綜合防滅火技術在沿空留巷綜采工作面的應用

文/焦世雄 王文才

目前，大同煤礦集團白洞礦業公司正在探索沿空留巷開采工藝，而所采山4#煤層為自燃煤層，最短自然發火期為84天。為了防止回采過程中由于推進緩慢、采空區漏風等因素導致采空區遺煤自燃，白洞礦業公司采用了注氮、噴灑阻化劑、臨時灌漿等綜合防滅火方法并取得了很好的效果，為沿空留巷綜采工作面防滅火積累了經驗。

一、礦井及沿空留巷綜采工作面概況

白洞礦業公司位于大同煤田中東部，地處大同市西南約30km。

井田東西長10.4km，南北寬4.0～5.9km，面積為51.21km2。現正在開采山4#煤層，其中8305工作面為沿空留巷綜采工作面。8305工作面位于礦井東盤區，北為8303采空區，南為補總回風大巷，西為補總回風大巷，東為三條盤區巷道，其上為侏羅系14-3煤層采空區8114、8116工作面，層間距約500m。工作面走向長度712m，可采長度625m，傾向長度為198m；煤層厚度為3.1～4.0m，平均厚度為3.6m；煤層傾角1°～3°，平均傾角為2°。

根據2018年煤層自燃傾向性鑒定報告可知：山4#煤層自燃傾向性為自燃，自燃傾向性等級為Ⅱ級，最短自然發火期為84天。

為有效預防8305工作面采空區遺煤自燃，結合8305工作面煤層賦存條件、巷道布置、回采工藝等實際情況，同時借鑒其他礦井山4#層工作面的防火經驗，白洞礦業公司采用了采空區注氮、噴灑阻化劑、臨時灌漿、采空區防滅火監測系統等綜合防滅火方法。

二、注氮防滅火

1.制氮設備、安裝地點及路線

在地面制氮機房內安裝1 套KGZP-1500型碳分子篩制氮機，制氮能力為1500Nm3/h，純度≥97%，出口壓力≥0.8M Pa；1套DM-1000型膜分離制氮機，制氮能力為1000Nm3/h，純度≥97%，出口壓力≥0.8MPa。

注氮路線為：地面制氮車間→主斜井→措施巷→盤區皮帶巷→2305皮帶順槽→采空區。

2.注氮工藝

采用邁步式埋管注氮工藝，具體工藝如下。

在2305進風順槽沿采空區埋設2趟DN100mmPE管，第1趟與第2趟步距50m。第1趟管路埋入采空區50m時，開始第2趟管路注氮，第1趟管路仍保持連續注氮。當第1趟注氮管口埋入采空區100m時，斷開第1趟注氮管路，開始第2趟管路注氮。

當第2趟注氮管口埋入采空區100m時，開始第1趟注氮管路的注氮。斷開第2趟注氮管路。如此循環，直至工作面采完為止。

3.注氮防滅火惰化指標

（1）注氮防火惰化，即注氮后采空區內氧氣濃度不得大于7%；

（2）注氮滅火惰化，即火區內氧氣濃度不大于3%；

（3）注氮抑制瓦斯爆炸，其采空區氧氣濃度指標小于12%。

4.注氮量計算

式中：QN—注氮流量，m3/h；

Qo—采空區氧化帶內漏風量，m3/min，現取10m3/min；

C1—采空區氧化帶內平均氧濃度，20%～10%，取10%；

C2—采空區惰化防火指標，取7%；

CN—注入氮氣中的氮氣濃度，98%；

K — 備 用 系 數，一 般 取1.2～1.5，這里取1.2。

經過計算，8305工作面注氮流為432m3/h，能夠滿足要求。

三、噴灑阻化劑防滅火

工作面正常推進時要及時噴灑阻化劑，使用氣霧阻化系統防滅火。

1.阻化劑的選擇

選用MgCl2、CaCl2阻化劑，能夠侵入到煤的層理、節理和微小的裂縫中，在煤的表面形成液膜，由于其吸水性強，所以在一定溫度下能保持一定水分。還可以黏附在煤的表面，形成穩定的抗氧化的液膜，阻止煤與氧接觸，減少煤的氧化，起到隔氧阻化的作用。與同類產品相比，最大的特點是成本低，貯運方便。

2.噴、灑方式

回采期間，每個圓班對工作面采空區噴灑一次阻化劑，要求阻化劑噴灑均勻，能夠覆蓋工作面底板遺煤上。

在2305巷串車處穩裝1臺BH-160/12.5-G型的防滅火液壓泵站，經由高壓軟管將20%的MgCl2溶液輸送到霧發生器（噴咀數量暫確定為2個，即在工作面頭部和中部各安設1個噴咀，加強頭部的噴灑工作，可根據實際效果適當增減），霧發生器在高壓（12.5MPa）作用下噴出阻化汽霧，85%的溶液被分散為直徑30μm的霧粒，并由風流帶向采空區內。為了防止霧發生器噴咀堵塞，在供液管路中裝有自動過濾器。

3.阻化液的配比

根據廠家設計，阻化劑與水按照阻化劑溶液濃度為20%進行配比，阻化率為45%～60%。

4.噴灑量計算

噴霧量的大小與采空區丟煤量成正比。其計算公式如下：

T=KADLHS/R=0.02×0.05×1.48×198×3.2×4.8/0.85=5.30t

式中：T—日噴霧量，t；

R—霧化率，%，取85%；

K—噸煤用液量，t/t，取0.02t/t；

D—實體煤容重，t/m3，取1.48t/m3；

L—工作面長度，m，取198m；

H—工作面采高，m，取3.2m；

S—日進尺，m，取4.8m；

A—丟煤率，%。

四、臨時灌漿系統

當注氮防滅火、噴灑阻化劑防滅火效果不理想，且工作面有發火征兆時，立即啟用工作面臨時灌漿系統對采空區進行灌漿。

根據地測科提供的標高資料可知，2305巷煤層底板標高約971m，5305巷煤層底板標高約965m，2305巷比5305巷高約6m。故設計在工作面2305串車前，建立工作面臨時灌漿站，在工作面回采前將灌漿管路延接至2305巷端頭支架以里采空區50m處，對采空區實施灌漿。為了防止灌漿管路被砸而毀壞，在管路前施工#字木垛。灌漿系統管路如圖1所示。

1.日灌漿需土量計算

式中：Q1—日灌漿所需土量，m3/d；

K—灌漿系數，灌漿材料的固體體積與需要灌漿的采空區容積之比。在K值中考慮了冒落巖石的松散系數、泥漿收縮系數和跑漿系數等綜合影響。該系數應根據各礦的實際情況確定（取值范圍0.03～0.3）；

l—工作面日推進度，m/d；

m—煤層采高，m；

h—灌漿區的傾斜長度，m；

c—采煤回收率，%；g

2.日灌漿需水量計算

式中，Q 2—日灌漿需水量，m3/d；

δ—水土比，我國煤礦灌漿的泥漿水土比一般使用3：1～6：1，取5：1；

K1—沖洗管路防止堵塞用水量的備用系數，一般取1.10～1.25，取1.25。

五、防滅火監測系統

1.束管監測系統

礦井配置一套JSG8(A)型煤礦束管火災監測系統，一次進樣可以完成對CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、N2等自然發火標志氣體的全分析；束管總管由地面化驗室開始從主斜井深入井下，進入盤區皮帶巷。

（1）束管管路布置。2305皮帶順槽束管從盤區皮帶巷總管分支，經皮帶大巷→5305回風順槽→工作面2305巷采空區→工作面5305巷采空區。

圖1 8305工作面埋管灌漿示意圖

（2）測點布置。束管線測氣口布置在2305、5305順槽采空區，每隔50米布置一個，隨時可以采集8305采空區內的氣體，束管線靠巷道上幫吊掛牢固。如果束管取樣化驗結果與采空區實際數值誤差較大，不能準確反映采空區氣體成分時，則必須采用取樣泵，人工取樣。

2.人工預測預報分析

（1）人工檢測參數：CO、CH4、CO2、O2和溫度。

（2）人工測點布置：8305工作面回采后，每班檢查8305工作面、回風流和工作面中、尾氣體。

（3）取樣分析：8305工作面回風流、采空區每周取樣2次，分析其氣體成分。

3.傳感器監測監控系統設置

（1）工作面回風流距回風口10m～15m處安裝溫度、一氧化碳傳感器，并確保實時在線監測。

（2）工作面初采線起沿空留巷內采空區側每隔150m安裝1臺一氧化碳傳感器，并確保實時在線監測。

六、效果分析

白洞礦業公司通過采空區注氮、噴灑阻化劑、臨時灌漿、采空區設置防滅火監測系統等綜合防滅火方法，可以有效惰化采空區氣體，減少采空區浮煤與空氣的接觸，降低采空區溫度，從而有效防止沿空留巷綜采工作面采空區浮煤自燃事故的發生。