長城五礦防滅火技術現狀探究

呂繼恒 趙衍廣 李鵬(山東能源新汶礦業集團有限公司 內蒙能源長城五礦，山東 新泰 271200)

0 引言

我國煤田地質類型多樣，由于煤礦地質條件的復雜性和生產條件的特殊性，火災類重特大事故時有發生[1]。據統計，全國煤炭自燃引起的火災事故占礦井火災事故總數的85%～90%，煤炭自燃不僅燒毀大量資源和設備，造成巨大的經濟損失，且會產生大量的有毒有害氣體和高溫煙流，嚴重威脅井下作業人員的生命安全[2]。礦井火災與煤塵瓦斯爆炸的發生常常互為因果關系，相互擴大災害的程度與范圍，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，就其防治的關鍵來說，預防的關鍵是自燃發火的早期預測預報，治理的關鍵是自燃火源位置的精確探測，目前的滅火技術發展較為成熟，主要有惰化、堵漏等[4-5]。更何況當前礦井防滅火逐漸趨于復雜，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，礦井火災已成為制約高產、高效礦井安全生產與健康發展的主要因素[7]，文章從長城五礦的防滅火技術出發，結合當前國內礦井實踐效果較好的防滅火措施，對采煤工作面自燃火災的防治技術進行研究，旨在將礦井火災發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#煤層最短自燃發火期為75天，5#煤層最短自燃發火期為105天，9#煤層最短自燃發火期為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特性基本相同，當煤溫達到50℃左右時，進入緩慢氧化階段，煤溫達到126.5℃左右時，氧化加劇，進入加速氧化階段，煤溫迅速升高至500℃左右，煤進入激烈氧化燃燒階段。 不同氧化階段的溫度范圍和產生的氣體產物種類與濃度是不一樣的。通常情況下，產生的氣體產物包括：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#煤層升溫產生的不同氣體產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生的氣體主要為CO，加速氧化階段產生的氣體種類較多，其中C2H4的濃度最高。因此可以將以C2H4作為自燃發火標志性氣體，并輔以CO相對量變化趨勢來掌握煤炭自燃情況。當檢測到CO氣體時，說明煤已經開始發生氧化反應；C2H4的出現，說明自燃發火進入了加速氧化階段。

表1 不同氣體產物的臨界溫度與濃度

1.2 自燃發火危險區

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

2 長城五礦防滅火設計方案

按照長城五礦編制的防滅火專項設計，首先通過地面束管監測系統，人工檢測等方式進行自燃發火的早期預測預報；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；通過已經建立的防滅火系統，一旦監測到自燃發火標志氣體的出現，則啟動相應管控措施。

2.1 預警監測手段

2.1.1 地面束管監測

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

2.1.2 傳感器實時監測

長城五礦采煤工作面回風隅角安設有CO傳感器，采煤工作面回風順槽安設有溫度傳感器，采煤工作面及采區皮帶巷、主要皮帶巷皮帶驅動滾筒下風側安設有CO傳感器和煙霧傳感器，實現對CO濃度和煙霧的在線監測和報警功能。

2.1.3 人工定期采樣測定

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

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期間采取噴灑阻化劑的防滅火措施，在工作面進風順槽處安設有阻化劑噴灑泵、儲液箱及配套設備，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個液壓支架安設一個阻化劑噴嘴，噴嘴由噴灑軟管連接，工作面每個作業循環結束后，在液壓支架后方采空區表面20m范圍內及工作面上下出口進行阻化劑噴灑。

2.2.2 采煤工作面注氮

長城五礦地面壓風機房安設有注氮機，注氮管路系統齊全，根據礦井實際情況，我礦選擇管徑大于108mm的注氮管路，滿足采區最遠采煤工作面的注氮要求，采煤工作面進風順槽鋪設有專用注氮支管路，對各采區采煤工作面采取預防性注氮的防滅火措施，回采期間工作面一旦監測到CO氣體且呈現快速增長趨勢或工作面因遇地質構造推進速度緩慢、停滯不前時，對工作面采取連續注氮氣防滅火措施。

2.2.3 采煤工作面注漿

礦井在地面建立有注漿站，主要由儲料送料機泥漿池和泥漿攪拌機組成。注漿主管路采用φ219mm的管路，采用φ108mm管路沿總回風巷進入5煤回風上山，之后進入采煤工作面回風巷及采空區。為完善注漿系統，利用地面充填站對灌漿系統改造，利用現有注漿管路系統進行粉煤灰注漿，實現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的同時向采空區注粉煤灰。

2.2.4 封閉堵漏

為了隔斷采空區漏風通道，降低采空區漏風量，切斷采空區供氧條件，防止采空區遺煤氧化自燃，采煤工作面采取上隅角壘砌矸石袋墻并吊掛擋風簾，沿空留巷采空區側噴涂封閉材料，均壓通風等采空區封閉堵漏風措施。

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合注水系統，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工作存在的問題

通過上述防滅火技術現狀，分析防滅火技術存在的問題有：(1)采煤工作面束管監測系統為地面固定式，由于受到長距離的影響，導致取樣不精確，影響自燃發火氣體濃度分析結果；(2)礦井未進行開采煤層采空區自燃“三帶”的研究，采空區束管及注氮管路埋管邁步距離取經驗值；(3)發生火災后，缺少快速滅火系統及措施。

4 改進措施

為有效防治煤炭自燃發火，結合國內外常用的防滅火技術，為提高礦井防滅火能力，完善礦井防滅火系統，長城五礦需進行以下幾方面的改善和補充礦井防滅火系統：(1)在井下回采工作面建立移動式簡易束管檢測系統，實現對回采工作面采空區自燃發火氣體的實時在線監測與分析，消除人工定期取樣檢測分析造成的時間空白期內無法提前預報自燃發火可能性，導致防滅火措施采取的滯后而失去防滅火時效性；(2)明確采空區自燃“三帶”的具體位置，消除采空區束管采樣器及注氮管路釋放口邁步設置的盲目性；(3)分析采煤工作面后部采空區漏風通道，優化采煤工作面通風系統，利用“U”型通風均壓堵漏風防滅火措施，減少采空區漏風；(4)增加移動式灌漿防滅火裝置及系統，若發生火災，采取封閉式注漿的快速滅火措施，實現快速滅火，避免火勢迅速擴大；(5)優化采掘工藝和工作面巷道布置，應用快速采掘設備和裝置，減少保護煤柱的留設，防止留設的煤柱自燃發火；(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發生自燃風險。

5 結語

(1)設計并進行了煤層自燃發火試驗，確定了長城五礦自燃標志性氣體CO、C2H6、C2H4及其臨界溫度值與濃度值；(2)介紹了長城五礦當前防滅火設計方案，主要包括3種監測手段，即：地面束管監測、傳感器實時監測、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)總結并分析了長城五礦當前防滅火技術存在的不足，結合國內外礦井常用的防滅火技術，提出了建立移動式簡易束管檢測系統、明確采空區自燃“三帶”等亟需改進的措施。