陽煤四礦是一個開采百年的老礦，是陽煤集團開采時間最長的礦井。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間久，礦井資源已枯竭，現(xiàn)已進入回收殘采階段。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)律及通風系統(tǒng)調整時對回收礦井壓力變化情況進行研究，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，多時達30多個，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)進入回收殘采階段，多在大巷煤柱和已采區(qū)之間的煤柱進行回收作業(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等方面。
1990年3月，由于西河小窯的自燃，導致四礦東井出現(xiàn)明火和一氧化碳氣體。東井是礦井的主運輸大巷，作為礦井的一個進風井，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的影響，到現(xiàn)在東井時有高溫出現(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)礦井進入后期開采時，老空區(qū)的瓦斯涌出大于初、中期時的瓦斯涌出。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?shù)V井進入殘采階段時，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放面在推進到10m時，回風落山角瓦斯?jié)舛葹?.5%，回風瓦斯?jié)舛葹?.3%，涌出量0.96m3/min；當工作面推進15m時，回風落山角瓦斯?jié)舛葹?.0%，進風順槽中部頂板也發(fā)現(xiàn)出瓦斯，濃度為0.8%，進風上隅角處也發(fā)現(xiàn)出瓦斯，濃度為0.5%，并有少量的一氧化碳涌出，回風瓦斯?jié)舛冗_0.8%，涌出量達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影響，煤體不斷破碎，工作面的進風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。瓦斯涌出時大時小，時有時無，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)推進到50m后,工作面進風順槽和進風上隅角不再出瓦斯，回風落山角瓦斯?jié)舛冉禐?.5%，回風瓦斯降為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)范圍的擴大和受氧面積的擴大，以及礦井內老火區(qū)等因素的影響，且隨著殘采回收工作面在掘進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、殘采工作面通風安全保障技術研究
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)。為了盡快恢復生產(chǎn)，抑制CO的涌入，我們先后采取了局部反風、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)過認真的分析和研究，認為：不論采取哪種方法，只堵不是解決問題的最好辦法，而應在治理的同時，還應進行合理的疏導，使CO氣體有一個合理的流向，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“局部調壓加合理的通風系統(tǒng)疏導”的處理方案。首先提高CO泄出點范圍的壓力，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）一橫貫以南各做一道風卡，然后將做為18區(qū)進風的8181皮帶巷口做了3道風門，并將連通西二進風大巷和8181皮帶巷之間的橫貫打透，安設一臺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CO氣體的排放渠道，在8181回風側的一處上層空巷（CO較大的地點）處前后15米套棚加固，中間填實黃土，完工后將此30米范圍全部進行噴漿。在該工程施工時，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)回風系統(tǒng)。這項工程再配合CO泄出點范圍內的調壓氣室方案的實施，根本上解決了小窯CO對8181工作面的影響，恢復了礦井的生產(chǎn)。（詳見表2）
表2 南下山2#面調壓前后各參數(shù)變化
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地點 |
調壓前 |
調壓后 |
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壓力mmH2O |
CO% |
風量m3/min |
壓力mmH2O |
CO% |
風量m3/min |
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南下山正巷以北 |
38.9 |
0 |
220 |
21.8 |
0 |
0 |
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南下山副巷以北 |
-20.4 |
0.0023 |
666 |
13.9 |
0.0002 |
0 |
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2面進風 |
18.7 |
0.0001 |
380 |
37.8 |
0 |
240 |
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2面回風 |
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．風井逐漸封閉時，回收礦井殘采通風安全保障技術
炭窯溝風井原是四礦較早的一個回風井，安裝2臺2×570kw主扇，使用期間，主要服務于四礦井下18區(qū)南下山地區(qū)。18采區(qū)回采結束后，風機停運。風井經(jīng)過改造成為了礦井的一個進風井口。
炭窯溝風井做為原礦井的一個主回風井，在風井的周圍有很大一塊保護煤柱，這塊資源相對于已宣告破產(chǎn)，正在進行殘采回收的礦井來說，無疑是相當可觀的?；厥者@塊煤柱，就必須先對位于其上方的炭窯溝風井進行封閉，以保證工作面采過風井，造成風井垮落后，不出現(xiàn)向工作面落山倒送風的情況出現(xiàn)。封閉風井，又會造成井下通風壓力的變化，給工作面瓦斯和井下火區(qū)帶來相應的變化，所以在封閉風井的同時，需要認真分析預測掌握好通風壓力的變化，保證現(xiàn)有進風井之間的均壓平衡。
四礦現(xiàn)有1個回風井，4個進風井，礦井總風量4100m3/min。 炭窯溝風井為四礦4個進風井之一，進風量為1650m3/min，占全井進風量為40%，它的封閉會造成全井通風壓力的變化，尤其對東西井的火區(qū)產(chǎn)生較大的影響。
東西井是四礦兩個進風井，也是礦井的運輸主動脈。西井擔負著全井的材料和人員的運輸、東井擔負著全井的原煤運輸。
由于東井周圍西河小窯發(fā)生的自燃發(fā)火，導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，都無法根除火災的影響，高溫點時時不斷出現(xiàn)，目前采取注粉煤灰和注水控制著火區(qū)的蔓延和擴大。
炭窯溝進風井封閉，導致的礦井壓力變化，定會對東西井火區(qū)的壓力帶來相應的變化，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，范圍擴大。因而如何保證火區(qū)的穩(wěn)定和內外部壓力的平衡是這項工作的重點。
為了使風井的封閉工程能夠安全順利的完成，我們做了大量的準備工作，并進行了井筒封閉試驗。試驗前，首先對東西井和炭窯溝進行了壓力測量，測得東井17.9mmH2O，西井電車巷20.1mmH2O之后，在炭窯溝風井內做了兩道板墻進行封閉。封閉后測得炭窯溝入風為120m3/min130入風井1040m3/min比原來增加500m3/min，東井入風488m3/min，基本沒有變化。西井入風1625m3/min，比原來增加350m3/min。西井壓力為18.9mmH2O，礦井通風壓力2250Pa。
負壓的升高必將使火區(qū)的漏風加大，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)和運輸，就必須控制火區(qū)范圍的擴大。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卡進行了風量的總控，將整個東井巷道處在升壓范圍內，抑制CO氣體的涌出。
炭窯溝風井封嚴后，主扇運轉正常，扇風機的靜壓水柱為2250Pa（主扇運行角度下調了5度），總回風量3350m3/min，炭窯溝風量為120m3/min，其它進風井口進風量為1040m3/min，增加500m3/min，西井入風1625m3/min，增加了350m3/min，東井488m3/min。變化不大，由于四礦東井火區(qū)與原井下的一個廢井口連通，而這個井口一直做為東井火區(qū)的一個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，而那個廢井筒正好做為一個排放點，在火風壓的作用下，其負壓大于礦井負壓，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)風壓平衡法和風量平衡法的參照對比和實際壓力測定，炭窯溝封閉和主扇37度運行時東西井火區(qū)負壓小于廢井口火區(qū)風壓產(chǎn)生的負壓，東西井可基本保持原有狀態(tài)。
表3 炭窯溝風井封閉前后各參數(shù)變化
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地點 |
封閉前 |
封閉后 |
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壓力mmH2O |
風量m3/min |
壓力mmH2O |
風量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 |
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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 |
13.3 |
560 |
6.7 |
1040 |
6．結 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)火影響及風井封閉安全保障技術研究，得出以下結論。
1）隨著礦井的萎縮和資源的枯竭，礦井進入殘采后，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）加強煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的應用，對CO和溫度的連續(xù)監(jiān)測，有利于火災的早期預測預報，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害信息并立即做出相應的應急措施，防止事故擴大。
3）通過對南下山采區(qū)通風壓力進行局部調整，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）通過對回收礦井風井逐漸封閉對礦井瓦斯涌出及火區(qū)影響的研究，當風井逐漸封閉時，要逐漸調整整個礦井的通風壓力分布，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)。
《陽煤集團四礦殘采安全保障技術》在陽煤四礦應用后，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，合計創(chuàng)造經(jīng)濟效益16800萬元，還使礦井的服務年限延長近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。
參考文獻
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