保德煤礦防滅火設計研究

李健威，羅伙根，張增輝

(神華神東煤炭集團保德煤礦，山西 保德 036600)

保德煤礦是神東煤炭集團所屬的大型石炭二疊紀出口煤配煤基地，井田南北走向長平均12.3 km，東西傾向寬平均5.7 km，井田面積55.9068 km2，煤層傾角3°～9°，總體上為平緩的單斜構造形態。區內可采煤層共4層，分別為二疊系山西組8#煤層(目前正開采)和石炭系太原組 10#、11#、13#煤層，其中8#、11#煤層全區可采，10#、13#煤層局部可采。根據煤炭科學研究總院沈陽研究院鑒定，8#煤層屬II類自燃煤層，發火期為4～6個月，且煤塵具有爆炸危險性。

1 井下自燃火災監測系統

火災的早期發現和監測是礦井火災防治的前提，根據《礦井防滅火規范》規定:一、二級自燃礦井應建立火災預測預報系統。目前礦井火災監測系統最常用的是礦井自燃火災束管監測系統。束管監測系統主要由束管取樣系統和地面氣體分析中心組成，通過束管將監測點氣體取樣到地面，利用氣相色譜分析儀連續分析氣體組分濃度，通過各組分濃度的變化對煤層氧化自燃過程進行判斷分析，并進行煤自燃發火的早期預測預報。

針對保德煤礦井下生產實際布局，確定建立地面型束管監測系統和人工采集氣體進行綜合預測預報監測系統。二盤區和三盤區可采用地面束管監測系統進行自燃發火預測預報;五盤區綜合考慮經濟性和實用性，確定采用簡易束管采樣系統和人工采集氣體綜合進行分析觀測［1］。

1.1 地面型束管監測系統

束管管路布置:束管布置由地面監測室開始沿輔平峒—措施巷—一號主運大巷—三盤區措施巷—二號輔運大巷—聯巷—81305二號回風順槽—聯巷密閉—采空區。從地面監測室至三盤區口敷設12芯束管2500 m，三盤區口至81305二號回風敷設3000 m三芯束管至聯巷密閉，三盤區口至一號回風巷敷設3000 m單芯束管至工作面上隅角。

監測點分為固定點、移動點和臨時觀測點。觀測點應設置在能采集到觀測區內有代表性的氣體的地點。尤其固定觀測點、移動觀測點，應盡量設置在巷道周圍壓力較小，支架完整，沒有拐彎，斷面沒有突然擴大或縮小的地點。預留2路，其余10路通過平硐下放至各監測點。根據上述要求監測點主要布置在以下地點:

1)工作面監測點1個，布置在工作面上隅角，隨工作面開采而移動。

2)采空區監測點，布置在工作面回風順槽遠離工作面側，隨工作面推進埋入采空區，一個工作面布置3個點，測點間距100 m。當測點采空區氧濃度降到5%后，斷開該測點，重新布置采樣探頭。采空區測點布置示意圖見圖1。

圖1 工作面采空區束管埋設示意圖

布置兩條回風巷的工作面可按圖1(a)所示進行鋪設。布置一條回風巷的工作面可按圖1(b)所示進行埋設，埋入采空區的束管要用DN25～50 mm的鋼管加以保護，保護套管埋入采空區不回收。

通過束管取樣，利用安裝在地面的抽氣泵，將所采樣的氣體送入分析儀進行分析。對井下任意地點的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量實行24 h連續循環監測，經過對自燃火災標志氣體的確定和分析，及時預測預報發火點的自燃進程變化，為煤礦自燃火災和礦井瓦斯事故的防治工作提供科學依據。

1.2 建立人工采樣分析系統

沒有布置束管采樣點或采樣束管不能到達，同時又需要進行氣體分析的地點，可人工利用取氣囊進行取樣。氣體分析則由氣相色譜儀完成。取樣時間可每天或根據需要定期取樣，取樣前必須用取樣地點氣體對取氣囊進行2～3次沖洗。氣樣采集后12 h內必須送至氣樣分析室進行數據分析，如超過12 h，氣樣應舍棄不用，重新取樣，以保證分析數據準確。

對于五盤區工作面采空區的氣體觀測，可建立簡易束管采樣系統。簡易束管采樣系統由束管管纜、氣囊、小型真空泵(2X－4G)、手動取樣器、保護套管和采樣探頭組成，觀測范圍200～300 m。簡易束管采樣系統示意圖見圖2。

2 自燃防治措施

據歷史資料統計表明，保德礦及周邊礦井從開采至今，8#煤層未發生過煤自燃發火事故。隨著不斷開采，使得采空區的范圍越來越大，由此形成的密閉也會更多，并且隨著井下風量和負壓的進一步增大，造成遺煤更多與空氣進行接觸，極易形成煤自燃發火隱患。“預防為主、綜合治理”是礦井火災防治工作的指導方針，目前，防治自燃火災的技術主要包括堵漏、注漿、噴灑阻化劑、注惰氣、注凝膠和泡沫材料等。根據《煤礦建設項目安全設施設計審查和竣工驗收規范》(AQ1055－2008)規定，開采容易自燃或采用放頂煤開采自燃煤層的礦井，必須設計以灌漿為主的兩種以上綜合防滅火措施。結合保德煤礦實際生產情況，確定選擇以灌漿、注氮為主的綜合防火措施。

圖2 簡易束管采樣系統示意圖

2.1 灌漿防滅火

保德煤礦礦井上、下高差小(工業廣場至工作面的高差為70～270 m)，井田面積大(55.9 km2)，輸送距離遠(最遠可達13 km)，地面灌漿輸送倍線明顯不夠，如式(1)。采用地面分區注漿站受到山區地表等條件限制，可行性小。而且保德煤礦大多為大采高工作面，采空區為高頂高冒狀態，灌入低濃度漿液會沉淀拉溝，達不到預期目標［2］。

保德礦注漿管的倍線為:

式中:

N—輸漿倍線，一般控制在3～8之間;

L—漿液自地面管路的入口至灌漿區管路的出口管線總長度，m;

H—漿液入出口之間的高差，m。

所以保德礦注漿倍線太大，不利于漿液輸送，故不能采用地面集中灌漿系統。因此，采用井下移動灌漿系統，向采空區灌注高濃度泥漿或化學漿液，應是首選方案。

根據礦井防火注漿量，每個工作面配備1臺注漿裝置，因此，設計選用3臺ZHJ－1.2/12型井下移動式防滅火注漿裝置(2用1備)。泥漿輸送采用專用管路，為使注漿裝置達到更好的工作狀態，注漿裝置安放地點距離灌漿點距離盡量近些(小于500 m)。輸漿管路選用直徑為DN75 mm的無縫鋼管，沿工作面回風巷底板鋪設［3］。

依據煤的自燃傾向性和采煤方法，灌漿方法采用踏步式埋管灌漿，即隨著回采工作面推進，向采空區內埋設管道進行注漿(出漿口距工作面的距離應不小于30 m，由高位向低位注漿)，以充填采空區空隙，覆蓋采空區遺煤，防止采空區發生自燃。注漿步距確定為50 m。在工作面回采過程中，當推進速度大于防火最小推進度時，可不采取注漿防火措施。如出現自燃發火征兆(CO濃度呈上升趨勢或出現C2H4、C2H2自燃發火標志氣體)，及時向采空區注漿防滅火，直至自燃發火征兆消除為止。對布置一條回風巷的工作面注漿工藝見圖3(a)，布置兩條回風巷的工作面注漿工藝見圖3(b)。

圖3 埋管注漿工藝示意圖

當工作面采空區存在高溫點時，可在回風巷(或進風巷)靠工作面一側煤體內開辟鉆場，向采空區內打鉆，壓注阻化泥漿或膠體泥漿，見圖4。注漿鉆孔，鉆孔開孔孔徑應不小于d108 mm，終孔孔徑應不小于d89 mm，封孔要嚴密，鉆孔與輸漿管路的連接要牢固，并能承受最大的注漿壓力。鉆孔的布置必須能將火源包圍，能控制火源的發展以利于滅火。

圖4 鉆孔注漿工藝示意圖

火災區密閉后采用密閉墻插管注漿，從密閉墻上方的注漿管插到采空區，向采空區注漿，見圖5。此時，密閉墻的強度應滿足注漿的要求，注漿時應派專人監護，一旦發現有潰漿征兆時，應立即停止注漿。

圖5 插管注漿工藝示意圖

2.2 注氮防滅火

保德煤礦大多為綜放工作面開采，采空區為高頂高冒、丟煤多、空間大，單獨采用注漿措施難以達到防火效果，需要采用注氮的方法對采空區進行全方位惰化，抑制高頂高冒區的氧化自燃。因此，同時選擇注氮防火方案，作為綜放面采空區防火的另一主要方案。綜合考慮保德煤礦井下工作面實際布局情況，如建立地面固定式注氮防滅火系統，由于輸送管道系統較長(最大距離13 km)，注氮系統的管路出口壓力難以滿足大于0.2 MPa的要求，并且在日常管理上的難度較大，因此，選擇建立靈活機動的井下移動式注氮防滅火系統［4］。

注氮防滅火惰化指標:

1)采空區防火惰化氧濃度指標不大于煤自燃臨界氧濃度，根據8#煤層煤樣的臨界氧濃度鑒定結果表明，采空區防火惰化指標以7%作為設計依據。

2)惰化滅火氧濃度指標不大于3%。

3)惰化抑制瓦斯爆炸氧濃度指標小于12%。

根據礦井防火注氮量，選用2臺MD－1000型井下移動式膜分離制氮機。輸氮管路選用DN100無縫鋼管，長度約為3400 m。管口末端壓力為0.2 MPa的情況下，制氮設備的供氮壓力只需0.45 MPa。輸氮線路:移動式制氮機→工作面回撤通道→聯巷→輔運順槽→聯巷密閉→采空區，輸氮管路布置圖見圖6。

圖6 注氮系統示意圖

2.2.1 注氮防滅火工藝

注氮方式從空間上分為開放式注氮和封閉式注氮;從時間上分為連續性注氮和間斷性注氮。工作面開采初期和停采撤架期間，或因遇地質破碎帶、機電設備等原因造成工作面推進緩慢，宜采用連續性注氮;工作面正常回采期間，可采用間斷性注氮，如出現自燃發火征兆，及時向采空區注氮防火，直至自燃發火征兆消除為止［5］。

1)開放式注氮。當自燃發火危險主要來自回采工作面的后部采空區時，應該采取向本工作面后部采空區埋管注入氮氣的防火方法。具體方法如下:在工作面輔運順槽內鋪設一條注氮管路。當工作面回采一定長度(30 m)，聯巷打好密閉后開始注氮。當第二道密閉打好后，工作面向前推進20～30 m，此時關閉第一道密閉注氮管，同時開啟第二道密閉注氮管。

注氮管的埋設及氮氣釋放口的設置應符合如下要求:

a)保德煤礦綜放面采用兩進一回型通風，將注氮管鋪設在輔運順槽中，注氮釋放口設在聯巷密閉內，見圖7。

圖7 注氮管埋設及釋放口位置示意圖

b)氮氣釋放口應高于底板，位于聯巷密閉頂部，與工作面保持平行。

c)氮氣釋放口之間的距離，應根據采空區“三帶”寬度、注氮方式和注氮強度、氮氣有效擴散半徑、工作面通風量、自燃發火期、工作面推進度以及采空區冒落情況等因素綜合確定。由于保德煤礦無采空區“三帶”寬度數據，設計第一個釋放口設在起采線位置，其它釋放口間距為50 m。

2)封閉式注氮。封閉式注氮主要用已封閉的采空區進行防滅火，其注氮方法有以下三種:

a)鉆孔注氮。施注地點附近巷道向井下火區或火災隱患區域打鉆孔，通過鉆孔將氮氣注入火區。

b)插管注氮。工作面起采線、停采線、或巷道高冒頂火災，可采用向火源點直接插管進行注氮。

c)墻內注氮。利用防火墻上預留的注氮管向火區或火災隱患的區域實施注氮。

2.2.2 防止采空區氮氣泄漏的措施

采空區漏風狀態決定了氮氣在采空區內的滯留時間，同時也決定著間歇式注氮時的注氮周期。采空區的漏風強度越小，兩次注氮的間歇時間就越長，此時的注氮效果好且比較經濟。因此，采取措施減少采空區氮氣泄漏也是提高采空區注氮效果的有效途徑［6］。

1)直接堵漏措施。采空區直接堵漏措施是每隔50 m在采空區上、下隅角壘砂袋、注粉煤灰或噴涂聚氨脂等。

2)均壓措施。利用開區均壓的原理，降低工作面兩端(即進、回風側)壓差，從而減少漏風，起到防止或減少采空區氮氣泄漏的作用。

2.3 其它綜合防滅火措施的選擇

保德礦綜放工作面防火采用以灌漿和采空區注氮為主的防滅火措施。針對不同情況、不同地點還應采取以下輔助措施:

1)針對工作面回采異常時，除采用注漿、注氮外，還可以采用工作面調壓、上下隅角建立封堵墻等綜合防火措施。

2)對煤巷、聯絡巷、開切眼、停采線、煤柱等裂隙存在自燃發火危險時，可采用壓注阻化劑、化學凝膠等方法進行局部處理。

3)對采空區密閉加強管理，對可能存在漏風通道的地方進行漏風觀測，對易發生煤自燃征兆的采空區，采取加強封閉采空區措施。

3 結論

1)結合保德煤礦井下實際生產情況，針對性的設計出了井下自燃火災監測系統和煤炭自燃防治防滅火措施。

2)通過束管抽取監測點的氣樣，利用氣相色譜分析儀分析氣樣中標志性氣體組分濃度，并根據各組分濃度的變化對煤層氧化自燃過程進行判斷分析，從而及時有效地對煤炭自燃發火進行早期預測預報。

3)根據保德煤礦采用綜采放頂煤開采易發生自燃煤層的實際情況，設計出采用以灌漿、注氮為主，以調壓、建立封堵墻、注阻化劑、注凝膠、封閉采空區為輔的綜合防滅火措施，有效地解決了保德礦煤炭自燃的難題，取得了較好的效果。

［1］徐愛建，馬同福.束管自動監測系統預測預報自燃火災［G］//安全生產與可持續發展論文選編.濟南:山東省科學技術協會，2004:179－180.

［2］冀致森，喬雙樹，白常春.關于防滅火灌漿系統的研究［J］.山西焦煤科技，2008(7):18－19.

［3］王 菲.灌漿防滅火法及其應用［J］.山東煤炭科技，2012(2):21－22.

［4］蘭中田.綜放工作面注氮防滅火技術［J］.煤炭技術，2007，26(7):63－64.

［5］馬文瑞.淺析注氮防滅火技術在綜放工作面的應用［J］.科學之友，2007(B):25，27.

［6］俞學平，高正強，湯曉東，等.提高注氮防滅火效果的技術應用研究［J］.礦業安全與環保，2007，34(2):31－32.