紫晟煤業2-101工作面綜合防滅火技術應用

胡亞琴

（霍州煤電集團職工培訓教育中心，山西 霍州 031400）

0 引言

由于我國大多數煤層都具有自燃性，火災已經成為礦井主要災害之一。近年來，我國礦井也出現了幾起大型火災事故，如雞西杏花煤礦“11·20”火災事故造成22人遇難；遼寧本溪黑煤窯“7·4”火災事故造成11人死亡；7臺河市景有煤礦“11·29”火災事故造成22人死亡等。這些事故都造成了巨大的人員傷亡和經濟損失，給礦井的安全生產敲響了警鐘。一些礦井火災常常會引發煤塵、瓦斯爆炸，更進一步加大礦井所受災害的程度［1-3］。礦井發生火災是由內部因素（煤自燃傾向性）和外部因素（堆煤、氧氣、外部聚熱環境）共同作用的，其中外因是關鍵［4-6］，因此，對于礦井火災事故的防治，主要從控制外部因素入手，避免出現堆煤，控制氧氣含量從而抑制煤氧化自燃。通過對回采工作面綜合防滅火技術的研究，建立工作面火災預測指標體系，總結火災的規律，從而制訂防滅火措施，更有針對性地防治礦井火災。

1 工作面概況

霍州煤電集團紫晟煤業2-101綜采工作面位于一采區，地面標高+551～+600 m，井下標高+110～+141 m，蓋山厚度430～482 m。工作面東側、西側無采掘活動，北側為一采區系統巷道，南側為井田邊界。工作面走向長度568.3 m，傾斜長度168.7 m。2-101工作面煤層為緩傾斜單斜簡單構造，煤層硬度f為2～3，屬于穩定性煤層。礦井主采2#煤層，煤層厚度3.5 m，平均傾角3°。頂底板主要由泥巖和砂巖構成。對礦井的2#煤層進行了煤自燃傾向性鑒定，鑒定結果見表1。2#煤層有自燃傾向，Ⅱ級自燃，自然發火期為93 d。

表1 2#煤層自燃傾向性鑒定表

2 工作面火災預測技術

2-101綜采工作面建立了以束管監測為主、人工取樣監測為輔的火災預測系統。通過對工作面煤自燃指標氣體和溫度進行監測，實時預測工作面火災發生狀況，并根據監測數據對工作面重點發火區域（如：本工作面采空區及上覆、相鄰工作面采空區等可能引發火災區域）制訂防滅火措施，從而避免工作面發生火災。

2.1 束管監測系統

2-101綜采工作面安裝了一套JSG-7型16芯煤礦自然發火束管監測系統，在工作面共布置監測點3個，測點布置在工作面回風上隅角處和采空區內，測點間距為20 m，沿著工作面回風巷底板外幫依次布置。每個監測點設置一個裝有保護套的測點采樣器，用來采集各類檢測氣體，并通過安裝在地面的抽氣泵將收集的氣體送入氣體分析儀進行分析。隨著工作面回采，設置的3個監測點依次進入采空區，當布置的最后一個監測點進入采空區20 m后，撤銷第一個監測點，依次按照相鄰20 m布置一個測點的規律重新布置，直到工作面回采結束后停止布置測點。當工作面回采到邊界位置時，3個測點的位置分別距工作面液壓支架5 m、15 m、25 m位置處。束管監測器測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 束管監測器測點布置示意圖

在監測點采集O2、CO2、CO、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等氣體送至地面進行分析，并通過煤自燃后的產物CO濃度對工作面火災進行預警。當監測點CO濃度超過警戒值0.002 4%時，則立即停止作業，通知人員撤離，直到CO濃度低于0.002 4%時，方可恢復作業。

若2-101綜采工作面發現異常情況，需利用人工取樣的方法對束管監測系統加以校正和檢驗，氣樣采集后在24 h內必須送至氣樣分析室進行數據分析，如超過24 h，需重新取樣，確保氣體分析數據準確。同時，定期由專人用CO檢測儀對采空區內和采面回風隅角檢測CO濃度，能夠在早期監測到自燃的臨界點。

2.2 工作面自燃監控

為了做好2-101綜采工作面自然發火預測預報工作，需要對工作面自燃進行監控。其具體措施為每周一次的采空區取樣分析，分析CO濃度和烷烴比，可通過束管監測和人工取樣兩種方法。通過紅外線遙感測溫儀遙測采空區溫度，及時掌握溫度變化。通過束管監測探頭監測工作面及回風隅角的自然發火情況。通過在回風順槽設CO探頭檢測回風風流中的CO變化，監控工作面及巷道的自然發火情況。

3 工作面防滅火技術

3.1 注氮防滅火

注氮防滅火技術原理是指利用氮氣作為惰性氣體，在常溫下基本不與其他物質發生反應［7-9］。而工作面氮氣濃度越高，氧氣濃度就會越低，當氧氣的濃度降至3%以下時，可以完全抑制煤炭的自燃和復燃。

工作面注氮量：2-101綜采工作面采用采空區鋪設注漿管路進行防滅火，根據束管監測系統，當CO濃度超過警戒值時，啟動注氮機進行工作面注氮防滅火。根據《MT/T 701—1997》標準可知，要想使工作面O2濃度降低至3%以下，則工作面注氮流量見式（1）。

式中：QN—2-101工作面注氮流量，m3/h；Q0—工作面采空區氧化帶漏風量，取值10 m3/min；C1—工作面采空區氧化帶平均O2濃度，取值13%；C2—工作面采空區惰化防火指標，取值7%；CN—工作面注氮濃度，取值98%；k—備用系數，取值1.2。

工作面注氮工藝：2-101綜采工作面采空區采用隨采隨注的注氮工藝，沿著工作面進風順槽埋設注氮管路，氮氣釋放口應高于底板，以90°彎管拐向采空區，與工作面保持平行，注意孔口不可向上，用石塊或木垛等加以保護。工作面應同時保證3個釋放口同時注氮，即通常第一個釋放口設在開切眼位置，第二個釋放口距切眼30 m，第三個釋放口距切眼60 m，第四個釋放口距切眼110 m。當布置第四個釋放口時，停止1號釋放口注氮，同時拆除，依次進行注氮。注氮工藝布置示意圖如圖2所示。

3.2 注漿防滅火

采用注漿防滅火主要有地面注漿和井下移動注漿兩種方式［10-12］，考慮2-101綜采工作面地質條件和經濟效益，采用井下移動注漿的方式。防滅火注漿材料主要是黃土漿液，也可在黃土漿液中添加阻化劑等，通過注漿管路將注漿液噴灑在工作面采空區，避免工作面發生火災。

圖2 注氮工藝布置示意圖

工作面回采的同時對采空區進行注漿防滅火。根據2-101綜采工作面自燃“三帶”的分布范圍與煤層的自燃傾向性特點，采用踏步式埋管注漿的工藝對工作面進行注漿。由于工作面采空區進風側氧氣含量高，發生火災的危險性較大，因此，在工作面進風巷依次埋設注漿管進行注漿。工作面使用兩臺移動式注漿機進行注漿，當埋設的注漿管進入采空區不低于15 m后開始進行注漿，注漿步距為40 m。注漿工藝示意圖如圖3所示。

圖3 工作面注漿防滅火工藝示意圖

若工作面回采中存在自燃隱患，也可以用回采后注漿的方式處理采空區火災隱患。當工作面回采完畢后，在距離工作面停采線30 m、20 m位置密閉墻上部插注漿管對采空區進行灌漿。

3.3 堵漏風技術

控制漏風技術的防滅火機理是減少采空區供氧量，減少或杜絕松散煤體與氧氣的結合，從而達到工作面防滅火的效果。2-101綜采工作面回采前對工作面進行全面排查，對火災發生危險區域采用黃土進行回填，從而切斷煤與O2接觸，抑制工作面煤體自燃。

工作面回采后在兩巷端頭分別施工一面黃土沙袋密閉墻，嚴密封堵工作面采空區進回風兩側。其中，進風巷端頭施工密閉墻的作用是封堵工作面風流向采空區漏風；回風巷端頭施工密閉墻的作用是增大工作面風流向采空區漏風阻力。工作面進回風端頭密閉墻布置示意圖如圖4所示。工作面在進回風兩巷端頭布置密閉墻堵漏風的同時，將兩巷端頭處6架液壓支架與采空區之間的空間采用黃土沙袋封堵壓實，并懸掛風障，保證巷道上幫和工作面頂板之間無漏風空隙，減少工作面向采空區漏風。

圖4 工作面兩巷密閉墻布置示意圖

工作面回采后由于動壓作用可能會產生地表裂隙，對于地表裂隙要及時回填，避免出現地表風流進入工作面采空區。地表裂隙回填速度不應滯后工作面切眼100 m，由于采動影響，回填后也應當及時進行復查。

4 防滅火技術效果檢驗

2-101綜采工作面采用注氮、注漿、堵漏風的綜合防滅火措施后進行防滅火效果檢驗，在工作面回風隅角布置3路束管監測采空區各指標氣體的含量，監測數據見表2。

表2 防滅火技術實施前后各指標氣體含量

由表2監測結果可知，2-101綜采工作面采用綜合防滅火措施后，工作面漏風量明顯減少，各煤自燃指標氣體得到了有效的降低。監測結果表明，綜合防滅火技術有效解決了工作面防火災難題。

5 結論

（1）以2-101綜采工作面為研究對象，分析了束管監測和自燃監控兩種工作面的火災預測技術。通過依次布置的3個束管測點收集煤自燃指標氣體并送至地面進行分析，當監測點CO的濃度超過警戒值0.002 4%時，則立即停止作業，通知人員撤離，直到CO濃度低于0.002 4%后，方可恢復作業。對工作面煤自燃進行監控，分別通過紅外線遙感測溫儀遙測采空區溫度、回風順槽設CO探頭檢測回風風流中CO的變化，監控工作面及巷道的自然發火情況。

（2）提出采用注氮防滅火技術、注漿防滅火技術和堵漏風技術相結合的綜合防滅火方法防治工作面火災，分別分析了3種防滅火措施的施工工藝，并對工作面采用防滅火技術前后各指標氣體含量進行分析，工作面漏風量明顯減少，各煤自燃指標氣體含量得到了有效降低。