長城五礦防滅火技術(shù)現(xiàn)狀探究

呂繼恒 趙衍廣 李鵬(山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)有限公司 內(nèi)蒙能源長城五礦，山東 新泰 271200)

0 引言

我國煤田地質(zhì)類型多樣，由于煤礦地質(zhì)條件的復(fù)雜性和生產(chǎn)條件的特殊性，火災(zāi)類重特大事故時有發(fā)生[1]。據(jù)統(tǒng)計，全國煤炭自燃引起的火災(zāi)事故占礦井火災(zāi)事故總數(shù)的85%～90%，煤炭自燃不僅燒毀大量資源和設(shè)備，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，且會產(chǎn)生大量的有毒有害氣體和高溫?zé)熈鳎瑖?yán)重威脅井下作業(yè)人員的生命安全[2]。礦井火災(zāi)與煤塵瓦斯爆炸的發(fā)生常常互為因果關(guān)系，相互擴(kuò)大災(zāi)害的程度與范圍，是釀成煤礦重大惡性事故的主要原因之一[3]。

煤炭自燃是由多種因素引起的，就其防治的關(guān)鍵來說，預(yù)防的關(guān)鍵是自燃發(fā)火的早期預(yù)測預(yù)報，治理的關(guān)鍵是自燃火源位置的精確探測，目前的滅火技術(shù)發(fā)展較為成熟，主要有惰化、堵漏等[4-5]。更何況當(dāng)前礦井防滅火逐漸趨于復(fù)雜，若采取單一方法，通常不能取得理想的防滅火效果，因而必須強調(diào)采取綜合防滅火措施，才能取得良好的效果[6]。

因此，礦井火災(zāi)已成為制約高產(chǎn)、高效礦井安全生產(chǎn)與健康發(fā)展的主要因素[7]，文章從長城五礦的防滅火技術(shù)出發(fā)，結(jié)合當(dāng)前國內(nèi)礦井實踐效果較好的防滅火措施，對采煤工作面自燃火災(zāi)的防治技術(shù)進(jìn)行研究，旨在將礦井火災(zāi)發(fā)生的可能性與危害性降至最低。

1 礦井概況

長城五礦主采3#煤層位于山西組中部，5#煤層位于山西組下部和9#煤層位于太原組下部，經(jīng)鑒定，3#、5#煤層和9#煤層自燃傾向性均為Ⅱ類，3#煤層最短自燃發(fā)火期為75天，5#煤層最短自燃發(fā)火期為105天，9#煤層最短自燃發(fā)火期為83天。

1.1 煤層自燃特性

長城五礦3#、5#煤層和9#煤層自燃氧化熱力學(xué)特性基本相同，當(dāng)煤溫達(dá)到50℃左右時，進(jìn)入緩慢氧化階段，煤溫達(dá)到126.5℃左右時，氧化加劇，進(jìn)入加速氧化階段，煤溫迅速升高至500℃左右，煤進(jìn)入激烈氧化燃燒階段。 不同氧化階段的溫度范圍和產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物種類與濃度是不一樣的。通常情況下，產(chǎn)生的氣體產(chǎn)物包括：CO、CO2、C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等。通過煤升溫氧化特性實驗得出：3#、5#煤層和9#煤層升溫產(chǎn)生的不同氣體產(chǎn)物的臨界溫度與濃度，如表1所示。

通過不同煤層的煤升溫氧化特性實驗，可以得出在緩慢氧化階段產(chǎn)生的氣體主要為CO，加速氧化階段產(chǎn)生的氣體種類較多，其中C2H4的濃度最高。因此可以將以C2H4作為自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體，并輔以CO相對量變化趨勢來掌握煤炭自燃情況。當(dāng)檢測到CO氣體時，說明煤已經(jīng)開始發(fā)生氧化反應(yīng)；C2H4的出現(xiàn)，說明自燃發(fā)火進(jìn)入了加速氧化階段。

表1 不同氣體產(chǎn)物的臨界溫度與濃度

1.2 自燃發(fā)火危險區(qū)

根據(jù)井下監(jiān)測以及不同區(qū)域的煤升溫氧化特性實驗考察結(jié)果，長城五礦井下容易發(fā)生自燃發(fā)火的地點有：高冒區(qū)破碎的煤壁、遺留的煤柱、采空區(qū)遺煤等。采空區(qū)遺煤厚度大，遺煤的破碎程度大、采空區(qū)漏風(fēng)量大、三線兩道浮煤堆積多，自燃危險就越大，加以采空區(qū)自燃發(fā)火滅火難度大，會給采煤工作面安全生產(chǎn)帶來重大威脅，因此采空區(qū)自燃發(fā)火的防治是預(yù)防礦井煤炭自燃的重點。

2 長城五礦防滅火設(shè)計方案

按照長城五礦編制的防滅火專項設(shè)計，首先通過地面束管監(jiān)測系統(tǒng)，人工檢測等方式進(jìn)行自燃發(fā)火的早期預(yù)測預(yù)報；然后回采工作面采取噴灑阻化劑、地面注氮、注漿等防滅火措施；通過已經(jīng)建立的防滅火系統(tǒng)，一旦監(jiān)測到自燃發(fā)火標(biāo)志氣體的出現(xiàn)，則啟動相應(yīng)管控措施。

2.1 預(yù)警監(jiān)測手段

2.1.1 地面束管監(jiān)測

長城五礦地面安裝有煤礦自燃發(fā)火束管監(jiān)測系統(tǒng)，可對O2、N2、CO、CH4等氣體成分進(jìn)行化驗分析。每班由專業(yè)人員在束管取氣側(cè)用球膽進(jìn)行取樣，帶至地面利用氣相色譜儀進(jìn)行化驗分析。

2.1.2 傳感器實時監(jiān)測

長城五礦采煤工作面回風(fēng)隅角安設(shè)有CO傳感器，采煤工作面回風(fēng)順槽安設(shè)有溫度傳感器，采煤工作面及采區(qū)皮帶巷、主要皮帶巷皮帶驅(qū)動滾筒下風(fēng)側(cè)安設(shè)有CO傳感器和煙霧傳感器，實現(xiàn)對CO濃度和煙霧的在線監(jiān)測和報警功能。

2.1.3 人工定期采樣測定

在采煤工作面及上隅角、工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷等地點建立人工自燃發(fā)火觀測點，對O2濃度、CO濃度等參數(shù)進(jìn)行測定，工作面回風(fēng)巷、采區(qū)回風(fēng)巷、采煤工作面及上隅角每班觀測一次，采空區(qū)密閉每周觀測一次。在各點采用球膽取氣帶至地面用氣相色譜儀進(jìn)行氣體分析，掌握C2H4、C2H6、C2H2等自燃發(fā)火標(biāo)志性氣體濃度的變化，對自燃發(fā)火情況進(jìn)行預(yù)警。

2.2 防滅火管控措施

2.2.1 噴灑阻化劑

長城五礦采煤工作面正常生產(chǎn)期間采取噴灑阻化劑的防滅火措施，在工作面進(jìn)風(fēng)順槽處安設(shè)有阻化劑噴灑泵、儲液箱及配套設(shè)備，采用與水的配比濃度為15%的氯化鈣或0.6%的新型防滅火硅膠為原料，工作面每5個液壓支架安設(shè)一個阻化劑噴嘴，噴嘴由噴灑軟管連接，工作面每個作業(yè)循環(huán)結(jié)束后，在液壓支架后方采空區(qū)表面20m范圍內(nèi)及工作面上下出口進(jìn)行阻化劑噴灑。

2.2.2 采煤工作面注氮

長城五礦地面壓風(fēng)機(jī)房安設(shè)有注氮機(jī)，注氮管路系統(tǒng)齊全，根據(jù)礦井實際情況，我礦選擇管徑大于108mm的注氮管路，滿足采區(qū)最遠(yuǎn)采煤工作面的注氮要求，采煤工作面進(jìn)風(fēng)順槽鋪設(shè)有專用注氮支管路，對各采區(qū)采煤工作面采取預(yù)防性注氮的防滅火措施，回采期間工作面一旦監(jiān)測到CO氣體且呈現(xiàn)快速增長趨勢或工作面因遇地質(zhì)構(gòu)造推進(jìn)速度緩慢、停滯不前時，對工作面采取連續(xù)注氮氣防滅火措施。

2.2.3 采煤工作面注漿

礦井在地面建立有注漿站，主要由儲料送料機(jī)泥漿池和泥漿攪拌機(jī)組成。注漿主管路采用φ219mm的管路，采用φ108mm管路沿總回風(fēng)巷進(jìn)入5煤回風(fēng)上山，之后進(jìn)入采煤工作面回風(fēng)巷及采空區(qū)。為完善注漿系統(tǒng)，利用地面充填站對灌漿系統(tǒng)改造，利用現(xiàn)有注漿管路系統(tǒng)進(jìn)行粉煤灰注漿，實現(xiàn)了既可粉煤灰又可黃泥注漿，采煤工作面注漿方法采用隨采隨注，即隨采煤工作面推進(jìn)的同時向采空區(qū)注粉煤灰。

2.2.4 封閉堵漏

為了隔斷采空區(qū)漏風(fēng)通道，降低采空區(qū)漏風(fēng)量，切斷采空區(qū)供氧條件，防止采空區(qū)遺煤氧化自燃，采煤工作面采取上隅角壘砌矸石袋墻并吊掛擋風(fēng)簾，沿空留巷采空區(qū)側(cè)噴涂封閉材料，均壓通風(fēng)等采空區(qū)封閉堵漏風(fēng)措施。

2.2.5 煤層注水

采煤工作面采取了超前長臂注水措施，采用動壓注水和靜壓補水的聯(lián)合注水系統(tǒng)，注水孔采用雙向布置，比1/2工作面長度短5～8m；使用動壓注水泵，注水流量為123L/min，注水壓力可達(dá)到3.7～7.5MPa，注水鉆孔周圍煤壁有水滲出時，停止注水，充分濕潤煤體，增加煤體水分，降低煤體溫度，從而抑制煤體自燃。

3 長城五礦防滅火技術(shù)工作存在的問題

通過上述防滅火技術(shù)現(xiàn)狀，分析防滅火技術(shù)存在的問題有：(1)采煤工作面束管監(jiān)測系統(tǒng)為地面固定式，由于受到長距離的影響，導(dǎo)致取樣不精確，影響自燃發(fā)火氣體濃度分析結(jié)果；(2)礦井未進(jìn)行開采煤層采空區(qū)自燃“三帶”的研究，采空區(qū)束管及注氮管路埋管邁步距離取經(jīng)驗值；(3)發(fā)生火災(zāi)后，缺少快速滅火系統(tǒng)及措施。

4 改進(jìn)措施

為有效防治煤炭自燃發(fā)火，結(jié)合國內(nèi)外常用的防滅火技術(shù)，為提高礦井防滅火能力，完善礦井防滅火系統(tǒng)，長城五礦需進(jìn)行以下幾方面的改善和補充礦井防滅火系統(tǒng)：(1)在井下回采工作面建立移動式簡易束管檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)對回采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火氣體的實時在線監(jiān)測與分析，消除人工定期取樣檢測分析造成的時間空白期內(nèi)無法提前預(yù)報自燃發(fā)火可能性，導(dǎo)致防滅火措施采取的滯后而失去防滅火時效性；(2)明確采空區(qū)自燃“三帶”的具體位置，消除采空區(qū)束管采樣器及注氮管路釋放口邁步設(shè)置的盲目性；(3)分析采煤工作面后部采空區(qū)漏風(fēng)通道，優(yōu)化采煤工作面通風(fēng)系統(tǒng)，利用“U”型通風(fēng)均壓堵漏風(fēng)防滅火措施，減少采空區(qū)漏風(fēng)；(4)增加移動式灌漿防滅火裝置及系統(tǒng)，若發(fā)生火災(zāi)，采取封閉式注漿的快速滅火措施，實現(xiàn)快速滅火，避免火勢迅速擴(kuò)大；(5)優(yōu)化采掘工藝和工作面巷道布置，應(yīng)用快速采掘設(shè)備和裝置，減少保護(hù)煤柱的留設(shè)，防止留設(shè)的煤柱自燃發(fā)火；(6)回采工作面全部采取一次采全高采煤方法，減少丟煤量，提高回采率，從源頭上防止采空區(qū)發(fā)生自燃風(fēng)險。

5 結(jié)語

(1)設(shè)計并進(jìn)行了煤層自燃發(fā)火試驗，確定了長城五礦自燃標(biāo)志性氣體CO、C2H6、C2H4及其臨界溫度值與濃度值；(2)介紹了長城五礦當(dāng)前防滅火設(shè)計方案，主要包括3種監(jiān)測手段，即：地面束管監(jiān)測、傳感器實時監(jiān)測、人工定期采樣測定；5種管控措施，即：噴灑阻化劑、采煤工作面注氮、采煤工作面注漿、封閉堵漏、煤層注水；(3)總結(jié)并分析了長城五礦當(dāng)前防滅火技術(shù)存在的不足，結(jié)合國內(nèi)外礦井常用的防滅火技術(shù)，提出了建立移動式簡易束管檢測系統(tǒng)、明確采空區(qū)自燃“三帶”等亟需改進(jìn)的措施。