四老溝礦特厚煤層綜放工作面綜合防滅火技術(shù)

陳勇波

(大同煤礦集團(tuán) 馬道頭煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037100)

1 工程概況

大同煤礦集團(tuán)四老溝礦C3～5號層8106綜放工作面走向長1 060 m，傾向長189 m，煤厚10～12 m，自然發(fā)火期為1～3個月。工作面為三巷布置，即進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、高抽巷，在掘進(jìn)過程中揭露多條落差為1.5～4 m的斷層，開采過程中因過斷層割巖導(dǎo)致推進(jìn)速度較慢，再加上工作面兩端頭后頂板冒落不好，漏風(fēng)嚴(yán)重，致使采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃，束管監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，在采空區(qū)30 m和60 m處束管監(jiān)測CO氣體體積分?jǐn)?shù)為2.3×10-4，對生產(chǎn)安全造成嚴(yán)重威脅。根據(jù)煤層氣體產(chǎn)物與溫度的量化關(guān)系分析，采空區(qū)已經(jīng)有劇烈氧化的高溫煤炭，其溫度已經(jīng)達(dá)到了100℃左右，即將達(dá)到煤層自然發(fā)火的拐點，因此必須加強(qiáng)防火措施，防止采空區(qū)遺煤快速氧化[1-2]。

2 防火策略

依據(jù)氣體監(jiān)測化驗數(shù)據(jù)，分析采空區(qū)的高溫點位于采空區(qū)40 m以里的氧化帶進(jìn)風(fēng)側(cè)，已經(jīng)存在劇烈氧化的浮煤，而且高溫浮煤的位置位于采空區(qū)氧化帶較深處，因此必須迅速將采空區(qū)氧化帶的氧濃度降到7%以下，才能達(dá)到抑制采空區(qū)浮煤繼續(xù)氧化的目的。為此，提出防火策略為：以減少采空區(qū)漏風(fēng)和加大注氮流量為主，多措并舉。

3 綜合防滅火技術(shù)

3.1 端頭堵漏

封堵工作面兩端頭以減少采空區(qū)漏風(fēng)，其措施為每天在工作面上、下端頭隅角區(qū)壘珍珠巖絲袋或粉煤灰絲袋形成堵漏墻體，本次采用珍珠巖絲袋壘墻，該材料優(yōu)點較多，具體為：珍珠巖粉為輕型堵漏材料，每立方米僅重170 kg，在施工時1個工人可以手提兩袋進(jìn)行壘墻，減輕工人勞動強(qiáng)度；珍珠巖粉成本較低，每立方米不到200元，從運費和施工費綜合計算，實際上比粉煤灰還便宜；施工較為容易，可大大縮短壘墻時間，利于安全作業(yè)。

3.2 弱負(fù)壓通風(fēng)

為了減少工作面采空區(qū)的漏風(fēng)，從減少進(jìn)回風(fēng)壓差入手，提出在工作面采取弱負(fù)壓通風(fēng)。具體措施為：從回風(fēng)巷外的進(jìn)風(fēng)聯(lián)巷設(shè)置2臺2×30 kW的局部通風(fēng)機(jī)，接好風(fēng)筒沿回風(fēng)巷拉至工作面尾超前距工作面3～5 m位置，用局部通風(fēng)機(jī)向工作面回風(fēng)巷供風(fēng)，風(fēng)量為200 m3/min，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量保持在800 m3/min左右即可，回風(fēng)巷風(fēng)量可達(dá)到1 000 m3/min。通過此辦法不僅可減少工作面進(jìn)風(fēng)量及采空區(qū)的漏風(fēng)，還可解決工作面上隅角低氧問題，為一線作業(yè)人員創(chuàng)造一個良好的作業(yè)環(huán)境。此外由于采空區(qū)瓦斯涌出量較低，采用一進(jìn)兩回的通風(fēng)方法也會造成采空區(qū)漏風(fēng)，根據(jù)國內(nèi)其它煤礦的經(jīng)驗，回采有自然發(fā)火傾向的煤層，不宜采用瓦斯高抽巷，宜采用鉆孔抽放、采空區(qū)埋管抽放防治瓦斯，因此可以封閉瓦斯高抽巷，實施一進(jìn)一回的U型通風(fēng)。

3.3 采空區(qū)注氮

3.3.1 氮氣防滅火參數(shù)

《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定：在采空區(qū)進(jìn)行防火注氮的氮氣純度應(yīng)大于97%，采空區(qū)氧化帶防火要求為氧氣濃度小于7%。根據(jù)理論計算和防滅火注氮實踐經(jīng)驗共同來確定合理的注氮流量，根據(jù)氧含量計算防火注氮流量：

式中：Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，工作面風(fēng)量為800 m3/min，取Q0為8 m3/min；C1為采空區(qū)內(nèi)氧化帶平均氧含量，取15%；C2為采空區(qū)氧化帶防火惰化指標(biāo)，取7%；Cn為注氮防火時氮氣純度，取98%；k為輸?shù)苈窊p失系數(shù)，一般為1.1～1.2，取1.1；r為煤層自然發(fā)火期，1～3個月為1.1，故取1.1；e為防滅火用途，防火取1，抑制高溫浮煤自燃取為3。

計算得：QN=2 787 m3/h。

根據(jù)計算，抑制采空區(qū)高溫浮煤自燃所需注氮流量取2 800 m3/h。

3.3.2 注氮系統(tǒng)

注氮系統(tǒng)由制氮機(jī)、輸?shù)苈泛筒煽諈^(qū)埋管組成，礦井內(nèi)有移動制氮機(jī)1臺，流量為1 000 m3/h，實際產(chǎn)氮氣流量為750 m3/h； 在地面有流量為2 300 m3/h地面制氮機(jī)2臺，實際供氮能力為2 088 m3/h。地面制氮機(jī)和井下制氮機(jī)全運轉(zhuǎn)，可向采空區(qū)注入2 800 m3/h流量氮氣，滿足工作面采空區(qū)抑制高溫浮煤自燃的需要。

3.3.3 輸?shù)苈芳白⒌攸c

1) 輸?shù)苈份數(shù)苤睆健］數(shù)苤睆桨聪率接嬎悖?/p>

式中：D為注氮管路最小直徑，mm；Q為最大輸?shù)髁浚孛嫒?0 m3/min，井下取12.5 m3/min；V為管道內(nèi)氮氣允許流速，管內(nèi)壓力0.3～0.6 MPa，V取25 m/s。

計算得：D地面=205 mm；D井下=102 mm。

根據(jù)計算，礦井的地面輸?shù)苈愤x直徑為219 mm的無縫鋼管；井下移動制氮機(jī)的輸?shù)苈愤x直徑為108 mm無縫鋼管。

2) 注氮地點。氮氣從工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)下隅角注入采空區(qū)氧化帶，隨進(jìn)風(fēng)風(fēng)流向采空區(qū)擴(kuò)散，隋化整個氧化帶，不留死角，起到防火效果。但原來僅在下隅角以里40 m處的采空區(qū)內(nèi)埋有注氮埋管，如果將2 800 m3/h的氮氣全部從此處注入，則形成瓶徑效應(yīng)，導(dǎo)致注氮阻力太大，不能將全部氮氣有效注入采空區(qū)。因此還必須增加采空區(qū)內(nèi)的注氮氣點，實行邁步式注氮，即工作面每推進(jìn)20 m，都必須在下隅角埋設(shè)D108 mm鋼管1趟，同時注氮的埋管為下隅角以里20 m、40 m、60 m，共布置3趟管路，同時注氮氣，一直注到80 m時斷掉此注氮埋管。

3.4 注阻化劑

考慮到工作面為上山開采，采空區(qū)標(biāo)高低于工作面，提出在回風(fēng)巷距離工作面一定距離向原已封閉的高抽巷打鉆孔注入阻化劑，依靠重力使阻化劑自流至采空區(qū)內(nèi)實現(xiàn)對遺煤的阻化。

3.5 加強(qiáng)氣體監(jiān)測

對工作面上隅角端頭封堵墻以里、采空區(qū)埋設(shè)的束管和高抽巷密閉內(nèi)每天取樣化驗氣體濃度。由于注氮量較大會導(dǎo)致工作面上隅角氧濃度較低，必須加強(qiáng)監(jiān)測氧濃度，在此設(shè)置壓風(fēng)噴霧以保障工人施工的安全。

3.6 其他保障性措施

在工作面準(zhǔn)備好應(yīng)急救援的相關(guān)物品設(shè)備，為現(xiàn)場作業(yè)人員配發(fā)大容量壓縮氧自救器。在工作面進(jìn)行封堵端頭、斷開注氮管路時，現(xiàn)場要有通風(fēng)部門負(fù)責(zé)人帶班，并安排專職瓦檢員和救護(hù)隊員陪同，隨時觀察氣體濃度變化，以應(yīng)對突發(fā)情況。

4 結(jié) 語

通過采取端頭堵漏、弱負(fù)壓通風(fēng)、采空區(qū)注氮、注阻化劑、加強(qiáng)氣體監(jiān)測等一系列措施，成功解決了工作面采空區(qū)遺煤自燃問題，使工作面上隅角和回風(fēng)流的CO氣體體積分?jǐn)?shù)降至2×10-5以內(nèi)，有力地保證了工作面的安全回采。