陽煤四礦是一個(gè)開采百年的老礦，是陽煤集團(tuán)開采時(shí)間最長的礦井。15#煤層屬易自燃煤層，發(fā)火期一般在6-12個(gè)月，在過去的正常生產(chǎn)中，幾乎都出現(xiàn)過自燃發(fā)火的征兆。陽煤四礦由于開采時(shí)間久，礦井資源已枯竭，現(xiàn)已進(jìn)入回收殘采階段。為了保障殘采工作面生產(chǎn)的安全，有必要對回收殘采工作面的瓦斯涌出、CO氣體涌出規(guī)律及通風(fēng)系統(tǒng)調(diào)整時(shí)對回收礦井壓力變化情況進(jìn)行研究，通過研究，為殘采工作面解決瓦斯問題和防止自然發(fā)火提供理論依據(jù)。
1、周邊小煤窯對回收礦井殘采工作面的危害性。
礦井周圍的小窯遍布，多時(shí)達(dá)30多個(gè)，在礦井正常作業(yè)期間就多次發(fā)生過越界、瓦斯涌出及自然發(fā)火等影響。礦井現(xiàn)進(jìn)入回收殘采階段，多在大巷煤柱和已采區(qū)之間的煤柱進(jìn)行回收作業(yè)，由于周圍的已采區(qū)空巷較多，且許多空巷與小煤窯的巷道連通，使目前礦井的回收工作受到了很大影響，主要表現(xiàn)在：瓦斯、CO氣體涌出的不確定性、自然發(fā)火和瓦斯爆炸的危險(xiǎn)等方面。
1990年3月，由于西河小窯的自燃，導(dǎo)致四礦東井出現(xiàn)明火和一氧化碳?xì)怏w。東井是礦井的主運(yùn)輸大巷，作為礦井的一個(gè)進(jìn)風(fēng)井，給全礦的安全生產(chǎn)造成極大的隱患。由于火區(qū)周圍都為采空區(qū)，所以未能徹底處理火災(zāi)的影響，到現(xiàn)在東井時(shí)有高溫出現(xiàn)，仍是礦井的一大隱患。
2、殘采工作面的瓦斯涌出規(guī)律
生產(chǎn)礦井進(jìn)入后期開采時(shí)，老空區(qū)的瓦斯涌出大于初、中期時(shí)的瓦斯涌出。由于陽煤四礦開采年限長，已采區(qū)、老空區(qū)較多，而且周邊緊鄰前莊、石卜咀、立新功等小窯，有些老空區(qū)已與這些周邊小窯的采空區(qū)連通。所以，當(dāng)?shù)V井進(jìn)入殘采階段時(shí)，工作面的瓦斯涌出大部分來源于采空區(qū)，本煤層、鄰近層瓦斯涌出只占一小部分。
2003年10月，四礦進(jìn)入殘采回收階段，以炭窯溝π放面為例，來研究殘采工作面的瓦斯涌出規(guī)律。
炭窯溝π放面在推進(jìn)到10m時(shí)，回風(fēng)落山角瓦斯?jié)舛葹?.5%，回風(fēng)瓦斯?jié)舛葹?.3%，涌出量0.96m3/min；當(dāng)工作面推進(jìn)15m時(shí)，回風(fēng)落山角瓦斯?jié)舛葹?.0%，進(jìn)風(fēng)順槽中部頂板也發(fā)現(xiàn)出瓦斯，濃度為0.8%，進(jìn)風(fēng)上隅角處也發(fā)現(xiàn)出瓦斯，濃度為0.5%，并有少量的一氧化碳涌出，回風(fēng)瓦斯?jié)舛冗_(dá)0.8%，涌出量達(dá)2.56 m3/min。發(fā)現(xiàn)異常情況后，經(jīng)研究這是由于工作面的采動(dòng)影響，煤體不斷破碎，工作面的進(jìn)風(fēng)順槽和工作面的采空區(qū)與周邊的老空區(qū)產(chǎn)生大量的裂隙，賦存于其中的瓦斯不同程度地沿裂隙涌出。瓦斯涌出時(shí)大時(shí)小，時(shí)有時(shí)無，成不規(guī)律涌出，經(jīng)研究采取噴漿方法處理，工作面繼續(xù)推進(jìn)到50m后,工作面進(jìn)風(fēng)順槽和進(jìn)風(fēng)上隅角不再出瓦斯，回風(fēng)落山角瓦斯?jié)舛冉禐?.5%，回風(fēng)瓦斯降為0.2%，涌出量為0.64 m3/min。
通過對炭窯溝π放面觀察發(fā)現(xiàn)，由于被周圍許多小窯的老空區(qū)包圍著，使礦井的瓦斯和一氧化碳涌出具有很大的不穩(wěn)定和不確定性，加大了對礦井的危害和影響。礦井瓦斯涌出量采掘工作面占20%，老空區(qū)占了80%。
根據(jù)對2004--2005年的礦井瓦斯資料分析得采掘及采空區(qū)瓦斯涌出比率見表1。
表1 礦井瓦斯來源分析
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礦井 |
全公司 |
采掘瓦斯量 |
老空區(qū)及其它瓦斯涌出量 |
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m3/min |
占有比率% |
m3/min |
占有比率% |
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四礦一井 |
11.96 |
2.36 |
19.73 |
9.6 |
80.27 |
從上表可以看出，四礦的瓦斯來源主要是老空區(qū)的涌出，占了全礦的80%以上。
3、殘采工作面CO涌出規(guī)律及火區(qū)變化規(guī)律
殘采工作面CO的涌出規(guī)律與殘采工作面瓦斯涌出規(guī)律有相同之處，隨著開采后期采空區(qū)的增大，采空區(qū)范圍的擴(kuò)大和受氧面積的擴(kuò)大，以及礦井內(nèi)老火區(qū)等因素的影響，且隨著殘采回收工作面在掘進(jìn)與回采過程中頻繁地與連通已采區(qū)的舊巷貫通，定會引起采空區(qū)及老火區(qū)內(nèi)的變化，使CO呈現(xiàn)出不間斷并且逐漸增大的涌出。
4、殘采工作面通風(fēng)安全保障技術(shù)研究
2004年2月10日，由于前莊小窯發(fā)生自燃發(fā)火事故其產(chǎn)生的CO氣體通過越界連通巷道向我礦南下山地區(qū)大量涌入，直接影響全礦的生產(chǎn)系統(tǒng)，迫使礦井停產(chǎn)。為了盡快恢復(fù)生產(chǎn)，抑制CO的涌入，我們先后采取了局部反風(fēng)、水封等多種措施，但總是堵了這邊，那邊又出來，不能根本上控制。經(jīng)過認(rèn)真的分析和研究，認(rèn)為：不論采取哪種方法，只堵不是解決問題的最好辦法，而應(yīng)在治理的同時(shí)，還應(yīng)進(jìn)行合理的疏導(dǎo)，使CO氣體有一個(gè)合理的流向，并保持其系統(tǒng)的穩(wěn)定才是最佳的方案。
為此，我們重新制定了“局部調(diào)壓加合理的通風(fēng)系統(tǒng)疏導(dǎo)”的處理方案。首先提高CO泄出點(diǎn)范圍的壓力，利用增高的壓力克服礦井一部分壓力。為此，在南下山正、付巷（18采區(qū)回風(fēng)）一橫貫以南各做一道風(fēng)卡，然后將做為18區(qū)進(jìn)風(fēng)的8181皮帶巷口做了3道風(fēng)門，并將連通西二進(jìn)風(fēng)大巷和8181皮帶巷之間的橫貫打透，安設(shè)一臺2×45kw的局扇。利用局扇開啟產(chǎn)生的壓力，將所控范圍內(nèi)的壓力升高，使這一地區(qū)的壓力與前莊小窯的壓力基本平衡，抑制CO氣體大面積涌出。局扇開啟后，經(jīng)過測壓，整個(gè)工作面地區(qū)的壓力升高了20mmH2O。其次是在CO涌出較大的地方開通一個(gè)CO氣體的排放渠道，在8181回風(fēng)側(cè)的一處上層空巷（CO較大的地點(diǎn)）處前后15米套棚加固，中間填實(shí)黃土，完工后將此30米范圍全部進(jìn)行噴漿。在該工程施工時(shí)，提前將一趟ф266 mm的瓦斯管放置在上層空巷，一直連接到東四巖順坡下的回風(fēng)系統(tǒng)，使CO氣體沿瓦斯管路直接排到南下山正巷的采區(qū)回風(fēng)系統(tǒng)。這項(xiàng)工程再配合CO泄出點(diǎn)范圍內(nèi)的調(diào)壓氣室方案的實(shí)施，根本上解決了小窯CO對8181工作面的影響，恢復(fù)了礦井的生產(chǎn)。（詳見表2）
表2 南下山2#面調(diào)壓前后各參數(shù)變化
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地點(diǎn) |
調(diào)壓前 |
調(diào)壓后 |
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壓力mmH2O |
CO% |
風(fēng)量m3/min |
壓力mmH2O |
CO% |
風(fēng)量m3/min |
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南下山正巷以北 |
38.9 |
0 |
220 |
21.8 |
0 |
0 |
|
南下山副巷以北 |
-20.4 |
0.0023 |
666 |
13.9 |
0.0002 |
0 |
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2面進(jìn)風(fēng) |
18.7 |
0.0001 |
380 |
37.8 |
0 |
240 |
|
2面回風(fēng) |
17.9 |
0.03 |
386 |
41.7 |
0.0012 |
242 |
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皮帶巷口 |
5.4 |
0 |
680 |
19.5 |
0 |
240 |
5．風(fēng)井逐漸封閉時(shí)，回收礦井殘采通風(fēng)安全保障技術(shù)
炭窯溝風(fēng)井原是四礦較早的一個(gè)回風(fēng)井，安裝2臺2×570kw主扇，使用期間，主要服務(wù)于四礦井下18區(qū)南下山地區(qū)。18采區(qū)回采結(jié)束后，風(fēng)機(jī)停運(yùn)。風(fēng)井經(jīng)過改造成為了礦井的一個(gè)進(jìn)風(fēng)井口。
炭窯溝風(fēng)井做為原礦井的一個(gè)主回風(fēng)井，在風(fēng)井的周圍有很大一塊保護(hù)煤柱，這塊資源相對于已宣告破產(chǎn)，正在進(jìn)行殘采回收的礦井來說，無疑是相當(dāng)可觀的?；厥者@塊煤柱，就必須先對位于其上方的炭窯溝風(fēng)井進(jìn)行封閉，以保證工作面采過風(fēng)井，造成風(fēng)井垮落后，不出現(xiàn)向工作面落山倒送風(fēng)的情況出現(xiàn)。封閉風(fēng)井，又會造成井下通風(fēng)壓力的變化，給工作面瓦斯和井下火區(qū)帶來相應(yīng)的變化，所以在封閉風(fēng)井的同時(shí)，需要認(rèn)真分析預(yù)測掌握好通風(fēng)壓力的變化，保證現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)井之間的均壓平衡。
四礦現(xiàn)有1個(gè)回風(fēng)井，4個(gè)進(jìn)風(fēng)井，礦井總風(fēng)量4100m3/min。 炭窯溝風(fēng)井為四礦4個(gè)進(jìn)風(fēng)井之一，進(jìn)風(fēng)量為1650m3/min，占全井進(jìn)風(fēng)量為40%，它的封閉會造成全井通風(fēng)壓力的變化，尤其對東西井的火區(qū)產(chǎn)生較大的影響。
東西井是四礦兩個(gè)進(jìn)風(fēng)井，也是礦井的運(yùn)輸主動(dòng)脈。西井擔(dān)負(fù)著全井的材料和人員的運(yùn)輸、東井擔(dān)負(fù)著全井的原煤運(yùn)輸。
由于東井周圍西河小窯發(fā)生的自燃發(fā)火，導(dǎo)致了四礦東井皮帶巷的自燃，雖經(jīng)多年和采取多種方法處理，都無法根除火災(zāi)的影響，高溫點(diǎn)時(shí)時(shí)不斷出現(xiàn)，目前采取注粉煤灰和注水控制著火區(qū)的蔓延和擴(kuò)大。
炭窯溝進(jìn)風(fēng)井封閉，導(dǎo)致的礦井壓力變化，定會對東西井火區(qū)的壓力帶來相應(yīng)的變化，有可能對東西井目前相對穩(wěn)定的壓力產(chǎn)生較大的影響，從而使火區(qū)溫度升高，范圍擴(kuò)大。因而如何保證火區(qū)的穩(wěn)定和內(nèi)外部壓力的平衡是這項(xiàng)工作的重點(diǎn)。
為了使風(fēng)井的封閉工程能夠安全順利的完成，我們做了大量的準(zhǔn)備工作，并進(jìn)行了井筒封閉試驗(yàn)。試驗(yàn)前，首先對東西井和炭窯溝進(jìn)行了壓力測量，測得東井17.9mmH2O，西井電車巷20.1mmH2O之后，在炭窯溝風(fēng)井內(nèi)做了兩道板墻進(jìn)行封閉。封閉后測得炭窯溝入風(fēng)為120m3/min130入風(fēng)井1040m3/min比原來增加500m3/min，東井入風(fēng)488m3/min，基本沒有變化。西井入風(fēng)1625m3/min，比原來增加350m3/min。西井壓力為18.9mmH2O，礦井通風(fēng)壓力2250Pa。
負(fù)壓的升高必將使火區(qū)的漏風(fēng)加大，增加向火區(qū)的供氧量，使CO氣體增加，不利于火區(qū)的控制和管理。要保證礦井的安全生產(chǎn)和運(yùn)輸，就必須控制火區(qū)范圍的擴(kuò)大。為此我們采取措施來升高東西井的壓力：①縮小電車巷的斷面，增加巷道的通風(fēng)阻力，以提高電車巷段的壓力。電車巷斷面為11m2，在電車大巷做了一道風(fēng)卡，減少巷道的三分二斷面。②在東井尾輪做了一道全斷面風(fēng)卡進(jìn)行了風(fēng)量的總控，將整個(gè)東井巷道處在升壓范圍內(nèi)，抑制CO氣體的涌出。
炭窯溝風(fēng)井封嚴(yán)后，主扇運(yùn)轉(zhuǎn)正常，扇風(fēng)機(jī)的靜壓水柱為2250Pa（主扇運(yùn)行角度下調(diào)了5度），總回風(fēng)量3350m3/min，炭窯溝風(fēng)量為120m3/min，其它進(jìn)風(fēng)井口進(jìn)風(fēng)量為1040m3/min，增加500m3/min，西井入風(fēng)1625m3/min，增加了350m3/min，東井488m3/min。變化不大，由于四礦東井火區(qū)與原井下的一個(gè)廢井口連通，而這個(gè)井口一直做為東井火區(qū)的一個(gè)CO排放通道。從前面的分析可知道，火區(qū)CO氣體空疏而不宣堵，而那個(gè)廢井筒正好做為一個(gè)排放點(diǎn)，在火風(fēng)壓的作用下，其負(fù)壓大于礦井負(fù)壓，CO氣體從廢井口泄出，因而東西井只有高溫而無CO氣體出現(xiàn)，根據(jù)風(fēng)壓平衡法和風(fēng)量平衡法的參照對比和實(shí)際壓力測定，炭窯溝封閉和主扇37度運(yùn)行時(shí)東西井火區(qū)負(fù)壓小于廢井口火區(qū)風(fēng)壓產(chǎn)生的負(fù)壓，東西井可基本保持原有狀態(tài)。
表3 炭窯溝風(fēng)井封閉前后各參數(shù)變化
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地點(diǎn) |
封閉前 |
封閉后 |
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壓力mmH2O |
風(fēng)量m3/min |
壓力mmH2O |
風(fēng)量m3/min |
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東井硅整流室以南 |
17.9 |
585 |
5.6 |
488 |
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西井硅整流室以南 |
17.4 |
1278 |
3.2 |
1625 |
|
電車巷 |
20.1 |
1193 |
2.6 |
1504 |
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炭窯溝 |
15.3 |
1650 |
4.5 |
0 |
|
二坑總進(jìn) |
13.3 |
560 |
6.7 |
1040 |
6．結(jié) 論
通過對回收礦井殘采工作面瓦斯涌出規(guī)律，煤層自燃發(fā)火影響及風(fēng)井封閉安全保障技術(shù)研究，得出以下結(jié)論。
1）隨著礦井的萎縮和資源的枯竭，礦井進(jìn)入殘采后，由于已采區(qū)的增多，生產(chǎn)規(guī)模的縮小，瓦斯和一氧化碳的涌出有其特定的涌出規(guī)律。礦井瓦斯涌出采掘瓦斯涌出量占20%，老空區(qū)瓦斯涌出占80%，由于礦井被周圍許多小窯的越界開采包圍，使礦井的瓦斯和一氧化碳涌出具有很大的不穩(wěn)定和不確定性，加大了對礦井的危害和影響。
2）加強(qiáng)煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，對CO和溫度的連續(xù)監(jiān)測，有利于火災(zāi)的早期預(yù)測預(yù)報(bào)，為回收礦井殘采提供了有利的科技保障，因我們能迅速捕捉到礦井災(zāi)害信息并立即做出相應(yīng)的應(yīng)急措施，防止事故擴(kuò)大。
3）通過對南下山采區(qū)通風(fēng)壓力進(jìn)行局部調(diào)整，使南下山采區(qū)整體升壓20mmH2O，采區(qū)升壓后，減輕了周圍小煤窯對現(xiàn)礦井生產(chǎn)采面的影響及危害，提高了采區(qū)安全保障能力。
4）通過對回收礦井風(fēng)井逐漸封閉對礦井瓦斯涌出及火區(qū)影響的研究，當(dāng)風(fēng)井逐漸封閉時(shí)，要逐漸調(diào)整整個(gè)礦井的通風(fēng)壓力分布，使生產(chǎn)采區(qū)及老火區(qū)的壓力平衡在原來壓差的基礎(chǔ)上，礦井瓦斯涌出及老火區(qū)才能穩(wěn)定，不影響礦井安全生產(chǎn)。
《陽煤集團(tuán)四礦殘采安全保障技術(shù)》在陽煤四礦應(yīng)用后，使四礦南下山采區(qū)近29萬噸煤炭得到安全正常生產(chǎn)，又解放了炭窯溝周圍27萬噸的煤量，合計(jì)創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益16800萬元，還使礦井的服務(wù)年限延長近3年。四礦已經(jīng)破產(chǎn)，礦井壽命的延長，解決了目前近3000名職工的生活問題。創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。其在殘采礦井瓦斯和自燃發(fā)火防治的治理上，必會得到廣泛使用。
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