概 述
葛亭煤礦是2001年1月份投產(chǎn)的新礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a，礦井位于山東省濟(jì)寧市西北部，可采儲(chǔ)量4290萬(wàn)t，礦井服務(wù)年限51a?，F(xiàn)開(kāi)采的3層煤平均厚度8.03m，屬特低硫、特低磷、低灰、高發(fā)熱量、結(jié)焦性能好的氣煤。首采工作面為130采區(qū)的1301采區(qū)的工作面，埋藏深度為240m，工作面走向長(zhǎng)150m，傾向長(zhǎng)900m，煤層傾角平均8°，最大21°，回采方法為傾向長(zhǎng)壁后退式俯采綜放采煤法。
礦井通風(fēng)方式為中央并列抽出式，主立井為提升兼回風(fēng)，副立井進(jìn)風(fēng)，礦井主要通風(fēng)機(jī)為.22對(duì)旋式通風(fēng)機(jī)，電機(jī)功率為110×2kW。礦井實(shí)際進(jìn)風(fēng)量為3800m3/min，礦井有效風(fēng)量率為86％，通風(fēng)阻力為810Pa。礦井相對(duì)瓦斯涌出量為0.825m3/t，鑒定等級(jí)為低瓦斯礦井；煤塵爆炸指數(shù)為40.54％，具有煤塵爆炸性；最短自然發(fā)火期為34d，屬自然發(fā)火礦井。
由于礦井煤炭自燃發(fā)火期短，地壓大，且回采方法為大傾角俯采，給防治煤炭自燃帶來(lái)極大的困難。在1301工作面歷次因故推采速度放慢時(shí)，CO濃度增多出現(xiàn)持續(xù)上升現(xiàn)象。同時(shí)1301工作面由于處于F2、3兩大斷層之間，受斷層的影響，煤層中瓦斯含量高，炮眼中瓦斯?jié)舛冗_(dá)到25％左右，在回采過(guò)程中工作面回風(fēng)隅角易造成瓦斯積聚。瓦斯和煤炭自燃兩大隱患的同時(shí)存在，給礦井安全生產(chǎn)帶來(lái)嚴(yán)重威脅。礦井現(xiàn)裝備KJ95安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一套；MD—400型井下移動(dòng)膜分離制氮系統(tǒng)一套；KSS—200束管色譜微機(jī)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一套；地面灌漿系統(tǒng)一套。
俯采綜放面防治自燃危害的難點(diǎn)分析
(1)采空區(qū)丟煤自燃供氧條件好，俯采工作面由于其回采方向是由高向低處推采，采空區(qū)位于工作面上部。在回采過(guò)程中，進(jìn)入采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)流在進(jìn)風(fēng)順槽風(fēng)流速壓、礦井負(fù)壓和空氣的自身升騰力作用下，空氣進(jìn)入采空區(qū)的深度較仰采面要大，且俯采工作面的采空區(qū)不宜積水，空氣干燥，使采空區(qū)內(nèi)的丟煤容易進(jìn)行氧化反應(yīng)。
(2)采空區(qū)丟煤自燃積聚熱量條件好，俯采工作面空區(qū)的丟煤在氧化過(guò)程中生成的熱量在其熱膨脹和上升力的作用下，易于積存在采空區(qū)，為煤炭自燃創(chuàng)造了條件。
(3)采空區(qū)灌漿措施不易實(shí)施，在進(jìn)行采空區(qū)灌漿時(shí)，其灌漿量一旦大于采空區(qū)承受能力，就會(huì)發(fā)生泥漿淹面事故。即使進(jìn)行采空區(qū)灌漿，其泥漿也是只覆蓋采空區(qū)底板小范圍的丟煤，采空區(qū)大量的頂板落煤得不到泥漿覆蓋。
俯采綜放面防止自燃危害的綜合治理措施
俯采綜放面防止煤炭自燃是當(dāng)前擺在“一通三防”工作的難點(diǎn)，如果措施不利就會(huì)在回采過(guò)程中出現(xiàn)煤炭自然或自燃征兆，給礦井正常生產(chǎn)帶來(lái)極大威脅，特別是在煤層中瓦斯含量大，采空區(qū)瓦斯?jié)舛雀?達(dá)7％左右)，積存量大，一旦采空區(qū)出現(xiàn)高溫點(diǎn)或自然發(fā)火點(diǎn)，將可能引起瓦斯爆炸事故，給礦井安全造成不可估量的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。因此在既有煤炭自燃傾向性，又有瓦斯大量存在的情況下，采取綜合治理措施顯得尤為重要。
(1)無(wú)腐蝕性硅酸鎂凝膠阻化劑的研制與應(yīng)用。葛亭煤礦自行研制的白色無(wú)腐蝕性硅酸鎂凝膠阻化劑主要用于采煤工作面開(kāi)切眼、回采巷道、風(fēng)量小的人行巷道、采空區(qū)煤柱巷道等地點(diǎn)，暴露煤炭的覆蓋阻化和臨近采空區(qū)煤柱裂隙的漏風(fēng)封堵，主要防止暴露在空氣中的煤炭在風(fēng)量小，而供氧充足的情況下煤炭氧化產(chǎn)生熱量積聚，造成煤炭自燃事故。硅酸鹽膠狀阻化劑是由硅酸鹽主劑+硅酸鎂+促凝劑+水膠狀阻化劑組成。主要功能和作用為：①有色，在噴灑過(guò)程中易于控制噴灑的范圍和均勻度。②成膠速度可根據(jù)噴灑設(shè)備的流量和壓力自行配置，使從噴灑設(shè)備中噴出的阻化劑在噴到煤炭表面上時(shí)成膠。③膠狀體均勻、無(wú)腐蝕性、無(wú)毒、味小。④固水時(shí)間長(zhǎng)：由于膠狀阻化劑內(nèi)部90％左右為水分，在主劑和輔助保水劑的作用下水分不宜脫水，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，膠狀阻化劑的固水時(shí)間在35～60d之間。⑤吸熱降溫好：膠狀阻化劑在成膠過(guò)程中伴有吸熱效應(yīng)，噴灑到煤炭上后能吸收熱量，特別是噴灑到開(kāi)切眼和采空區(qū)時(shí)，能大量吸收煤炭氧化而產(chǎn)生的熱量，使采空區(qū)溫度降低，杜絕熱量積聚。⑥封堵漏風(fēng)作用好：在回采臨近采空區(qū)采煤工作面時(shí)，當(dāng)工作面壓力增大時(shí)，沿空煤柱勢(shì)必出現(xiàn)裂隙漏風(fēng)，此時(shí)將膠狀阻化劑噴灑到煤柱頂幫上，由于膠狀阻力劑為可流動(dòng)的膠狀體，在漏風(fēng)壓力下會(huì)封堵到這些裂隙上，起到封堵漏風(fēng)的作用。
(2)構(gòu)筑防止采空區(qū)漏風(fēng)的阻燃?jí)?。采空區(qū)發(fā)生煤炭自燃是由于采空區(qū)丟煤在有連續(xù)供氧的條件、持續(xù)的儲(chǔ)熱環(huán)境下造成的。通過(guò)在工作面進(jìn)回風(fēng)隅角同時(shí)構(gòu)筑阻燃?jí)Γ瑴p少采空區(qū)漏風(fēng)，改變“三帶”的范圍和供氧條件，使氧化帶提前進(jìn)入窒息帶。
(3)俯采工作面采空區(qū)黃泥灌漿措施的實(shí)施。采空區(qū)灌漿也是一種行之有效的防滅火措施。礦井現(xiàn)建有泥漿站1座，泥漿池2個(gè)，泥漿池容量為2×40m3。我們針對(duì)俯采工作面灌漿，采空區(qū)無(wú)法存留泥漿的困難，采取了予埋管灌漿方法，即在采空區(qū)順面埋設(shè)灌漿管路，灌漿管路與工作面等長(zhǎng)，管路每15m設(shè)1個(gè)出漿口，出漿口按漿體流動(dòng)方向由小變大，直徑從50～108mm不等，利用地面灌漿池靜壓灌注泥漿。為提高灌注泥漿的效果，結(jié)合大傾角俯采面的實(shí)際情況，泥漿水土比配制為5：1，同時(shí)在泥漿中加入15％～20％左右的阻化劑，使泥漿在灌入采空區(qū)后，部分水份分離出以后，而混有阻化劑的黃泥漿保存在采空區(qū)，覆蓋在采空區(qū)遺煤上，起到阻化、覆蓋和增加采空區(qū)濕度作用。為防止灌漿管路內(nèi)的空氣在灌漿過(guò)程中被漿體擠壓沖入采空區(qū)，形成采空區(qū)丟煤自燃的供氧來(lái)源，通過(guò)研究改造，在工作面超前控制范圍內(nèi)設(shè)置了1個(gè)三通放氣閥，三通放氣閥后部設(shè)置1個(gè)截止閥門，在灌漿時(shí)，先關(guān)閉截止閥，打開(kāi)三通放氣閥，漿體由地面灌漿池通過(guò)灌漿管路向工作面流動(dòng)過(guò)程中，灌漿管路中的空氣從三通放氣閥被放出，三通放氣閥見(jiàn)泥漿后立即關(guān)閉，并立即打開(kāi)截止閥，工作面開(kāi)始正式灌漿。
(4)均壓通風(fēng)。均壓通風(fēng)是采煤工作面防滅火技術(shù)的一項(xiàng)重要措施，采取均壓措施，可以改變通風(fēng)系統(tǒng)中的壓力分布，降低漏風(fēng)風(fēng)路兩端的風(fēng)壓差，減少采空區(qū)漏風(fēng)，達(dá)到抑制煤炭自燃的目的。為了保證采煤工作面風(fēng)流穩(wěn)定和均壓效果，我們主要采取了風(fēng)窗調(diào)壓原理：即在工作面回風(fēng)順槽中設(shè)置了一道控制風(fēng)量的風(fēng)窗，提高工作面的通風(fēng)壓力。根據(jù)1301工作面實(shí)施均壓通風(fēng)研究與應(yīng)用，工作面配風(fēng)在450m³/ min左右，工作面通風(fēng)阻力在29Pa時(shí)，對(duì)工作面防滅火最有利；工作面配風(fēng)在600m3/min左右，通風(fēng)阻力在35Pa左右時(shí)，對(duì)工作面防止隅角瓦斯超限最有利，為此，將工作面配風(fēng)控制在500m3/min左右。為保證均壓通風(fēng)的效果，實(shí)現(xiàn)通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定，我們?cè)诘V井所有風(fēng)門上設(shè)置了閉鎖裝置，并在工作面附近的主要風(fēng)門上設(shè)置了風(fēng)門開(kāi)停顯示，特別是在巷道貫通期間，提前建好通風(fēng)設(shè)施，三班專人看守，貫通后及時(shí)調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)等，保證礦井通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定和風(fēng)量充足。
(5)艾格勞尼新型防火材料的應(yīng)用。艾格勞尼是由2種成分組成的可膨脹阻燃堵漏風(fēng)的泡沫材料，用于密閉空氣和瓦斯及充填沒(méi)有機(jī)械阻力的空隙。該產(chǎn)品使用1臺(tái)泵和1支混合槍。樹(shù)脂和發(fā)泡劑2種成分以20：15或1：1的體積相混合，在槍內(nèi)由壓縮空氣來(lái)自動(dòng)激活發(fā)泡。優(yōu)點(diǎn)是可快速生成泡沫、良好的膨脹能力、充填時(shí)用量少、使用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、快速消除漏風(fēng)、抗靜電泡沫可大面積使用、不蔓延火焰。通過(guò)將艾格勞尼新型防火材料在1301綜放工作面撤面前后使用，采空區(qū)漏風(fēng)得到明顯控制，用微風(fēng)管測(cè)試，墻體漏風(fēng)基本杜絕，回風(fēng)隅角CO濃度明顯下降，特別是工作面停采后，通過(guò)利用艾格勞尼材料進(jìn)行封堵，回風(fēng)隅角阻燃?jí)?nèi)側(cè)的CO濃度連續(xù)下降，由剛停采時(shí)的150×10^－6，下降到110×10－6，距停采線25m處的采空區(qū)在停采15 d后進(jìn)入窒息帶。工作面撤出封閉后，由于利用了艾格勞尼材料進(jìn)行封堵，采空區(qū)在20dO₂含量降到6％以下，這充分說(shuō)明艾格勞尼材料的堵漏風(fēng)效果顯著。
(6)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用。為搞好瓦斯管理和防止煤炭自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，我們主要利用KSS—200礦井安全束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和KJ95安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)，采取自動(dòng)取樣和人工取樣相結(jié)合，安全監(jiān)測(cè)和人工檢測(cè)相結(jié)合的方法，積極開(kāi)展預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。KSS—200礦井安全束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、O2、N2等氣體含量的在線監(jiān)測(cè)，其分析結(jié)果在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)報(bào)告、分析日?qǐng)?bào)兩種方式提供數(shù)據(jù)的同時(shí)，自動(dòng)存入數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便今后對(duì)某種氣體含量的變化趨熱進(jìn)行分析；對(duì)于個(gè)別地點(diǎn)需進(jìn)行取樣分析時(shí)，可人工進(jìn)行氣體取樣，上井后利用色譜儀進(jìn)行氣體分析，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)打印和儲(chǔ)存。本系統(tǒng)對(duì)常量分析和微量分析可同時(shí)進(jìn)行，監(jiān)測(cè)氣體種類多、線性范圍大、精確度高、24h在線監(jiān)測(cè)。為礦井防滅火工作總結(jié)全面準(zhǔn)確的技術(shù)資料奠定了基礎(chǔ)。KJ95安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的使用和進(jìn)一步改造完善，無(wú)論在礦井瓦斯管理還是在礦井防止煤炭自燃管理中，均起到積極的作用，收到了顯著的效果。實(shí)現(xiàn)了井上下電源停電2h內(nèi)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)正常工作，保證了CH4、風(fēng)速、溫度、CO、設(shè)備開(kāi)停、風(fēng)門開(kāi)關(guān)等微機(jī)監(jiān)控；實(shí)現(xiàn)了主要通風(fēng)機(jī)電流、電壓、軸承溫度、風(fēng)量、負(fù)壓等參數(shù)的微機(jī)監(jiān)控；完成了通防、調(diào)度、總工程師、礦長(zhǎng)等辦公地點(diǎn)的微機(jī)聯(lián)網(wǎng)和信息共享。
俯采綜放工作面防止自然發(fā)火治理的效果
俯采綜放工作面防止煤炭自燃技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。葛亭煤礦通過(guò)對(duì)礦井俯采綜放工作面防止煤炭自燃技術(shù)研究、應(yīng)用和完善，取得了顯著的效果。
(1)杜絕了綜放工作面過(guò)大斷層，推采進(jìn)度慢時(shí)不發(fā)生煤炭自燃事故；
(2)工作面撤除期間，由于措施得力，杜絕了撤面期間的煤炭自燃事故，保證了工作面安全撤出；
(3)該項(xiàng)技術(shù)的研究應(yīng)用，為葛亭煤礦大傾角俯采工作面防止煤炭自燃治理提供了科學(xué)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。使葛亭礦防治煤炭自燃技術(shù)已初步形成了一套有效地綜合治理技術(shù)，杜絕了煤炭自燃事故的發(fā)生，實(shí)現(xiàn)了安全生產(chǎn)。