沁裕煤礦綜采工作面綜合防滅火技術研究

李 晉

(蘭花集團 沁裕煤礦有限公司，山西 晉城 048212)

1 工程概況

蘭花集團沁裕煤礦井田內主要含煤地層為二疊系下統山西組(P1s)和石炭系上統太原組(C3t)，山西組主要可采煤層為2號煤層，太原組可采煤層為15號煤層。目前，井田內的2號煤基本采掘殆盡，15號煤層回采工作面已逐漸投入生產，15號煤層厚度0.93～5.80 m，平均2.24 m，煤層穩定，賦存區可采。2號、15號煤層均采用綜采一次采全高采煤法。結合15號煤層賦存條件，考慮井型、工作面產量等因素確定回采工作面長度取180 m，工作面采用“四六”工作制，采煤機截深0.8 m，循環進度0.8 m，日進度7.2 m，通過對本井田15號煤層自燃傾向性取樣測試表明，煤的吸氧量為0.69 cm3/g，自燃等級為Ⅱ類，結果為自燃煤層。為避免15號煤層采空區發生自燃現象，本文以15103工作面為背景，對工作面綜合防滅火技術進行研究，以期為礦井的安全生產提供指導。

2 采空區日常防滅火措施

2.1 利用高抽巷減少采空區漏風量

沁裕煤礦15號煤層采用綜采一次采全高采煤法，全部垮落法管理頂板，容易發生自燃的區域為工作面“兩線—兩道”[1]，即工作面開采線、停采線，進風道與回風道。工作面投產初期，工作面推進距離短，采空區頂板巖層垮落不充分，漏風嚴重，工作面采出率低，采空區內遺煤量較大，此時通過增大高抽巷抽采流量，加快采空區熱量的散失，減小采空區漏風，達到降低采空區溫度及氧氣濃度的目的。高抽巷布置見圖1。

圖1 高抽巷布置示意

2.2 采空區灌漿防滅火

采空區灌漿防滅火技術在我國各個地區的礦井取得了良好的應用效果[2]，漿液灌注于采空區內，可降低采空區溫度，漿液包裹采空區遺煤，減少采空區遺煤與空氣的接觸，減緩遺煤的氧化反應，且漿液能夠填充采空區垮落矸石間的空隙，增強采空區的密閉性，減小漏風量。黃土取土方便，節約成本，粉煤灰相對成本較高，運輸相對困難，故本次設計礦井注漿材料為黃土。地面固定式集中灌漿系統是在地面工業場地或風井場地設立集中灌漿站，為全礦服務，雖然初期投資較大、管路較長、占地較大，但具有灌漿量大、工作集中、管理方便、效率高等優點。因此，選擇在回風井場地內布置地面固定式多功能集中灌漿系統。15103工作面采用地面固定式灌漿站集中灌漿，系統組成如圖2(a)所示，工作面開始后，在液壓支架后方工作面長度方向放置一趟DN100 mm鋼管，鋼管上部每隔30 m安裝一根長度1 m的花管，注漿管路在上隅角與DN100 mm鋼管連接，管路鋪設如圖2(b)所示，灌漿流量為50 m3/h，灌漿時間為12 h，工作面每推進50 m進行一次灌漿。

圖2 采空區灌漿工藝示意

2.3 封堵工作面上、下隅角

采煤工作面上隅角和下隅角風流壓差是造成采空區漏風的重要原因，工作面上、下隅角為采空區傾向邊界，頂板不能充分垮落，為采空區漏風提供良好的通道，因此采取措施封堵上、下隅角，可有效減小采空區漏風量，減小采空區氧化帶的寬度。15103工作面在上、下隅角堆砌袋子墻進行封堵，工作面每推進50 m設置1道袋子墻。

2.4 阻化劑防火系統

根據我國其他礦區采用阻化劑經驗，因氯化鈣阻化率較高，阻化效果好，價格便宜且儲運方便，設計15103工作面采用氯化鈣(CaCl2)作為阻化劑。在15103工作面配備一套移動式阻化劑防火系統向采空區的遺煤噴灑阻化劑，在南翼補回風巷內適當位置(盡量靠近工作面中部)放置兩個水箱作為阻化劑藥箱，交換使用，按需濃度(20%)將工業CaCl2倒入儲液箱內，用臨時供水管路按比例加足清水，配成溶液攪拌均勻后，用高壓泵(置于平板車上)將阻化液沿巷道和刮板輸送機電纜槽下方鋪設(每20 m安一三通和高壓球閥)的D25 mm高壓膠管壓至工作面，與D13 mm的膠管和霧化器相連。一臺泵配一支噴槍，由專人手持噴槍，從支架間隙向采空區噴灑，每間隔5組支架噴一次，每次噴灑至少6 min，流量不小于35 L/min。正常回采期間每班噴灑一次，如遇停產、過斷層、收尾等情況時，須對采空區加大噴灑頻率。

圖3 阻化劑噴灑系統示意

3 采空區注氮滅火措施

采空區注氮系統為沁裕煤礦采煤工作面采空區滅火方法，預防火災時不使用，根據礦井束管監測系統測定，CO為測試煤自然發火的標志性氣體；CO出現表明測試煤已經開始氧化；其出現臨界溫度為37.2～46.8 ℃，檢出濃度為30 ×10-6，此時要求開始封閉工作面進行注氮。井下移動式制氮設備安置于距需要防火的就近處，該系統不需鋪設專用輸氮管路，但制氮設備產氮能力較小。地面固定式和地面移動式制氮設備生產的氮氣，經井上、下輸氮管路送達采空區內，防滅火效果好，結合本礦特點，設計選用地面固定式制氮注氮設備。

根據國內外的經驗每噸煤需5 m3氮氣量，本礦井15號煤層厚度平均2.24 m，屬中厚煤層，回采率取95%。注氮量計算如下[3-4]：

式中：QN為注氮流量，m3/h；A為年產量，取90萬t/a；K為工作面回采率，取95%；t為每年礦井生產的時間，取330 d。

通過上式計算得到注氮流量為539.8 m3/h，結合沁裕煤礦具體情況考慮1.5的富余系數，確定注氮流量850 m3/h。15103工作面回采期間，采空區注氮管鋪設：地面制氮站—回風斜井—15煤層回風巷—15煤層西翼回風大巷—15103工作面回風巷—工作面采空區。采用埋管注氮工藝，在工作面的進風側沿采空區埋設一趟注氮管路。當埋入一定深度后開始注氮，同時埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移動步距通過考察確定)。當第二趟注氮管口埋入采空區氧化帶與冷卻帶的交界部位時向采空區注氮，同時停止第一趟管路的注氮，并重新埋設注氮管路，如此循環。當工作面采空區內溫度超過35 ℃，工作面上尾巷內一氧化碳濃度超過30×10-6時，采取開放式、間歇式注氮方式，注氮時間每天不小于16 h，直到采煤工作面采空區溫度降至35 ℃以下，一氧化碳氣體為零時，停止注氮，注氮管路的鋪設如圖4所示。

圖4 工作面注氮管路鋪設示意

4 防治措施效果分析

4.1 工作面防滅火措施效果評估

沁裕煤礦15103工作面正常回采期間，采空區內CO濃度保持在20×10-6以下，采空區無自然發火的可能，防治效果良好。2019年2月份15103工作面臨時停產，停產期間束管監測系統監測表明，采空區內CO濃度異常，呈現明顯上升趨勢，一氧化碳濃度超過30×10-6，因此采取注氮滅火措施，采取開放式、連續性注氮方式，每天灌注量約10 000 m3，該期間對深入采空區45 m處(氧化帶內)的氧氣和一氧化碳濃度進行監測，濃度變化如圖5所示。

圖5 采空區氣體濃度變化

由圖5可以看出，深入采空區45 m處，氧氣濃度充足，位于氧化帶內，CO濃度達到58×10-6，存在自然發火的跡象，通過灌注液態氮氣后，一氧化碳濃度迅速降低，由58×10-6降至20×10-6以下，氧氣濃度變化不明顯，滅火效果明顯。綜上可知，采空區注氮可顯著降低CO濃度，減緩采空區遺煤的氧化的速度，抑制采空區遺煤自燃現象。

4.2 停采后采空區防治效果評估

2020年2月份15103工作面回采完畢，在距膠帶巷(回風巷)開口10 m處，采用袋子墻進行密閉，束管監測采空區內CO濃度變化如圖6所示。

圖6 采空區內CO濃度變化規律

由圖6可以看出，15103工作面采空區密封后，采空區內CO濃度逐漸降低，膠帶巷側CO濃度由24.5×10-6逐漸降低至5×10-6，并最終穩定在10×10-6以下；回風巷側CO濃度由21.5×10-6逐漸降低至2.3×10-6，并最終穩定在4 ×10-6以下，采空區內CO濃度低于24 ×10-6，且穩定，由此說明，采用袋子墻密閉性良好，采空區無自燃的危險。

5 結 語

根據沁裕煤礦15103工作面具體的開采技術條件，設計采用增大高抽巷抽采流量、埋管灌注黃泥漿、封堵工作面上(下)隅角、噴灑阻燃劑等作為日常防火措施，當采空區出現自然發火的跡象時，采用注氮防滅火措施，工作面回采完成后，采用袋子墻封堵采空區。通過束管監測采空區內CO氣體濃度變化驗證防治效果，結果表明，設計的防滅火措施可行、有效，實現了工作面的安全回采，可為類似工作面的煤自燃災害防治提供參考依據。