特厚自燃煤層綜合防滅火技術實踐

張靈濤

(同煤集團同家梁礦，山西 大同 037025)

礦井火災是煤礦的五大災害之一，特別是采空區浮煤發火，由于其隱蔽性，不容易察覺，一旦產生大范圍發火，勢必會造成不可估量的人身、財產損失[1-5]。對特厚自燃煤層綜合防滅火技術進行實踐分析，對于類似礦井的防滅火工作具有重要指導意義。

1 工程概況

小峪礦8206工作面位于19#層402盤區，由2206、5206兩順槽巷、8206頂回風巷及切眼構成。8206工作面北部為同層的8204采空區，南部為實煤區，西部為402盤區回風巷、軌道巷、皮帶巷，東部為礦界與懷仁蘆子溝煤礦相鄰。工作面所采19#層為特厚煤層，煤層厚度9.85～11.55m，平均厚度10.75m，煤層較穩定，變化較小。煤層產狀走向127°，傾向北東，傾角3°，煤層結構較穩定。8206工作面瓦斯絕對涌出量為10.67m3/min，二氧化碳絕對涌出量1.6m3/min，瓦斯相對涌出量1.03m3/t，二氧化碳相對涌出量0.57m3/t。8206工作面煤層有煤塵爆炸性，煤層煤樣自燃傾向性等級屬Ⅱ類，自燃，最短自然發火期天數為80d。工作面平面布置見圖1所示。

圖1 工作面平面布置示意圖

2 工作面回采期間綜合防滅火措施

為防止煤層自然發火引起的一系列災害問題，堅持以預防為主，防控結合的原則，采用黃泥灌漿、注氮和噴灑阻化劑相結合的綜合防滅火措施處理采空區自然發火，保證礦井安全生產。

2.1 黃泥灌漿

根據小峪礦開采布置特點及圍巖性質，井下采用隨采隨灌、埋管灌漿，設計采用分段注漿，分段長度30m。

（1）埋管灌漿和灑漿相配合。在回采前沿5206回風巷在采空區預先鋪好灌漿管，平行于回采工作面橫向埋管50m（DN40無縫鋼管），沿回風順槽方向豎向埋管20m（DN40無縫鋼管），兩管路相通，回采后立即灌漿，隨工作面推進，按移架步距用回柱絞車牽引灌漿管，牽引一次灌一次漿。并從灌漿管道接出一段膠管，沿傾斜方向20m一段，向采空區均勻灑漿。

（2）灌漿參數。灌漿泥水比為1:4，實際灌漿過程中可根據泥漿流動效果及采空區充填情況調整泥水比。礦井移動防滅火注漿裝置出口壓力為4 MPa。灌漿工作與礦井井下工作同步，每天三班灌漿，純灌漿時間12h。

2.2 注氮防滅火

（1）注氮工藝。采用埋管注氮，注氮方式為“踏步后退式”。在8206綜采工作面的進風側沿采空區埋設兩趟注氮管路，分1#管路和2#管路，均為4寸鋼管，1#管路鋪設于工作面后溜子處，2#管路鋪設相對1#管路后推30m。采空區氧化帶為30～60m，因此當1#管路埋入采空區氧化帶30m時，開啟1#注氮管路，當1#管路埋入60m時，停止1#管路，此時2#管路埋入采空區氧化帶30m，開啟2#注氮管路，同時將1#管路末端拆除，如此循環往復直至工作面回采結束。管路鋪設見圖2所示。

圖2 注氮管路鋪設及釋放口位置

（2）注氮量計算。根據相關要求，采用如下公式計算工作面注氮量。

式中：

QN-注氮流量，m3/h；

Q0-采空區氧化帶內漏風量，現取9m3/min；

C1-采空區氧化帶內平均氧濃度，20%～10%，取15%；

C2-采空區惰化防火指標，取8%；

CN-注入氮氣中的氮氣濃度，取98%；

K-備用系數，一般取1.2～1.5，現取1.2。

通過計算可知，8206綜放工作面防滅火注氮流量為756m3/h。

（3）安全通風量計算。計算在輸氮管路沿途或工作面，輸送氮氣全部泄漏能否造成泄漏區缺氧（按安全氧濃度指標18.5%），采用下式計算：

式中：

Q0-工作場所的安全通風量，m3/min；

QN-最大氮氣泄漏量，12.6m3/min；

CN-泄漏氮氣中的氮氣濃度，98%；

C1-工作面或巷道中原始氧氣濃度，一般取20.8%；

C2-工作場所的安全氧濃度指標，18.5%。

按照輸送756m3/h的氮氣全部泄漏，計算得安全風量為103m3/min，實際輸氮管路所經巷道風量均大于150m3/min，能夠滿足安全通風需要。

（4）注氮措施。注氮的氮氣濃度不得低于97%，低于97%立即停止注氮，嚴格堅持“少量多注”多循環進行注氮。注氮時間每循環1h，每小時注氮量756m3，停1h再進入下一循環。由當班瓦斯員立即進行工作面、上隅角和回風順槽氣體檢測，若發現瓦斯和一氧化碳濃度達異常則及時向調度室匯報進行處理。建立專用的注氮記錄本和臺帳，以便對注氮情況進行分析。

2.3 阻化劑防滅火

采用BZ-40/3型噴霧泵，阻化劑使用MgCl2，濃度為20%。噴霧泵安設在2206巷，將阻化劑放入水箱，按20%的比例配置，利用噴霧泵送至工作面。在檢修班進行噴注，每次噴注3.5h，在溜頭與溜尾固定噴頭各注1h，然后工作面每3架用可移動噴頭向支架后采空區底板以及工作面底板進行注噴一次，累計噴灑時間1.5h。若下隅角出現大量積水，則停止噴灑阻化劑。在中班對后溜浮煤噴灑阻化劑。

3 特殊時期工作面防滅火措施

3.1 初采期間專項防滅火措施

（1）初采期間發火原因分析。工作面初采時，由于不放頂煤，導致移架后大量已達到發火期的煤炭被丟入采空區，采空區極易自燃。且初采期間采空區沿走向范圍窄，不能實施注氮、注漿等防滅火措施，加大采空區自然發火的可能性。

（2）初采期間防滅火措施。采取阻化劑噴灑小范圍垮落煤體為主，結合加快工作面推進速度減短工作面浮煤暴露時間為輔的防滅火措施。具體為：對開切眼附近煤壁加強噴漿，確保無浮煤、無裸露煤體；加快工作面初始推進速度，不低于3m/d；工作面開始推進時，在工作面端頭支架上安設阻化劑氣霧噴灑裝置，對工作面浮煤噴灑阻化劑材料，對采空區垮落的浮煤采取人工噴灑阻化劑；工作面預埋注氮管路，一旦注氮管口埋入采空區30m時，即可按照正常回采期間注氮要求進行注氮；預埋束管取樣分析采空區氣體變化情況，及時采取相應措施。

3.2 停采撤架期間專項防滅火措施

（1）停采撤架期間發火原因分析。① 小峪礦19#煤層的最短自然發火期為80d，工作面推進速度正常為3m/d，根據采空區三帶考察，采空區約30m以里為窒熄帶，在撤架期間，采空區氧化帶與窒息帶交界地方浮煤將進一步氧化，極易自燃。② 撤架時采空區內巖石經常垮落，破壞采空區浮煤的漏風氧化通道，而支架上方卻存在固定的漏風氧化通道，再加上支架上方的氧含量一般為15%～18%，為最易氧化的氧含量范圍，因此支架上方的碎煤比采空區浮煤更易氧化自燃。

（2）停采工作面專項防滅火措施。① 在安全的前提下做到低風量、低風壓通風；② 通過預埋注氮管路對停采線位置和停采線后采空區進行大量注氮；③ 在撤架處掩護支架上安設一組氣霧噴霧裝置，使溶液霧化后能隨風流進入撤架后采空區，有效防止撤架后塌落煤體氧化自燃；④ 工作面停采后40d以內撤出工作面所有設備，并及時密閉工作面；⑤加強對工作面撤架處、回風流、采空區的氣體監測，發現異常及時匯報并采取相應措施進行處理。

3.3 封閉工作面火災防治專項措施

封閉工作面火災防治具體措施為：① 密閉間嚴格按設計要求充填粉煤灰，必須接頂嚴實，不留空洞；② 在密閉施工過程中，加強施工地點及其回風流中有毒有害氣體檢查，發現異常，立即斷電撤人，并及時匯報；③ 在密閉施工過程中，維護好施工巷道內所有的監控設備，確保監測系統暢通、監測數據準確可靠；④ 密閉工程完成后，通過束管監測系統對密閉內氣體情況進行實時監測。每周對預報氣體取樣檢測，出現異常時對密閉內進行補充注漿。

4 現場實施效果分析

8206工作面采用以上防滅火措施進行治理后，采用JSG-8礦井火災氣體束管監測系統，對8206工作面采空區氣體進行現場連續檢測。通過現場檢測可知，工作面CO檢測最大值為18ppm，工作面回采期間及回采結束后均未發生CO報警現象，CH4、CO氣體一直保持在穩定的水平，說明以上措施取得了良好的防控效果，可為今后19#煤層綜放開采提供寶貴經驗。

5 結論

（1）針對自燃煤層，為防止煤層自然發火引起的一系列災害問題，應采用以預防為主，防控結合的原則，采取黃泥灌漿、注氮和噴灑阻化劑相結合的綜合防滅火措施處理采空區自然發火。

（2）工作面初采、停采撤架、停產等特殊時期，由于工作面不放頂及工作面推進速度不穩定，導致采空區浮煤氧化加劇，必須制定相應的專項防滅火措施，及時處理采空區。

（3）8206工作面采取黃泥灌漿、采空區注氮、噴灑阻化劑以及特殊時期的專項防滅火措施后，通過束管觀測顯示工作面CO檢測最大值為18ppm，工作面回采期間及回采結束后采空區的自然發火現象均能得到有效控制。