结合”。其中,安全快速是原则,经济高效是目标,充分准备是基础,统一调度是关键,考核落实是保证。因此,深部采区大倾角高瓦斯综放工作面拆除期间自然发火的防治技术主要包括以下几个方面。

5.1 加强生产技术管理,为工作面安全顺利拆除创造良好条件

根据综放工作面停采收面拆除工作进程,矿相关部门要密切配合,保质保量完成各项工作,以保证拆除期间安全生产。收面期间,在生产技术管理上要求做到:

⑴ 加强机电设备检修维护,保证生产系统正常,确保工作面按期停采。

⑵ 工作面停采前,老空区侧20~30m范围内顶煤必须全部放干净,放煤要均匀,全部见顶(矸)为止,形成防火隔离带。

⑶ 收面时上网距离不少于12m,以保证停采线附近少留遗煤。

⑷ 加强工作面上网、上钢丝绳期间的顶煤(顶板)管理工作,提高支架的初撑力和支架支护质量,以保证顶煤的完整不松动。

⑸ 严格兑现收面措施要求,保证收面质量,以利于加快工作面拆除速度。

⑹ 加强停采线处煤顶支护,防止出现大面积顶煤破碎或离层。若出现局部冒顶或顶煤破碎离层区域要设点检查。

5.2 减小采空区漏风宽度

⑴ 封堵进回风隅角

工作面采空区的内部漏风主要是由上下两道压差造成。上下两巷道因支护原因在回采过程中冒落不实,特别是采用锚网、锚索支护形式的巷道,回采后冒落滞后,使采空区的漏风深度加大。工作面停采后,立即封堵上、下(进回风)隅角,实现采空区均压,以减小采空区的漏风量,使采空区“三带”位置相对前移,自热带宽度变窄,自燃危险区域范围减小。在端头支架以里,建立阻燃墙,对墙面喷涂聚胺脂或用黄泥摸面处理后注入凝胶材料,严禁风流从两道漏进或漏出,减少采空区的漏风量,缩小漏风的宽度,对防止采空区煤炭自然发火可以起到事半功倍的作用。

⑵ 控制工作面风量

工作面停采后,立即进行风量调节,使工作面风量降到300~400m3/min,保持工作面温度不超过25℃,风速不低于0.4--0.5m/s之间。降低工作面风量以减少向采空区漏风。风量的控制可以在封闭采空区的永久性密闭位置,打板墙,进行调节。

随着支架的撤除,从机头向上每隔5m打木垛,每台支架处放一根圆木,打三角柱,以维护巷道通风断面,在工作面锚顶、锚帮、控制顶板,预留回风巷,根据撤架工作的进展,采空区冒落面积的扩大,调节风门的调节应及时进行调节,以保证撤架工作的通风要求。

5.3 建立采空区无煤防火隔离带

在工作面进入停采准备期前,在放煤过程时将顶煤彻底放净,在采空区内形成一定宽度的无煤区。有效隔离无煤区后部采空区煤炭的自燃,阻止自燃灾害向工作面扩散。 无煤隔离带建立在网上冒落区的后部,其宽度为20~30m。

5.4 支架上方顶煤插管压注凝胶

支架上方顶煤注凝胶。这是处理支架顶煤自燃的最佳方案。注凝胶量应足以填塞顶煤裂隙,保证在工作面与采空区间形成一道凝胶墙,将工作面与采空区隔开,这样注凝胶不仅阻止了顶煤自燃,也阻止了采空区煤炭自燃。因为综放工作面临近停采时,需挂绳铺网,随着支架不断前移,支架上方顶煤将在支架中梁和尾梁铰点附近发生断裂,网上顶煤将下沉到底板,从而造成大量碎煤堆积。工作面停止推进后,中梁及前梁上方的顶煤也会随着时间的延长而松动,产生裂隙。这样就使工作面与采空区间通过碎煤裂隙沟通,因采空区漏风而向顶煤供氧,引起自燃。顶煤氧化自燃靠注氮、注浆等常规防灭火方法都难以解决,但通过注凝胶,可以堵塞其漏风裂隙,并将工作面和采空区隔开,一方面起到了防治顶煤自燃的作用,另一方面由于堵塞了采空区的漏风通道,减小了采空区漏风,也阻止了采空区煤炭氧化自燃。

工作面停采后压注凝胶就是每隔2~3架,从支架间隙向支架斜上方和后部溜子的斜上方插管(Ф1吋)。通过软管将远距离(<250m)处的凝胶经插管注入松散的煤体及煤的裂隙中。凝胶的成胶时间控制在10~30s范围内。为避免与工作面支架拆除工作发生冲突,注胶工作在工作面停采后立即开始。

5.5采空区预埋注浆、注氮管

⑴对采空区自热带注氮惰化

采空区注氮能降低采空区中的氧气浓度,从而降低煤的氧化速度,并使“三带”位置相对前移,能抑制采空区遗煤自燃的发展。但由于受注氮量的限制及开区注氮采空区漏风的影响,采空区始终存在自燃危险带。因而,采空区遗煤仍会自燃。工作面收面撤架期间综合防灭火措施仍应坚持以采空区注氮和埋管注浆为主要防灭火手段。由于撤架期间工作面风量减少,“三带”会相应前移,注氮释放口距工作面停采线不宜超过25m,日注氮量不应低于3000立方。对采空区壁后埋管注浆可推广使用胶体泥浆技术,可加大注浆防灭火效果。

⑵采空区注浆

注浆是一种长效而持久的防灭火措施,一方面浆液注入采空区遗煤后,可以渗入遗煤缝隙中,既堵漏风,又包裹碎煤,防止煤炭表面与氧气接触,从而防止煤的自燃;另外,浆液能吸收煤炭氧化产生的热量,通过水的流动,将热量带出,降低煤温,防止自燃。埋设注浆管的主要目的是起到预防作用,一旦停采面在拆除过程中出现煤炭自燃征兆,可采取向采空区注浆的措施,确保设备拆除工作的顺利进行。

工作面停采前,在上巷预埋注浆管2~3趟,管径4吋为宜。第一根管出口位置在网上煤炭区;第二根出口在无煤区以里的采空区内。注浆量不少于浮煤量的30%,若仍不能满足要求,应变注浆为压注胶体泥浆。对已回架冒落的高温煤炭仍需采用灌浆或灌水的方法进行处理。

5.6 拆架期间通风方式的选择

⑴工作面拆除期间通风系统以下行风(上行风与下行风是指进风流方向与采煤工作面的关系而言。当采煤工作面进风巷道水平低于回风巷时,采煤工作面的风流沿倾斜向上流动,称上行通风,否则是下行通风。优缺点:1、下行风的方向与瓦斯自然流向相反,二者易于混合且不易出现瓦斯分层流动和局部积存的现象。 2、上行风比下行风工作面的气温要高。 3、下行风比上行风所需要的机械风压要大;4、下行风在起火地点瓦斯爆炸的可能性比上行风要大)为优,工作面风量不宜过大,一般控制在300~400m3/min左右。利用全风压通风时,应预留通风道,保持通风道畅通,以减小采空区漏风压差。

⑵适时封闭进风道,利用局扇通风。在可能的情况下,综放面回收尽量采用局部通风,其优点有:①进风巷封闭,独头通风,不存在采空区全风压漏风压差,因而不存在采空区全风压漏风,对采空区及顶煤防灭火都有利;②工作区域为正压通风,有害气体不易向作业区域涌出,比较安全;③人员处于局部通风机供给的新风中,作业环境好;④供风稳定,对抑制顶煤供氧有利。但由于受拆架面断面的限制,局部通风风筒的吊挂与拆架互相影响,使得局部通风管理难度加大。

5.7 工作面爬行至顶板下拆除

在条件允许的情况下,工作面在设计时可以考虑最后回拆阶段将工作面从底板缓慢爬行至顶板收作。即工作面停采线以外巷道沿煤层顶板掘进,然后由顶板位置逐渐下移掘进至煤层底板,再正常掘进工作面的两道。这样在工作面拆除时,就可以减少工作面垂直方向上架上顶煤自燃威胁,有利于拆除期间防灭火工作的重点突破。

5.8 加强气体监测

工作面停采期间,监测停采线附近采空区的CO产生和变化情况来判断煤炭自燃的发展趋势,可以有效地指导工作面拆除期间防灭火工作开展。具体做法是在工作面回风巷采空区内预埋3趟束管(外加保护管,防止煤、矸冒落砸坏)。三趟束管的埋设距离分别为8~12m、22~31m、38~54m。气样采集可用皮球或气泵,分三班取样化验,作出CO变化趋势图表以备总结分析。

5.9 建立应急预案,将事故损失减少到最低

工作面拆除期间,建立预防工作面拆除过程中出现自燃的应急预案,可以及时封闭工作面,将事故损失较少到最低程度。在工作面上下两巷永久密闭墙位置提前预备好密闭材料,若工作面拆除过程中CO气体浓度升高或有自燃隐患,可先建筑调节墙,若CO气体增高速度很快,可在工作面进风巷砌筑密闭墙,回风巷采用局部通风机供风,或直接同时封闭工作面上下两巷。

6 结论

纵上所述,深部采区大倾角高瓦斯综放工作面拆除期间煤炭自燃的防治必须牢固树立预防为主、防治结合的指导思想。因地制宜地及时采取综合防灭火措施,最大限度地减少架上顶煤和架后网上浮煤的漏风量,加快回拆速度,才能真正解决工作面拆除过程中煤炭自然发火问题。

⑴ 保证工作面拆除期间不发生煤炭自燃事故,必须做好充分的准备工作,,最大限度地减少漏风量,加快工作面拆除速度,严格执行“安全、快速”的原则。其中包括工作面收面质量要好、组织协调工作到位、设备运输路线畅通、防火措施充分等,确保在小于30天内完成工作面的拆除工作,并将其封闭。

⑵ 保持正规循环作业,确保合理的回拆进度。因条件变化、机械设备故障或人为因素导致工作面拆除进度变慢时,必须采取相应的防灭火措施。

⑶ 工作面拆除期间,必须适时进行通风系统调整。若工作面不能保证短时间内拆除,则拆除期间通风方式应优先选取局部通风方式。不仅有利于防治采空区及顶煤自燃,而且也是减少工作面及回风巷CO涌出量的一种较好的方法,局部通风方式应为综放工作面拆架时不适合下行通风时的首选通风方案。

⑷ 工作面停采前,在距停采线50米范围内预留30米(至少应保证在10~15米以上)的隔离带,将隔离带内的顶煤尽可能地放干净,能够为下一步拆架赢得宝贵的时间。

⑸ 采空区注浆工作的坚持和工作面架后及时埋管注浆,对预防采空区的浮煤和因拆架而垮落的顶煤自燃能起到较好的效果。

⑹ 打钻插管压注凝胶是有效地解决工作面沿底收作顶煤自燃最有效的方法,该区域注浆不但施工困难,且工艺上也难以起到注胶的堵漏效果。

⑺ 网上顶煤区插管注凝胶和预埋管注浆均属预防性准备措施,如果没有自燃征兆,可不实施,一旦有自燃迹象则可立即实施。

⑻ 工作面拆除期间,防灭火预测预报工作千万不能放松,及时准确地发现每一个自燃隐患点,是及早采取措施将事故隐患消灭在萌芽状态的关键。

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