自燃煤層工作面防滅火技術工藝設計

潘宏波

（山西煤炭運銷集團錦瑞煤業有限公司，山西 呂梁 033000）

工作面開采后，采空區往往有遺煤存在，對于自燃煤層來說，易出現采空區發火現象，必須采取科學合理、技術可行的工作面防滅火技術工藝，實現采空區發火的有效預防。

1 工程概況

錦瑞煤業為山西煤炭運銷集團兼并重組整合礦井，開采5～9號煤層，生產能力1.2Mt/a。井田范圍內5號煤層已采完；8號煤層厚2.90～3.50m，平均3.21m，埋深在221～352m之間，屬自燃煤層，最短發火期為83d，煤塵具有爆炸性；9號煤層距8號煤層平均11.35m，煤層厚2.59～4.75m，平均3.78m，屬自燃煤層，最短發火期為86d，煤塵具有爆炸性。礦井采用綜合機械化一次采全高開采，工作面開采后采空區往往有遺留的松散煤塊，存在自然發火的安全隱患。為保證工作面安全生產，必須采取工作面防滅火措施。

2 工作面防滅火技術

根據目前常用的防滅火技術，結合錦瑞煤業煤層特性及開采條件等實際情況，8、9號煤層設計采用綜合防滅火技術措施，建立礦井火災監測監控、地面固定灌漿、井下移動注氮等系統，防止采空區遺煤自然發火。

2.1 監測監控系統

（1）束管監測系統

采用KSS-200煤礦自然火災束管監測系統，主束管24芯，每個回采工作面布置一個12芯束管，沿著工作面進、回風順槽各布設6路單管到工作面。

采空區束管布置：沿進、回風順槽向采空區各布置3個測點，采用無縫鋼管作為束管保護管，內徑2寸，長30m；單根束管采用地質鉆孔作為保護套，在進入采空區設計位置與支架固定，實現隨采隨移；每兩個測點之間間距30m。1#、2#、3#測點隨工作面推進以此進入采空區。在推至過3#點約30m時，把1#點截開，重新布點，依次循環至工作面回采結束。測點布置如圖1所示。工作面開采完畢后，在進、回風側密閉分別設觀測孔，并在密閉內各布置一個測點，測點布置如圖2所示。

圖1 工作面采空區束管測點布置圖

圖2 工作面封閉后束管測點布置圖

（2）人工觀測

采煤生產班每班安排瓦檢員對工作面上下隅角、進回風順槽、支架間、密閉觀測孔、密閉墻四周等地點的O2、CO、CH4和溫度進行觀測，要求每班不少于3次，出現異常情況應增加檢測次數，并及時向礦調度進行反饋，及時采取相應措施。

2.2 地面固定灌漿系統

建立地面固定式灌漿防滅火系統，在工作面正常開采過程中跟隨工作面回采，每間隔一定距離進行一次灌漿，灌漿系統和相關參數如下：

（1）工作面灌漿系統

在工作面放頂前沿順槽在采空區預先鋪好5～8m灌漿鋼管，一段埋入采空區，一段鏈接20～30m長的膠管。隨工作面的推進，用回柱絞車逐漸牽引一定距離灌一次漿，灌漿后在采空區底板泥漿厚度須大于5cm。工作面灌漿方法如圖3所示。

（2）灌漿量

礦井每日灌漿時間為8h，若礦井自然發火嚴重，可延長為10h。根據礦井工作面日產量、工作面布置情況、灌漿相關參數等進行計算，8號煤生產時灌漿量為35.19m3/h，9號煤生產時灌漿量取30.75m3/h，礦井灌漿量取大值，35.19m3/h。故設計采用36m3/h規模的灌漿站，每天工作8h可滿足要求。

圖3 工作面灌漿方法示意圖

（3）管路布置

礦井灌漿主、支管路均選用D133×6mm的無縫鋼管，利用法蘭連接，按巷道布置情況采用吊架、托架或沿巷道底板敷設，每隔500m或在管道變坡處低點均設DN100泄漿閥，工作面灌漿采用直徑50mm的膠管。敷設線路由副斜井到井底車場，再到回風大巷，最后到工作面回風順槽。

2.3 注氮防滅火系統

注氮防滅火為礦井工作面日常防滅火系統，采用井下移動式制氮設備。

（1）注氮流量

按回采工作面注氮量計算為1440m3/h；按工作面產量計算為772.5m3/h；按噸煤注氮量計算為941.6m3/h；按瓦斯注氮量計算為945.5m3/h；按照9號煤綜采工作面采高3.78m，工作面長度255m，井下氧化帶的最大寬度按80m，滅火時間10d，計算工作面采空區滅火注氮流量為2227.7m3/h。通過上述計算比較，選取最大值為10d撲滅火時間注氮流量2227.7m3/h，并結合煤礦具體情況考慮一定的富余系數，確定注氮防滅火流量2400m3/h，即40m3/min。

（2）注氮工藝

礦井采用工作面進風巷的回柱絞車牽引拖管進行注氮，注氮釋放管口位置為距工作面60m處的采空區氧化帶內，注氮管隨著工作面的推進而移動，始終埋入采空區內60m。出氮口距底板巷道高度應在300mm以上，90°彎拐向采空區，與工作面保持平行并加以保護。當工作面束管監測及地面分析有標志性氣體和相關數據表明采空區有發火跡象時，開始向采空區注氮。注氮釋放口位置如圖4所示。

（3）注氮設備及管路

在8、9號煤工作面內安裝兩套DMJ-1200型煤礦井下防爆移動式膜分離制氮機組，單臺制氮能力1200Nm3/h，2臺同時工作，敷設管路向采空區內注入氮氣。井下輸氮管路主、支管均選用Φ159×4.5mm無縫鋼管，自井下注氮硐室制氮機到東翼軌道大巷，再到8101工作面膠帶順槽，最后到8101工作面采空區。按工作面最遠距離1800m、管口末端壓力0.2MPa計算，供氮壓力為0.313MPa。

圖4 注氮釋放口位置圖

3 應用效果分析

錦瑞煤業目前已在8、9號煤層各開采一個工作面，在兩個工作面回采過程中采用以上防滅火措施，并對工作面回采期間及回采結束后采空區氣體進行監測，采空區未出現發火現象，CO和CH4氣體均能保持在穩定水平，工作面采空區防滅火控制效果較好，為礦井后續開采提供了寶貴的經驗。

4 結語

對于自燃煤層來說，必須重視對工作面采空區自然發火的防控，緊密結合礦井的煤層情況、通風方式、開采技術工藝等采礦地質條件，研究設計科學合理、技術經濟的礦井工作面防滅火技術工藝及參數，建立綜合防滅火系統，實現有效預防工作面采空區發火，保證工作面安全高效生產。