綜放工作面推進緩慢時期防滅火技術實踐

高楠楠

（同煤集團四老溝礦,山西 大同 037028）

四老溝礦，設計能力為300萬噸/年，屬低瓦斯礦井。根據(jù)礦井煤層自然發(fā)火傾向性鑒定結果可知，四老溝礦首采的石炭二疊系3-5#煤層為自燃煤層，煤層自然發(fā)火期最短為85天。由于礦井采用綜采低位放頂煤的綜合機械化采煤工藝開采工作面，致使采空區(qū)留有大量的遺煤，存在遺煤自然發(fā)火隱患。四老溝礦3-5#層8106工作面設計長度904/1016 m，傾向長度200 m，平均煤層厚度為7.22 m，煤層傾角2°～9°。8106工作面因頂板較差、周期來壓頻繁和夾矸影響導致推進緩慢，工作面采空區(qū)CO濃度呈上升趨勢，工作面采空區(qū)存在自然發(fā)火嚴重隱患，為控制采空區(qū)CO濃度上升趨勢，四老溝礦制定了專項治理方案和措施，使采空區(qū)CO濃度上升的隱患得到有效控制。

1 自然發(fā)火原因分析

通過連續(xù)觀察8106工作面回風流氣體變化情況，比對采空區(qū)氣體化驗分析結果，發(fā)現(xiàn)8106工作面回風流一氧化碳氣體濃度在2019年4月1日至5月2日期間逐漸上升，最大為29 ppm，采空區(qū)CO氣體濃度在這個期間內(nèi)同樣逐漸升高，最大為237 ppm（見表1、圖1）。根據(jù)煤層氣體產(chǎn)物與溫度的量化關系，可確定采空區(qū)遺煤已經(jīng)發(fā)生劇烈氧化反應，其溫度已經(jīng)達到了100℃左右，即將達到煤層自然發(fā)火的拐點，因此必須采取措施抑制煤層的劇烈氧化。

四老溝礦8106工作面2019年3月份推進41 m，2019年4月份推進33 m，工作面頂板較差、周期來壓頻繁及夾矸影響導致工作面推進緩慢，同時采空區(qū)進、回風側冒落不好，漏風嚴重，可以確定這是造成這次采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因。

表1 四老溝礦8106工作面防滅火情況表（部分）

圖1 8106工作面回風流及采空區(qū)CO濃度變化統(tǒng)計

2 防滅火策略

根據(jù)以上分析，采空區(qū)目前已經(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，根據(jù)8106工作面進回風側氣體情況及采空區(qū)30 m和60 m處束管監(jiān)測CO氣體濃度數(shù)據(jù)析可確定采空區(qū)的高溫點位于采空區(qū)40～60 m的氧化帶，因此必須迅速將采空區(qū)氧化帶的氧濃度降到7%以下，才能達到抑制采空區(qū)浮煤的繼續(xù)氧化的目的。所以，8106工作面采取的主要防火策略為：加強采空區(qū)的堵漏風；加大采空區(qū)氧化帶進風側注氮流量。

3 防滅火措施

3.1 加強采空區(qū)堵漏風

通過每天對采空區(qū)進行堵漏減少采空區(qū)的漏風，具體措施為：

（1）每天在工作面上、下隅角壘珍珠巖絲袋或粉煤灰絲袋，對工作面上、下隅角進行堵漏風。

（2）因8106工作面采空區(qū)的回風側冒落不好，每天將采空區(qū)回風側未冒落空間用珍珠巖絲袋充填，防止采空區(qū)回風側的大量漏風。

在封堵過程中，根據(jù)現(xiàn)場實際情況發(fā)現(xiàn)了采用珍珠巖粉堵漏風效果最好，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行壘墻，減輕工人勞動強度。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。由于容易施工，可以大大縮短在采空區(qū)的壘墻時間，有利于施工安全。

3.2 調(diào)整通風方式及風量

通過調(diào)整工作面的通風方式及進、回風順槽的風量來減少采空區(qū)的漏風，具體采取的措施為：

（1）減小8106工作面的風量，將8106工作面風量調(diào)整至正常風量的50%。

（2）目前工作面的一進兩回的通風方式造成了工作面采空區(qū)的大量漏風，由于采空區(qū)瓦斯涌出量不大，因此可以封閉瓦斯排風巷，工作面實施一進一回的U型通風。

（3）通過減少工作面的進、回風壓差來減少工作面采空區(qū)的漏風。工作面實施開區(qū)均壓通風。在8106工作面回風順槽附近的進風聯(lián)絡巷設置1臺2×30 kW的局扇，將局扇風筒拉到工作面上隅角前2～5 m處，用局扇向8106工作面回風順槽供風，保證風量為200 m3/min，進風順槽風量保持在700 m3/min左右，回風順槽風量可達到900 m3/min，這樣可減少工作面的進風量，從而減少采空區(qū)的漏風（見圖2）。采用這種通風方式還可以解決工作面下隅角缺氧，為工人創(chuàng)造一個好的作業(yè)環(huán)境。

圖2 8106工作面開區(qū)均壓通風系統(tǒng)

3.3 注氮防火

（1）注氮技術參數(shù)

a、氮氣純度及惰化指標

根據(jù)煤礦安全規(guī)程，采空區(qū)防火注氮的氮氣純度定為≥97%，采空區(qū)氧化帶防火惰化指標為O2濃度為≤7%。

b、注氮流量

采空區(qū)合理的防滅火注氮流量根據(jù)理論計算和礦井工作面防滅火注氮實踐考察而確定。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)漏風量，工作面風量為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，取為15%；C2為采空區(qū)氧化帶防火惰化指標，取為7%；Cn為注氮防火時氮氣純度，取為98%；k為輸?shù)苈窊p失系數(shù)，為1.1～1.2，取為1.1r為煤層自然發(fā)火期，1～3個月為1.1故取為1.1；e為防滅火用途，防火取1，抑制高溫浮煤自燃取為3。

根據(jù)氧含量計算四老溝礦防火注氮流量為2787 m3/h，抑制采空區(qū)高溫浮煤自燃所需注氮流量取為2800 m3/h。

（2）氮氣防滅火系統(tǒng)

礦井的氮氣防滅火系統(tǒng)由制氮機、輸?shù)苈泛筒煽諈^(qū)埋管組成。目前礦井共有井下制氮機1臺，流量為1000 m3/h，實際產(chǎn)氮氣流量為750 m3/h；在地面有流量為2300 m3/h地面制氮機2臺，實際供氮能力為2088 m3/h。地面制氮機和井下制氮機全運轉，可向采空區(qū)注入2800 m3/h流量氮氣，可以滿足工作面采空區(qū)抑制高溫浮煤自燃的需要。

（3）輸?shù)苈芳白⒌攸c

a、輸?shù)苈?/p>

①礦井的地面輸?shù)苈分鞴苓x取為Φ219 mm的無鏠鋼管1趟。

②井下制氮機的輸?shù)苈愤x直徑為Φ108 mm無鏠鋼管1趟。

b、注氮地點

氮氣由采空區(qū)進風側氧化帶注入，可以由進風向回風擴散，隋化整個氧化帶，不留死角，起到好的防火效果。目前礦井在采空區(qū)60 m處有注氮埋管1趟，如果將2800 m3/h的氮氣全部從此處注入，則形成瓶徑效應，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)的注氮氣地點，采取的方法為：工作面每推進20 m，都必須在下隅角埋設Φ108 mm鋼管一趟，同時注氮的埋管為下隅角以里20 m、40 m、60 m處3趟管路同時注氮氣，一直注到80 m時則斷掉此注氮埋管。

3.4 阻化劑防火

為實現(xiàn)對采空區(qū)遺煤進行降溫阻化，在進行汽霧阻化措施的基礎上，對頂抽巷后方遺煤實施阻化劑溶液灌注。8106頂抽巷通向采空區(qū)方向為下山巷道，通過鉆孔灌注使之自流進入采空區(qū)。

在回風順槽里程340 m處施工鉆孔并套管，鉆孔直徑為Φ50 mm，打通8106頂抽巷煤壁后將管路與鉆孔之間間隙封嚴實，于鉆孔處回風順槽中設置阻化劑液箱和泵站，每天檢修班對頂抽巷灌注阻化劑溶液，生產(chǎn)班對頂抽巷灌水。工作面頂抽巷每天阻化劑灌注劑量不低于650 kg（見圖3）。

圖3 8106工作面瓦斯排放巷阻化劑灌注系統(tǒng)

4 防滅火的效果

8106工作面在2019年5月1日開始實施上述措施，2019年5月16～20日連續(xù)5天對8106工作面采空區(qū)和回風流氣體采樣化驗，采空區(qū)20～100 m處氧氣濃度已降至5%以下，采空區(qū)一氧化碳濃度穩(wěn)定在30 ppm以下，回風流一氧化碳濃度穩(wěn)定在10 ppm以下，表明采空區(qū)一氧化碳上升的隱患得到有效控制。

5 結語

通過綜合采取采空區(qū)堵漏風、改變工作面通風方式及風量、科學加大采空區(qū)注氮量、瓦斯排放巷鉆孔注阻化劑等措施后，8106工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃的隱患得到了有效控制，解決了工作面推進緩慢期間采空區(qū)遺煤自然發(fā)火問題，保障了正常生產(chǎn)，避免了因采空區(qū)自然發(fā)火而使工作面設備被封閉的損失，取得了極大的經(jīng)濟效益和社會效益，并為大同礦區(qū)石炭二疊系綜放工作面的安全生產(chǎn)積累了寶貴經(jīng)驗，所以推廣應用前景非常廣闊。