寺河煤礦二號井97306工作面采空區防滅火綜合治理技術研究與實踐

張浩浩

(晉能控股煤業集團 寺河煤礦二號井，山西 晉城 048000)

1 工程概況

晉能控股煤業集團寺河煤礦二號井97306工作面位于礦井九七盤區，東為97305工作面采空區、南為礦界、西為實體煤、北為九七盤區大巷；工作面設計傾向長度180 m，走向長度1 350 m，可采走向長度1 305 m。工作面采用綜合機械化采煤方法開采9號煤層，煤層平均厚度1.5 m，平均含2層夾矸，夾矸厚小于0.20 m，結構簡單，屬穩定大部可采煤層。根據礦井地質資料可知，9號煤層屬于Ⅰ級易自燃煤層，現為防止采空區出現遺煤自燃現象，特進行采空區自燃“三帶”和防滅火技術的研究。

2 采空區自燃“三帶”分布規律

為有效掌握采空區自燃“三帶”的分布規律，了解采空區容易自燃的區域位置，在回采工作面進、回風巷方向布置束管監測點，如圖1所示。束管沿工作面進風巷和回風巷幫吊掛，共需單路束管8路，其中進風巷吊掛4路，用于工作面進風隅角“采空區三帶”檢測(埋設間距為50 m)，其余4路沿回風巷布置，分別設置在上隅角處(其中3路用于回風隅角采空區三帶檢測，埋設間距為50 m)。

97306工作面利用地面束管系統直接進行氣樣分析，采樣周期為每天1次。主要對氧氣、一氧化碳、甲烷等指標氣體進行監測分析。在進行工作面自燃“三帶”分布劃分時，采用7%的氧氣濃度來界定[1-2]，“散熱帶” 與“氧化帶” 之間依據采空區漏風流場解算結果、結合氧氣濃度分布、比對相鄰礦井的實際情況，經綜合考慮后，得出采空區自燃“三帶分布如表1所示。

表1 采空區自燃“三帶”分布范圍數據

3 防滅火技術與效果

3.1 防滅火方案

基于上述采空區自燃“三帶”分布規律的分析結果，結合工作面及煤層的賦存特征，設計工作面采空區防滅火方案采用煤層自然發火光譜束管監測預報技術、采空區汽霧阻化技術和采空區封閉注氮技術等相結合的綜合防滅火方案，具體各項防滅火措施如下：

3.1.1 煤層自然發火光譜束管監測預報

針對采空區自燃發火監測系統，根據國內外現有的監測系統可知，常用的監測系統主要有3種：井下激光束管、地面色譜束管、井下光譜束管[3-4]。激光束管、光譜束管均是將真空泵、氣體采樣分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的聯絡巷或機電硐室內，電信號通過傳輸電纜送到地面計算機，并進行數據處理、存貯、火災系數分析、爆炸危險性判斷、報表打印等，具有系統管理和維護簡單的優點。氣相色譜是將井下采空區或封閉區內的氣體通過束管抽到地面，然后通過氣相色譜儀分析，具有分析組分多的優點。經綜合分析比較，設計選用JSG5型井下光譜束管火災監測系統進行采空區自燃氣體的監測。

3.1.2 采空區汽霧阻化技術

為實現對采空區較好的阻化效果，根據現有的阻化材料種類，確定本次采用 CaCI2作為阻化劑，阻化劑的濃度為20%，阻化材料在該濃度下可實現較好的阻化和防滅火效果。97306工作面采空區的阻化系統設置在進風巷內，阻化系統主要包括儲液箱、阻化泵、霧化器和管路等[5-6]，具體工作面阻化系統布置如圖2所示。影響霧化泵效果的因素主要包括壓力和流量。眾多理論研究和工程實踐結果表明，當霧化泵的霧化壓力可自由控制，流量應達到2.0 m3/h以上時，可達到最佳的霧化效果。

圖2 工作面采空區汽霧阻化防滅火系統布置方式示意

采空區汽霧阻化工藝如下：阻化劑水濟液的容器置于巷內，用防滅火液壓泵沿高壓軟管將阻化劑溶液輸送到霧發生器，泵上安有壓力計以便于控制輸送壓力。裝在工作面與運輸巷交接處的霧發生器，在高壓(2.5 MPa)作用下噴出阻化汽霧，溶液的85%被分散為直徑30 μm的霧粒，并由風流帶向采空區。

為了防止霧發生器噴嘴堵塞，在供液管路中裝有自動過濾器。向采空區噴送霧狀阻化劑之前，應進行采區內的阻力測定，確定其漏風量和漏風方向。為了減少噴射阻化劑對采空區空氣動力狀態的影響，霧發生器引射的風量不應大于自然漏風量。在進行工作面阻化劑噴灑作業時，設置底板浮煤噴灑量為122 kg，工作面上下兩端頭噴灑量為300 kg。

3.1.3 采空區封閉注氮技術

采空區封閉注氮技術主要是通過向采空區內注入液態氮氣，當氮氣進入采空區后，可有效降低采空區內氧氣含量，使采空區內的遺煤達不到自燃的條件，從而實現采空區防滅火的目的[7]。采空區內氮氣的主要防滅火作業主要有3種：抑制采空區瓦斯爆炸、抑制采空區浮煤氧化自燃和撲滅采空區煤層自燃。氮氣防滅火原理如圖3所示。當采空區內注入大量高濃度氮氣后，采空區內的氧氣含量大幅下降，遺煤表面氧氣濃度會大幅降低，氮氣會取代氧氣吸附在煤炭裂隙表面，這在很大程度上能夠抑制遺煤的自燃氧化。

圖3 氮氣防滅火原理框

本次采空區注氮采用交替邁步式注氮工藝，即從工作面開切眼的位置處每間隔20 m預埋1趟注氮支管，控制注氮流量的閥門安裝在支管上，控制注氮流量為1 000 m3/h，注氮工藝具體施工流程為：注氮支管埋入采空區的深度為20 m時，即可開始注氮作業，當注氮管路埋入采空區40 m后，即可停止注氮作業。采用該種注氮工藝能夠確保同時有兩趟注氮支管向采空區內注入氮氣，在工作面正常回采期間，確保注氮管路正常運行，保障采空區內持續有氮氣注入。97306工作面采空區埋管注氮系統布置如圖4所示。

圖4 工作面埋管注氮工藝示意

3.2 效果分析

97306工作面采空區防滅火方案實施后，工作面回采期間，通過束管監測系統進行采空區內CO和O2濃度數據的監測作業，進風巷60 m和回風巷60 m內束管監測結果如圖5所示。

分析圖5可知，回采期間，工作面進風巷和回風巷內CO濃度最大值均小于87×10-6，且回風巷中的CO濃度未超過14×10-6，另外通過工作面回采期間的觀測分析可知，回采期間采空區無自燃現象，為工作面安全回采提供了保障。

圖5 工作面采空區束管監測結果

4 結 語

根據97306工作面的地質條件，通過束管監測的方式進行采空區自燃“三帶”規律分析，基于分析結果分別確定出采空區進風側和回風側氧化升溫帶的范圍，結合自燃“三帶”分布規律，設計采空區采用監測監控+汽霧阻化技術+封閉注氮技術相結合的防滅火方案。根據防滅火方案實施后的效果分析可知，工作面回采期間各項指標均在合理范圍內，為工作面的安全回采提供了保障。