張家峁煤礦綜采工作面均壓通風防滅火技術

高 偉，翟 輝，劉少軍，王守印

(1.陜煤集團神木張家峁礦業有限公司，陜西 神木 719316；2.陜西安科安全生產技術研究所有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤炭自燃是威脅煤礦安全生產的重大災害之一，每年發生的礦井火災中由煤炭自燃引發的火災占絕大多數。針對神南礦區的淺埋、厚煤層大采高工作面開采過程中產生的裂縫直達地表，造成采空區和地面導通，漏風嚴重，且采空區遺煤較多，大大增加了煤炭自燃隱患。文中結合張家峁煤礦的實際，系統地對淺埋藏大采高導致的采空區漏風治理、防滅火進行研究，為礦井的煤炭自燃及防滅火提供技術幫助。

1 礦井概況

陜煤集團神木張家峁礦業有限公司井田位于陜西省神木市北部。礦井目前開采4-2和5-2煤層。礦井核定產能為10.0 Mt/a。礦井綜采工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化一次采全高回采工藝，全部垮落法管理頂板，超前支護采用超前液壓支架支護。

依據陜煤集團《關于呈送2018—2019年度煤礦瓦斯等級鑒定結果的報告》，可看出絕對瓦斯涌出量4.58 m3/min，相對瓦斯涌出量0.17 m3/t，礦井瓦斯等級為：低瓦斯礦井。井下采煤工作面采用全風壓通風。2013年9月，中煤科工集團重慶研究院對礦井的4-2煤層進行了煤的自燃傾向性鑒定，鑒定結果為：4-2煤層為Ⅱ類自燃煤層，發火期為65 d。根據中煤科工集團重慶研究院2013年8月提交的張家峁煤礦《自然發火標志氣體指標測定報告》，4-2煤層選擇CO和C2H4作為標志性氣體，CO臨界值為38.19×10-6，C2H4臨界值為檢測到氣體濃度。

2 均壓通風技術的應用

均壓通風的實質是利用風機、風窗等通風設施，調整漏風區域的壓力分布，降低漏風通道的漏風壓差，減少漏風，從而達到抑制煤炭自燃、使火區惰化，熄滅火源的目的。開區均壓是在回采工作面建立均壓系統，在保證工作面所需風量的前提下，調節通風，以減少向采空區漏風，從而抑制煤的自燃，防止CO等有毒有害氣體涌入工作面，保證安全生產。

以張家峁煤礦14209工作面為例，14209工作面采用三巷布置，設計兩進一回“U”型通風，即膠運順槽和輔運順槽進風，回風順槽回風，如圖1所示。

圖1 14209工作面通風系統示意

14209工作面煤層平均厚度為3.79 m，設計采高為3.5 m，工作面走向推進長度為1 915.03 m，寬度為296.95 m，工作面埋深18.3～155.4 m。在14209工作面對應的地表無河流、水庫等水體，但工作面切眼39～78 m對應上覆有一條小沖溝，該溝斜長335 m，沿工作面走向垂直距離263 m，溝底覆蓋層厚度為18.3～48.3 m。

14209工作面于2019年3月開始回采，2019年11月回采結束。當14209工作面在推采至230 m時(2019年5月10日)，工作面采空區的覆巖裂隙與地面導通出現漏風，該工作面風流出現紊亂。其中：工作面膠運順槽和輔助運輸順槽風流反向，風量為4 500 m3/min；回風順槽風流方向不變，風量為1 350 m3/min；工作面上隅角CO值為23×10-6。由于14209工作面對應地表為溝壑、裸露巖層，大型機械設備無法進入作業，地面堵漏治理難度大。為確保14209工作面正常通風，實施均壓通風技術措施。

在14209輔運順槽施工1組風門，在14209膠運順槽施工1道風窗，使用1組2×75 kW局部通風機和1組2×55 kW局部通風機，通過直徑1 000 mm風筒經14209膠運順槽向14209工作面供風。此時，工作面進風量為1 305 m3/min，回風量為1 565 m3/min，采空區漏風量現為260 m3/min，兩端壓差為65 Pa，通風系統如圖2所示。

圖2 14209工作面采用均壓通風后示意

為了進一步減少漏風，保證工作面安全生產，在現有的基礎上補充措施如下：

將2×55 kW局部通風機更換為2×75 kW局部通風機，使用2組2×75 kW局部通風機對工作面同時供風，增加供風量降低兩端壓差，增強均壓效果，減少采空區漏風。同時，14209膠運順槽再施工1道風窗。此外，組織專門隊伍對地面采空區裂縫進行充填治理，最大限度降低采空區漏風；每天測定一次工作面的風量，發現采空區漏風增大，及時報告進行處理。

采取上述治理措施，2019年5月16日4點班測定，14209工作面最小進風量為1 313.6 m3/min，最大回風量為1 365.3 m3/min，采空區最大漏風量為57 m3/min，最大壓差為65 Pa，工作面最大漏風率為4.4%，且上隅角CO值為10×10-6。

3 防滅火措施的應用

14209工作面綜合防滅火措施主要為：通風管理、黃泥灌漿、采空區注氮、工作面阻化劑噴灑和預測預報(JSG-4束管監測系統、KJ912X安全監測監控系統、光纖測溫系統、人工采樣分析預報及紅外線測溫儀)相結合的綜合防滅火措施，保證工作面安全生產。

3.1 通風管理

在14209工作面每10架布置一個風向、風量標識點，吊掛紅色飄帶，工作面作業人員根據飄帶狀態觀察工作面風流變化情況。發現風量變化或出現無風、微風、風流逆轉等情況時，應立即組織作業人員撤離。每天測定一次工作面的風量，發現采空區漏風增大，及時報告進行處理。

回采期間，綜采隊采取措施，提高回采率，減少采空區遺煤，加快回采速度。及時合理的構筑通風設施，保證通風設計和施工的質量符合相關規程要求，消除采空區的供氧條件，保證工作面通風系統穩定可靠。

3.2 黃泥灌漿防滅火

礦井采用地面集中灌漿系統，灌漿站位于二盤區風井場地，采用2套地面固定式黃泥灌漿系統，單套設備制備及灌漿能力為60 m3/h。

灌漿管路路線：地面灌漿站→輸漿鉆孔→4-2煤回風大巷→14209輔運、回風順槽→14209綜采工作面。在14209工作面輔運順槽、回風順槽敷設灌漿管路，分別經輔運順槽防火墻措施孔和14209回風順槽機尾分別向采空區注入。

灌漿時間：礦井采用預防性灌漿，檢測到采空區CO達到43.19×10-6或檢測到C2H4濃度時便可判斷自然發火進入了加速氧化階段，工作面進行預防性灌漿(隨采隨灌)。經計算，14209工作面日灌漿量均為1 317 m3/d。

3.3 注氮防滅火

注氮設備安設在14209膠輔運順槽3#聯巷內，通過管路(配套軟管)與輔運順槽注氮(灌漿)管路連接，采空區注氮時，在通過管路與防火墻措施孔連接，檢查管路設備的完好后，方可向采空區注氮。

預防性注氮和采空區封閉后注氮。當檢測到采空區CO達到43.19×10-6或者檢測到C2H4濃度時，采取預防性注氮，向采空區氧化帶注氮。當檢測到采空區內氧氣濃度小于7%后，即可停止注氮。

3.4 阻化劑防滅火

工作面切眼長度296.95 m，阻化泵有效距離580 m，在膠運順槽移變列車第二、三節安設移動式阻化泵，使用DN19高壓管經機頭敷設至機尾，工作面每隔10個支架安設一個噴灑閥門。

最易發生煤炭自燃部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎帶等處，需要充分噴灑的地方。工作面合理的藥液噴灑量取決于采空區的丟煤量和丟煤的吸液量。

經計算，14209工作面正常回采期間，阻化劑噴灑范圍：每天工作面機頭、機尾各30 m范圍內，噴灑阻化劑量不得低于80 kg，噴灑濃度為18%。當檢測到采空區CO達到43.19×10-6或者檢測到C2H4濃度時，工作面阻化劑噴灑范圍：每天工作面機頭噴灑至機尾，噴灑阻化劑量不得低于150 kg。噴灑濃度為18%。

3.5 預測預報

14209工作面采用KJ912X安全監測監控系統，在上隅角、工作面回風(回風順槽超前支架處)及回風順槽距全風壓混合處10～15 m安裝CO濃度傳感器，實時監測工作面及采空區涌出的CO氣體濃度，可實現早期預報。

同時，采用JSG-4束管監測系統，抽氣泵及束管監測分站安裝在膠運機頭，共有4趟束管進行抽氣分析。1趟埋入14209切眼抽取氣樣，1趟經14209膠、輔運順槽聯巷(滯后于采面2個聯巷)防火墻埋入采空區抽取氣體樣；1趟經14209回風順槽埋入采空區，1趟經14209回風順槽滯后于14209回風順槽工作面不大于100 m處抽取氣體樣。束管監測系統24 h連續循環監測14209采空區氣體成分，預測預防煤層自然發火、礦井火災等事故發生，確保礦井安全生產。

14209工作面采用光纖測溫系統，在14209回風順槽提前敷設好光纖，通風分析采空區溫度變化，實現發火預報。每5 d安排監測工，對14209工作面輔運順槽防火墻內及14209工作面上隅角進行采樣，通風地面監測機房色譜分析儀進行分析，實現人工采樣分析與監測系統相結合的防滅火措施。明確14209工作面上隅角、相鄰采空區防火墻觀測孔及末采期間停采線作為自然發火觀測點，每天安排瓦檢員至少用紅外線測溫儀對工作面及采空區的溫度測定一次，定期分析數據，配合以往的經驗，做到預測預報。

4 結論

(1)在淺埋煤層的開采過程中，覆巖裂隙帶直達地表，易造成采空區與地表導通漏風。結合張家峁煤礦14209工作面采用均壓通風技術后，風向正常，風量在1 300 m3/min左右，進回風最大壓差為65 Pa。

(2)基于均壓通風技術采取的綜合防滅火措施實施，14209工作面上隅角、采空區沒有監測到發火跡象，有毒有害氣體及CO值始終保持在正常范圍內。同時，加快工作面推進速度，使“自燃帶”迅速進入“窒息帶”，做好安全檢測和監控，提高采空區發火預報的準確性，有效地降低資源浪費，保障工作面的安全回采。