綜合防滅火技術在馬脊梁礦綜放工作面的應用

薛緯

關鍵字 綜合防滅火；注氮；漏風通道

1 工作面概況

馬脊梁礦石炭系3#煤層自燃傾向性等級為：Ⅱ級，自燃傾向性為：自燃，最短自燃發火期為52天，原煤的吸氧量：0.50 cm3/g。3#煤層8101 工作面煤層厚度5.90～8.40 m、平均7.10 m，綜采放頂煤工藝開采，工作面長度239.4 m，傾向長度1 960 m。工作面進、回風巷沿煤層底板布置，頂回風巷沿煤層頂板布置，采用皮帶巷進風，回風巷、頂回風巷回風的“一進兩回”通風方式。

石炭系3#煤層上覆為侏羅系11#、14-2#、14-3#煤層406 盤區，煤層間距100 m 左右，回采期間各煤層上下均存在塌通現象。11#層402、404、406盤區周圍為蔡家坪、甘溝、南廟小窯破壞區，該三座小窯存在火區，采空區塌通后，受馬脊梁礦負壓影響，直接將小窯內火區有害氣體帶入馬脊梁礦，并形成漏風通道，隨著工作面的不斷推進，發火勢必成為制約工作面安全生產的隱患。因此，制定有針對性的防滅火技術措施，消除火災隱患是工作面安全生產的重點[1]。

2 綜合防滅火技術

2.1 地表裂隙充填

石炭系3#煤層8101 面回采期間與上覆侏羅系14-2#、14-3#煤層406 盤區塌通后，受主要通風機負壓影響，形成采空區漏風通道，為避免上覆有害氣體下泄，對上覆對應的地表裂隙進行了排查與充填，共充填黃土50 425 m3，有效的進行了堵漏。

2.2 西一回風斜井擔負區域降阻

對石炭系回風流流經的11#層總回305盤區軌道、皮帶、回風巷三座風橋進行了拆除、充填；對侏羅系11#層局部阻力大的區域進行了斷面擴大，達到10 m2以上；對11#層軌道巷通1136大巷的擋風墻進行了拆除，減少了局部阻力，總計降阻230 Pa。

2.3 工作面綜合防滅火方法

石炭系3#煤層8101工作面開采煤層屬自燃煤層，所以必須考慮對煤層自然發火采取綜合防治措施，采取以注氮為主，阻化計噴灑、端頭封堵等為輔的綜合防滅火措施來預防工作面自然發火[2-3]。

2.3.1 注氮系統

氮氣是一種氮惰性氣體，隨著空氣中氮氣含量的增加，氧氣含量必然降低。據有關資料介紹：當氧氣含量低到5～10%時，可抑制煤炭的氧化自燃；氧氣含量降至3%以下時，可以完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復燃。基于上述氮氣的性質及煤的氧化機理，向采空區及遺煤帶注入氮氣，使其滲入到采空區冒落區、裂隙帶及遺煤帶，降低這些區域的氧含量，形成氮氣惰化帶，可達到抑制采空區自燃。石炭系3#煤層8101工作面正常開采期間，井下用移動注氮機對該面采空區進行注氮。

（1）制氮能力的確定

本著滿足3#煤層8101綜放面注氮防滅火需要，又兼顧全礦達產后防滅火的需要，制氮能力的確定主要依據MT/T701-1997《煤礦用氮氣防滅火技術規范》，現依據3#煤層8101 綜放面的設計能力為300 萬噸，“四六”工作制，按330天計算，日產原煤9 091 t。

按采出的空間，即在單位時間內注氮充滿采煤所形成的空間使氧氣濃度降到惰化指標以下計算注氮量：

式中：A——年產量，t，3#煤層8101 工作面年產量3 Mt/a；

t——年工作日，300 d；

ρ——煤的密度，1.4 t/m3；

n1——管路輸氮效率，90%；

n2——采空區注氮效率，80%；

C1——采空區空氣中氧的含量，20.8%；

C2——采空區防火隋化指標，7%。

由上式可得3#煤層8101工作面采空區需氮量為：

按采空區氧化帶氧含量計算注氮量：

式中：Qv——采空區氧化帶漏風量，m3/min；

C1——采空區氧化帶內平均氧濃度，%；

C2——采空區惰化防火指標，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；

Cn——注入氮氣的濃度，%。

由上式可得3#煤層8101工作面采空區需氮量為：

根據計算結果，并結合同忻礦、塔山礦的成功經驗，3#煤層8101工作面防滅火注氮量取14 m3/min（840 m3/h）。

（2）制氮機的型號及參數

馬脊梁礦井下穩設四臺膜分離式井下移動式制氮裝置對采空區進行注氮防火。二臺運轉，二臺備用。型號為：MD-1200，注氮量為1 200 m3/h。滿足3#煤層8101工作面需足夠的備用。

（3）3#煤層8101工作面輸氮管網設計

注氮機安設在3#層I 盤區注氮機硐室內。正常生產期間注氮路線為：3#層I 盤區注氮機硐室→3#層I 回風巷→2101 巷回風繞道→2101 進風順槽→3#煤層8101 工作面古塘氧化帶；停采期間注氮路線為：3#層I盤區注氮機硐室→3#層I 回風巷→5101 巷回風繞道→5101回風順槽→3#煤層8101工作面停采線。

選用φ 273 mm無縫鋼管，一趟沿2101巷布置，總長度2 110 m，另一趟沿5101巷布置，總長度600 m，各管路均采用法蘭連接。

（4）注氮防滅火工藝和方法

根據本礦井的開拓布置、煤層自燃傾向、發火周期和工作面開采情況，采用埋管注氮工藝。具體作法是在3#層8101綜放面的進風端頭沿采空區埋設一趟273 mm鋼絲纏繞管路，并與進風巷主注氮管路對接（鋼管隨推進度逐漸回撤）；當管路埋入古塘50 米后開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路（注氮管口的移動步距為50米），當第二趟注氮管口埋入古塘50米后向采空區注氮，同時停止第一趟管路的注氮，并又重新埋設注氮管路，如此循環，直到工作面停采線為止。回風巷注氮管接至停采線往里20 米內，當停采撤退期間，進行注氮，直至工作面封閉。

注氮方式根據對火情的預測情況，當工作面推進正常，根據采空區注氮量需求，每天注氮不小于10h。

2.3.2 端頭封堵

端頭封堵作為防滅火的輔助手段，能有效減少采空區漏風、縮短采空區氧化帶長度，降低采空區自然發火隱患。在工作面頭、尾部每隔20米各構筑一道粉煤灰墻，頭部每3～5 米吊掛一道風障封堵墻必須從煤幫構筑到后溜尾處，確保將端頭封堵嚴實。

2.3.3 采空區噴灑阻化劑

阻化劑的藥液濃度是使用阻化劑防滅火的一個重要參數，它決定防火效果，又影響噸煤成本。采用20%濃度的MgCL2溶液，其阻化率較高，防火效果較好。

噴灑阻化劑系統：在泵站列車掛兩個平板車，一個平板車上安裝一臺三柱塞高壓泵，另一臺平板車上安裝1.2 m×1.5 m×1.2 m 的水箱，水箱盛放MgCL2液。10 m×φ 50 mm高壓吸液管、型號為TJ02A三柱塞高壓泵一臺，50 m×φ 50 mm的高壓排液管，沿工作面方向支架處設5段各50 m×φ 40 mm軟膠管，每段膠管用三通閥門連接，通過噴液嘴噴灑MgCL2液。

阻化劑噴灑工藝：

①工作面切眼、停采線噴灑

在綜采工作面切眼、停采線以及兩端頭處，噴灑MgCL2溶液要求全面積覆蓋底板。切眼和停采線的煤柱煤壁采用噴灑阻化劑（泡沫），將裸露煤體封閉。

②工作面回采過程中的氣霧阻化

在工作面回采過程中，采用機動性噴灑壓注工藝。噴灑壓注設備安裝在2101 巷。配置好的阻化液通過TJ02A 三柱塞高壓泵，經管路霧化器借助漏風噴向采空區。

③工作面回采結束密閉

當工作面回采完畢后，在密閉墻往工作面方向50米范圍內，頭尾巷全部噴注阻化劑，防止采空區自燃。

工作面最小控頂距5.735 m，最大控頂距6.535 m。所以按工作面最小控頂距為一次噴灑寬度，即噴灑寬度為5.735 m。工作面每天在檢修班噴灑一次，工作面一次噴灑量包括底板浮煤和護頂煤的噴灑量。

1）工作面底板浮煤噴灑量

式中G1——按重量計算底板浮煤一次噴灑，kg；

K1——一次噴灑加量系數，取1.2；

K2——松散煤（浮煤）的密度，t/m3；

L——工作面長度，m；

B——一次噴灑寬度，m；

h1——底板浮煤厚度，m，取0.02 m；

A1——原煤(浮煤)的吸藥液量，kg/t；則本礦工作面底板浮煤一次噴灑量為：

2）工作面護頂煤噴灑量

綜放工作面的過渡支架和端頭架需要對其頂煤噴灑阻化劑。

G2=K3LBhA1

式中G2——按重量計算護頂煤一次噴灑量，kg；

K3——護頂煤（原煤）的密度，t/m3；

L——護頂長度，m；

B——次噴灑寬度，m；

h——頂板浮煤厚度，m，取0.002 m；

A1——護頂煤的吸藥液量，一般為11 kg/t；

則本區工作面護頂煤浮煤一次噴灑量為：

工作面一次噴灑所需阻化劑用量為：

2.3.4 火災監測與治理

工作面開始推進時，由于此時工作面推進速度很慢，需要加強自然發火預測預報工。工作面推進一定距離后，即可對采空區內連續注入高純度小流量的氮氣。若出現自燃，則在進、回風巷內向切眼打鉆孔注入MgCL2或防滅火膠體滅火。

工作面推過切眼進入氧化帶后，應向切眼區域注入氮氣，使該區域得到惰化。當采空區內出現一定量的CO，可判定浮煤處于緩慢氧化階段時，可每天不少于10h向采空區注入氮氣。當采空區或工作面出現一定量的CO和C2H4，可判定浮煤處于加速氧化階段時，可每天向采空區注入氮氣，并進行火災隱患部位注入MgCL2滅火。當采空區出現一定量的CO、C2H4和C2H2，可判定處于劇烈氧化階段時，可每天24h 向采空區注氮和火災隱患部位注入粉煤灰（黃泥）、MgCL2滅火。在有條件的情況下，由地面鉆孔注漿充填滅火。

當工作面因故停采和推進速度慢時，應加強上、下隅角和支架上方自然發火預測預報工作；如出現較長時間的停采，每天應向采空區氧化帶進行連續24h 注氮。

工作面停采撤架時，在保證工作面和回風巷瓦斯不超標的情況下，應盡可能降低工作面通風量，并進行每班連續檢測，此時應進行采空區連續注氮和灌漿。

對支架上方管理溫度為30℃，使用紅外測溫儀檢測支架上方和支架間溫度，當出現明顯的煤壁和支架掛汗現象、焦油味、煙氣味或芳香味，應及時注水降溫，或使用注漿泵進行插管注防滅火膠體，有條件時進行鉆孔注MEA。若3#煤層8101 綜放工作面支架上部出現自燃現象，采用在支架間隙向上插管或鉆孔注入MEA等方法進行處理。

3 結論

通過采取注氮、端頭封堵、噴灑阻化計等綜合防滅火措施，在正常回采期間上隅角溫度保持在24攝氏度左右，CO濃度約為6～10 ppm；在撤退搬家期間CO濃度約為10 ppm，對采空區自然發火起到了抑制作用，為馬脊梁礦8101 工作面順利開采及撤退搬家提供了安全保障。