9#煤和15#煤聯合開采防滅火技術研究

潘小波

（山西晉煤集團沁秀公司岳城煤礦，山西 晉城 048006）

1 引言

15#煤層由于硫分高，一直是井下煤層自燃火災的防范重點。目前井下常用的防滅火技術有注漿防滅火、阻化劑防滅火以及惰性氣體防滅火等。注漿防滅火技術是通過漿液隔離煤氧接觸，工藝成熟簡單，但高位火點效果差，覆蓋不均勻，易跑漿脫漿，影響煤質。阻化劑防滅火是通過惰化煤體表面活性結構，阻止煤炭氧化吸熱降溫，但該技術工藝復雜，對設備有很大腐蝕性，不易長期保持防滅火效果。惰性氣體防滅火技術通過注氮方式降低氧濃度，阻止煤氧復合，環境影響小，但降溫效果不佳，滅火周期長，火區易復燃，且對現場密閉性要求高。因此需要對三種技術綜合應用，保證最佳滅火效果。束管監測系統是煤礦常用的防滅火監測系統，能夠對不同煤層、不同區域的煤體溫度、CO等指標氣體濃度及環境因素進行實時監測傳輸，實現數據的初步處理和現場響應。采用“束管監測+綜合防滅火技術”相結合，已成為井下防滅火工作的一個重要手段。

2 現場概況

岳城煤礦為晉煤集團下屬礦井，生產能力1.5Mt/a，目前正在開采9#、15#煤層。9#煤與15#煤層間距28m，工作面采空區易連通。9#煤瓦斯成分中甲烷含量占到88.78%～97.43%，全部處于甲烷帶，經測定瓦斯含量為4.25～11.31m3/t，殘存瓦斯含量為3.72m3/t，煤層自然發火傾向性為自燃。15#煤瓦斯成份中CH4占75.05～86.25%，全部處于甲烷帶；15#煤瓦斯含量為6.71～10.91m3/t，殘存瓦斯含量為4.60m3/t，煤層自然發火傾向性為自燃。綜合以上數據可知，該礦煤層有自燃傾向，采空區和尾巷是防火重點。因此非常有必要開展9#煤、15#煤聯合開采防滅火技術研究，確保防患于未“燃”。

3 研究內容

確定以CO作為自然發火的氣體指標體系，提出采用“以煤層自然發火光譜束管監測預報為依托，9#、15#本煤層開采時以黃土封堵煤柱與采空區噴灑阻化劑為主，上覆9#采空區封閉注氮為輔”的自然發火防治總體技術方案，并結合現場實測數據進行對比驗證。

結合試驗模擬數據可知，煤樣自燃過程中共計產生CO、C2H4、C2H6等多種氣體，其中CO產生的臨界溫度為60℃，C2H4產生的臨界溫度為170℃，C2H6為200℃。擬采用CO作為標志氣體，其他炔烴類氣體為輔助指標，來預測煤自然發火特征。

3.1 束管鋪設方案

束管監測系統即通過多路束管在指定區域抽采氣體，并匯總后經氣相色譜進行分析，實現抽采氣體的定量檢測和在線預警。如圖1所示。

圖1 束管監測系統配置圖

研究項目涉及9#、15#兩層煤，對97306工作面、153302工作面采空區實行束管監測。針對監測工作面的布置特點，本項目選擇使用同一套光譜束管監測系統進行布置。如圖2所示。

井下光譜分析儀安置于15#煤一五三盤區變電所，153302綜采工作面監測束管由153103巷沿153302工作面順槽布置于采空區；9#煤97306工作面監測束管可由9#-15#煤間通過鉆孔穿束管的形式或沿南翼傾巷實現9#煤采空區束管引入15#煤一五三盤區變電所，接入井下光譜分析儀，然后接入光纖通往地面監測室，實現一臺設備同時監測兩層煤的效果。分析系統井下安裝在15#煤三盤區變電所，距153302工作面最遠監測點1600m左右（布置一趟2000m，PE-ZkW/10×4型束管），距97306工作面最遠監測點2200m左右（布置一趟3000m，PE-ZkW/10×4型束管）。

圖2 光譜束管系統聯合布置方式

4 現場監測

在每個工作面設置3個采樣監測點，如圖3所示。

圖3 監測地點示意圖

如圖3所示，在回風巷距切眼150m處布置監測點，間距30m，并對監測點采用鋼管保護，待進入采空區后采用三通將探頭與底板保持在1m距離。其測點的保護方式如圖4所示。

圖4 保護套管測點處設置圖

當1#采空區束管監測點埋入采空區15m后，即開始進行持續束管監測。當工作面推過2#點約20m時，如1#點氧氣濃度已低于5%，則斷開，如仍大于5%，則應繼續使用直至氧氣濃度低于5%。或3#監測點埋入采空區15m后，再斷開1#點，然后重新布點，依次循環，直至工作面推采至距離停采線30m前都采用此種方式布置。

5 聯合防滅火

5.1 煤柱遺煤封堵

鑒于9#、15#煤形成的獨特的遺煤方式，采空區遺煤自燃的防火重點在于9#煤煤柱遺煤在二次受力垮落過程中封堵及15#煤本層開采時煤柱遺煤破碎自燃。研究中擬采用黃泥封堵，即在9#、15#煤開采過程中在工作面后方沿煤柱堆鋪黃泥，與采空區內噴灑阻化劑相結合。當煤柱破碎后與黃土融合，特別是當15#煤采過，9#煤煤柱下行垮落時會隨同黃土一起下沉15#采空區，這樣就會在9#煤柱周圍形成黃土包裹，阻隔氧氣，達到防火目的。如圖5所示。

圖5 工作面煤柱幫背黃土示意圖

5.2 采空區汽霧阻化

汽霧阻化是對液態阻化劑進行加壓霧化，使霧化的阻化劑最大面積的覆蓋到采空區的漏風面，從而隔絕空氣達到滅火的目的。如圖6所示。

圖6 工作面噴灑阻化劑工藝示意圖

如圖6，將阻化劑儲液箱和阻化泵安裝在進風巷，通過管路與采空區的霧化器相連，霧化器噴頭安裝自動過濾裝置防止煤塵堵塞噴孔。首先對工作面采空區進行風阻測定，根據漏風量和漏風方向確定霧化器引射風量，然后將阻化泵壓力調制2.5MPa左右，產生的阻化汽霧經自然風流進入采空區，達到滅火的目的。

5.3 采空區封閉注氮

該項目采用封閉注氮，即當9#煤工作面開采結束后，構筑防火密閉封閉采空區，預留觀窗孔和注氮孔，并敷設注氮管路，向采空區進行注氮。注氮量要根據防滅火惰化指標、15#煤開采時上隅角空氣質量共同確定。

6 效果分析

本項目2017年4月開始在岳城礦南回風大巷進行了現場試驗，對1#、2#兩個束管系統監測點的CO濃度數據進行了整理分析（3#數據為0，不參與分析），得曲線如圖7所示。

圖7 采空區CO濃度變化曲線圖

由圖7可知，采用煤柱遺煤封堵、汽霧阻化和封閉注氮綜合防滅火工藝后，采空區CO濃度開始上升。這是由于噴灑阻化劑和注入氮氣后，CO的體積空間縮小，造成單位區域內濃度瞬時增加，隨著時間增加CO逐漸排出，曲線變緩。經過一個月的試驗，采空區內1#測點CO濃度由1185×10-6變成181×10-6，2#測點CO濃度由833×10-6降至0，說明該工藝能夠有效降低采空區CO濃度并長時間保持采空區密閉。

7 結論

（1）CO產生的臨界溫度值為60℃，可作為自然發火的標志氣體；C2H4產生的臨界溫度為170℃，C3H6為200℃，可采用炔烴類氣體作為輔助指標，來預測煤自然發火特征。

（2）提出采用“以煤層自然發火光譜束管監測預報為依托，9#、15#本煤層開采時以黃土封堵煤柱與采空區噴灑阻化劑為主，上覆9#采空區封閉注氮為輔”的綜合防滅火措施。經過現場檢驗，采空區內CO濃度能夠顯著降低并保持在200×10-6以下，滿足礦井防滅火的相關要求。