深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術

朱　良，陳　朋，李　碩

(1．礦山災害預防控制－省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島266590; 2．山東科技大學礦業與安全工程學院，山東青島266590; 3.棗莊礦業(集團)付村煤業有限公司，山東濟寧273605)

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深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術

朱良1，2，陳朋3，李碩3

(1．礦山災害預防控制－省部共建國家重點實驗室培育基地，山東青島266590; 2．山東科技大學礦業與安全工程學院，山東青島266590; 3.棗莊礦業(集團)付村煤業有限公司，山東濟寧273605)

［摘要］為了能夠更好地應對深井厚煤層開采帶來的煤層自然發火的嚴峻形勢，在對現有礦井防滅火技術進行分析的基礎上，對大采深厚煤層特點下的綜放面回采期間防滅火技術進行了研究。結合工作面現場情況和煤氧化實驗，提出了以采空區局部溫度、指標氣體監測為主，以注漿防滅火、構筑隔離墻、采空區注氮為輔，以及斷層處施工高位防滅火鉆孔的綜合防滅火技術措施，并對各個措施進行了合理研發設計。在煤礦現場進行應用后，經測定，回風巷及隅角CO濃度穩定在24×10－6以下，取得了良好的效果。

［關鍵詞］深井;厚煤層;煤氧化實驗;指標氣體;監測;防滅火技術

［引用格式］朱良，陳朋，李碩.深井厚煤層綜放面回采期間防滅火技術［J］.煤礦開采，2015，20 (2) : 98－101.

Fire Prevention Technology of Full-mechanized Caving Mining Face in Thick Coal-seam in Deep Mine

我國煤層自然發火現象非常嚴重。根據國家煤監局統計，我國煤礦中有56%左右的礦井存在煤層自然發火危險，在已開采過的200多個綜放面中，僅井下自燃火災事故就高達182次［1］。由煤炭自燃火災誘發瓦斯、煤塵爆炸事故時有發生，不僅造成企業財產損失，而且嚴重威脅著井下工作人員的生命安全。特別是隨著煤炭行業的發展，淺部資源正在日趨減少，甚至枯竭，煤礦開采正逐步向大深度方向發展。由深部開采帶來的井下溫度高、礦壓大等問題使得煤層自然發火的形勢不容樂觀，尤其在開采厚煤層過程中采空區冒落大、遺煤及漏風嚴重等問題更加促使了煤層自然發火，給今后的煤礦安全生產和礦井建設帶來了許多新的挑戰。

為防止煤礦自燃災害的發生，國內外專家做了大量的研究，逐步形成了一系列相關的防滅火技術措施，如均壓防滅火、注滅火材料(凝膠、高分子材料、惰性氣體)等［2－3］，這些措施的實施對保證煤礦企業的安全生產起著重要的作用。總體來看，各類防滅火技術各有特點，適用于各類不同的環境。但是，煤層自燃火災是一個復雜的過程，受到多種因素的影響，尤其是在大采深厚煤層條件下，井下條件復雜、煤層溫度高、礦壓大、遺煤及裂隙漏風嚴重等問題［4］，要求建立有效的防滅火體系。為此，開展了深井開采厚煤層的防滅火技術研究，從隔絕氧氣和降低煤層溫度兩方面出發，在綜放面建立了綜合有效的防滅火體系，這對今后進一步開發利用深部煤炭資源具有重要的意義。

1　試驗煤礦綜放面概況

棗礦集團付村煤礦1306綜放面開采深度為660m，煤層平均厚度8.8m，走向平均長2004.7m，傾斜寬220.11m，工作面采用運輸巷進風軌道巷回風通風方式，自東向西推進，配風量為1430m3/ min。工作面經鑒定自然發火危險等級為Ⅱ級，屬自然發火煤層。此外，1306工作面煤層所屬3煤層，內生裂隙發育，煤塵具有爆炸危險，爆炸指數為37.42%。同時，1306綜放面地質構造以C8向斜和C8－1背斜為主，運輸巷掘進過程中揭露斷層17條，軌道巷揭露斷層14條，切眼揭露斷層2條，除EF122為逆斷層外，其余斷層均為正斷層，1305運輸巷采空區與1306軌道巷采空區煤柱已壓垮，漏風通道聯通2個采空區，受多種因素影響，煤層波狀起伏，產狀變化較大，裂隙及斷裂發育，漏風嚴重，采空區出現自燃現象，回采過程中工作面的防滅火形勢嚴峻。

2　正常回采期間防滅火體系構建

為了解決1306工作面正常回采期間防滅火問題，采用以采空區局部溫度、指標氣體監測為主，以注漿防滅火、構筑隔離墻、采空區注氮為輔，以及斷層處施工高位防滅火鉆孔的綜合防滅火技術。

2.1煤炭自燃的氣體及溫度監測

為了能夠對工作面煤層自然發火狀況進行有效地預判和掌握，建立相應的煤層自燃預報體系是十分必要的。由于煤在自燃過程中，會產生多種氣體，在一定程度上反映出井下狀況，因此，確定采用標志氣體分析法與局部測溫法相結合的方法對工作面煤炭自燃進行充分地預測與分析。

需要通過升溫條件下的煤炭氧化自燃實驗來確定煤自燃指標氣體。煤氧化實驗系統主要由程序控溫爐、煤樣罐、測溫元件、氧氣分析儀和計算機等構成［5－6］。如圖1所示。

圖1　煤氧化實驗系統

實驗過程中，將工作面采集的新鮮煤樣進行破碎篩選，以40～80目的顆粒40g作為實驗煤樣。由于控溫爐通氣量設定為50mL/min (即采空區風速達到0.1m/min)時，煤炭最容易被氧化。因此，設定升溫實驗條件為: 50mL/min通氣量，30～180℃升溫范圍，1℃/min升溫速率。測定模擬實驗中煤樣產生的氣體濃度結果，如圖2所示。

圖2　煤樣中各種氣體濃度隨溫度變化曲線

通過實驗結果可以確定煤自燃指標氣體為CO，并以C2H4，C2H2作為輔助指標氣體對煤炭自然發火情況進行監控。在工作面日常管理中，需要實時檢測并分析井下工作面CO，C2H4和C2H2含量及溫度的變化量，當CO的濃度一直增大，且上升速率明顯加快，說明煤溫已經處于90℃左右，需提高警惕，做好防滅火的防范準備工作;一旦在空氣中檢測到C2H4，且濃度不斷升高，或檢測出C2H2時，說明此時1306工作面煤的溫度處于120℃甚至以上的高溫，需立即采取相應措施，遏制煤炭自燃災害的進一步惡化，做好有效的防滅火工作。

在1306工作面回采過程中，在回風隅角、軌道巷中間距其開門點10～15m (初期)、1305運輸巷與一采區軌道巷7號聯交東10～15m (后期)、采空區等地安設CH4，CO，C2H4等氣體和溫度傳感器，結合礦井安全監測系統對工作面危險區域的相應指標進行連續監測，為實時可靠預測預報工作面自然發火提供技術參數。

2.2注漿防滅火技術設計

采用注漿防滅火技術措施的目的是通過吸熱降溫進行防滅火。針對1306工作面現場情況，在其自燃隱患地點實施注漿的防火措施，開采初期實行埋管注漿，中后期改為拖管注漿，隨工作面的推進而隨時向采煤面的推進方向拖動，從而使采煤面防火工作實現隨采隨注的目標，使注入采煤面的漿液均勻分布，以達到較好的防火效果。

采用北風井制漿站或礦內制漿站集中制漿，管路靜壓注漿方式，裝備2臺NJ－12型黏土制漿機，用于破碎黃土制成泥漿，由1個8m3制漿池，1個10m3儲漿池組成。

注漿設備利用－530m注漿站，用于破碎黃土制成泥漿，利用QBK30/22型排沙泵及TBW－250注漿泵作為輸漿動力，安設1臺KSB－2型礦用發泡劑定量添加泵，一是用作三相泡沫動力，二是調節三相泡沫用量。其制備流程見圖3。

圖3　三相泡沫制備流程

注漿材料根據井下現場監測情況及地上實驗，三相泡沫的最佳配比為黃泥漿的質量分數為4%，發泡劑的質量分數為0.3%，其中泥漿的制備按水、黃土與阻化劑之比為4∶1∶0.05的比值進行制備。其中加發泡劑管路見圖4。

圖4　加發泡劑管路布置

注漿時間及注漿量每天1班進行注漿，且每班三相泡沫的灌注量不得少于30m3。在1306工作面檢測到煤炭自然發火跡象時，需增加注漿班次，并加大注漿量。

2.3構筑隔離墻

1306綜放面兩端頭的頂煤難以回收，兩端頭各有3架支架不放煤，同時受開采煤層較厚、開采環境及煤質的影響，在采空區容易形成較寬的遺煤帶，特別是兩端頭丟失的頂煤冒落后堆積。大量的遺煤與適量的漏風成為工作面自燃火災的一大隱患。

在1306綜放面正常回采期間，為了消除上述隱患，決定采取構筑隔離墻的防滅火措施。在其進風巷和回風巷每隔25m距離設置1道隔離墻，厚度為1.3m，并保證其接頂接底，嚴密不透風，以封堵采空區空間的漏風，對工作面后部采空區實行均壓，增加窒息帶長度，以降低采空區浮煤自然發火的危險程度。隔離墻的具體布置如圖5所示。

圖5　隔離墻的設置

2.4注氮防滅火技術設計

注氮防滅火技術措施是將N2送入危險區域，盡可能降低該區域空氣中O2濃度，使其無法達到煤炭自然發火的臨界濃度，從而達到隔絕O2的目的。在1306工作面正常回采過程中，針對采空區應采用常規注氮與發火注氮相結合，始終堅持“預防為主，防滅兼顧”的原則，對采空區防滅火進行有效地預防和控制。

防滅火注氮量煤礦井下工作面受采空區、氧化帶空間大小、地質條件及氣體成分等多種因素影響，其防滅火注氮量一般很難確定，目前較為常用的計算方法分別為按采空區氧化帶氧含量、按工作面產量、按工作面瓦斯量計算3種［7］，為此，首先利用上述3種計算方法對1306工作面的防滅火注氮量進行了計算，其計算結果見表1。根據理論計算結果，并結合1306工作面實際情況，最終確定工作面的注氮量為2000m3/h。

表1　注氮量計算理論值

制氮設備依據上述計算結果，安設3臺制氮機，分別為JXZD700型2臺，800型1臺作為備用，總制氮量2000m3/h。

注氮要求適時測定制氮機制出的N2中O2濃度，發現O2濃度大于3%時，及時采取措施降低輸出流量，確保制出的N2濃度大于97%。每個制氮機制氮時間保證5h。

注氮工藝利用1306軌道巷尾巷3201運輸巷預留的通1306開切眼的注漿管對1306切眼采空區區域進行注氮。

2.5斷層處的防滅火處理設計

在1306綜放面正常回采過程中，一旦到達FS8斷層、FS6斷層，需加快回采速度，減少位于2個斷層帶的回采時間，將斷層破碎煤體區域甩入采空區窒息帶，以防止采空區破碎煤體再次自燃氧化。同時，處于斷層處的回采期間還需采取注膠防滅火技術。

施工設計首先在1306軌道巷FS6斷層處沿空側補打防火鉆孔，并打通1305運輸巷3煤頂板，全長封25.4mm鋼管，末端帶1m花眼，并在1306軌道巷端頭頂板處向采空區方向施以同樣透過3煤頂板的防火鉆孔。如圖6所示。

圖6　FS6斷層處施工防火鉆孔

注膠工藝選用QZB－50/6型風動雙腔泵，用同體積2個鐵箱作配料注膠用桶，每個桶的體積為0.5m3。通過配比實驗確定促凝劑質量分數為4%、水玻璃質量分數為13%為最佳配比。當混合液充分混合成膠后啟動泥漿泵，利用泵進行噴注工作，把膠體噴注至工作地點。為保證工作的連續性，2個水箱交替配料使用。圖7為壓注系統圖。

圖7　壓注系統

3　防滅火技術效果分析

1306綜放面在整個回采過程中，對工作面采取“隨采隨注”、構建隔離墻、注氮等一系列有效的防滅火措施，未發現工作面溫度過高及CO異常現象，并對1306工作面隅角、回風巷內的CO氣體濃度及溫度進行了統計，發現工作面CO濃度始終穩定在24×10－6以下。實踐表明，1306綜放面采取的綜合防滅火措施是安全合理的，有效保證了1306綜放面的安全回采。工作面取樣氣體濃度及溫度變化如圖8、圖9所示。

圖8　1306綜放面回風巷CO、溫度變化

圖9　1306綜放面隅角CO、溫度變化

4　結論

(1)工作面正常回采時期，需對采空區CO，C2H2，C2H4氣體濃度及兩巷未放煤部位溫度進行實時檢測，從而對工作面煤炭自然發火進行充分的預測與分析，做好防范工作。

(2)針對大采深高地溫綜放面特點，從隔絕O2和降低煤層溫度兩方面出發，采取了注漿防滅火、構筑隔離墻、采空區注氮以及斷層地區施工高位防滅火鉆孔進行注膠的綜合防滅火技術措施。并最終形成了針對深井厚煤層的防滅火體系，保證了工作面的正常開采。

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［責任編輯:鄒正立］

［作者簡介］朱良(1989－)，男，山東萊蕪人，在讀研究生，從事災害監測與控制等方面的研究。

［DOI］10.13532/j.cnki.cn11－3677/td.2015.02.027

［收稿日期］2014－04－30

［中圖分類號］TD75

［文獻標識碼］B

［文章編號］1006-6225 (2015) 02-0098-04