綜采工作面防滅火優(yōu)化設計研究

栗魯平

（潞安化工集團有限公司能源事業(yè)部通風部，山西 長治 046202）

1 工作面概況

古城煤礦位于山西省長治市屯留縣李高鄉(xiāng)西李高村西，18509 工作面位于下組煤采區(qū)右翼，兩巷均開口于南五下組煤皮帶下山。輔運巷0～58 m 西北側實體間隔20.2 m 為下組煤采區(qū)變電所水倉通道，皮帶巷東南側水平間距34.5 m 為18509 底抽巷（正施工），輔運巷里程19～24 m、皮帶巷里程19～24 m 下部間隔7.8 m 為下組煤右翼回風下山，輔運巷里程66～72 m、皮帶巷里程66～71 m 上部垂距73 m 左右為南八軌道運輸大巷，皮帶巷里程135～339 m、549～1372 m、切眼0～75 m 上部間隔85～95 m 左右為12513 采空區(qū)，輔運巷121～490 m、968～1372 m、切眼97～240 m 上部間隔85～95 m 左右為12511 采空區(qū)。

18509 工作面設計可采走向長1359 m，采長240 m，平均采高4.35 m，工業(yè)儲量188.48 萬t，可采儲量155.73 萬t。

根據(jù)《礦井自然發(fā)火防治系統(tǒng)設計技術方案》要求[1-5]，一氧化碳能夠作為預計預測煤自然發(fā)火的標準氣體，乙烯/乙烷作為判定煤自然發(fā)火進程的核心標志氣體。

2019 年6 月對該礦煤樣化驗結果為：8#煤揮發(fā)分26.75%，自燃傾向性等級為Ⅱ類，為自燃煤層，自燃發(fā)火期為125 d，火焰長度18 mm，具有爆炸性。

2 原防滅火設計存在問題

古城煤礦防滅火系統(tǒng)中存在的問題：（1）古城煤礦防滅火系統(tǒng)檢測中使用的標志氣體是常規(guī)標志氣體，沒有進行采集、試驗，無法獲得著火臨界濃度值，不能為防滅火治理、監(jiān)控等提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。（2）該礦防滅火系統(tǒng)中使用的一些臨界指標均是按照經(jīng)驗取值，不夠精確，應及時對參數(shù)進行修正完善，使之滿足礦井防火要求。（3）古城煤礦防滅火設計中沒有針對外因火災防治進行詳細設計，對礦井防滅火工作沒有做好充足準備。

3 18509 工作面防滅火優(yōu)化設計

3.1 內(nèi)因火災防治設計

（1）在工作面上隅角、皮帶頭下風側各安裝1臺CO 傳感器，在回風巷安裝1 臺溫度傳感器，實時監(jiān)測工作面一氧化碳、溫度變化情況。

（2）束管監(jiān)測系統(tǒng)。在工作面迎頭正前向外沿回風巷保險幫鋪設三芯束，布置3 個測點，測點間距為24 m，工作面推過24 m 時（第3 個測點），將采空區(qū)測點束管斷開，在外側續(xù)接測點，使采空區(qū)始終保持3 個測點，并依次循環(huán)。管路一次接200 m，工作面推過200 m 以后再延接束管，外加抽氣泵，保護管采用一寸鋼管。以此類推直至工作面回采完畢。通風三隊利用監(jiān)測束管每3 d 對采空區(qū)進行一次氣樣采集，并在取氣后5 h 內(nèi)送通風化驗室進行氣樣化驗分析。一旦監(jiān)測到自然發(fā)火征兆，立即采取防滅火措施，并改為每天進行一次采樣化驗。18509 工作面束管監(jiān)測布置如圖1 所示。

圖1 18509 工作面束管監(jiān)測布置圖

（3）噴灑阻化劑體系。在系列車安裝設置阻化劑提升泵，應用自由移動型噴灑阻化劑提升泵，選擇防滅火硅膠為原料，按1 m3水配5～10 kg 防滅火硅膠的比例將礦用防滅火硅膠漿體噴灑在采空區(qū)或注入煤體空隙及頂煤破碎帶，每循環(huán)向采空區(qū)噴灑阻化劑，防止采空區(qū)自然發(fā)火。

工作面一次噴灑阻化液量可按下式計算：

式中：V為采煤工作面1 次噴灑阻化劑的總量，m3；K1為易自燃位置的阻化劑化學溶液噴灑富裕參數(shù)，通常為1.20；γc為采空區(qū)遺煤容重，t/m3；L為工作面長度，m；S為一次噴灑寬度，m；h為遺煤厚度，m；A為遺煤吸阻化劑的量，t/t 煤，（一般按照每一噸遺煤噴灑58.0 kg 運算）；γ為阻化液的容重，t/m3。

18509 回采工作面的長度按240 m 計算，V=1.2×1.33×240×0.8×0.02×0.058/1.15=0.31 m3。計算結果為每循環(huán)應向遺煤噴灑阻化劑量。在實際應用中，每班噴灑量應按實際割煤刀數(shù)乘以每循環(huán)噴灑量計算。若工作面推進度低于60 m/月或處于長期停產(chǎn)狀態(tài)必須采取連續(xù)性注氮措施。

（4）注氮系統(tǒng)。一旦監(jiān)測到自然發(fā)火標志性氣體的出現(xiàn)，立即啟用南五下組煤采區(qū)注氮泵，而后利用工作面注氮管路向采空區(qū)注氮。注氮期間，注入氮氣濃度不得小于97%。

① 供氮能力計算

制氮機器設備或者設備的供氮水平，應該按照礦井注氮工作分布面防火要求選用，供氮能力（1個工作面注氮量)可按下式計算：

式中：Q0為采空作業(yè)區(qū)的氧化反應帶內(nèi)漏風總量，5.0 m3/min；C1為采空作業(yè)區(qū)的氧化反應帶內(nèi)平均氧的實際有效濃度，目前國內(nèi)應用較普遍的是將采空區(qū)內(nèi)氧濃度在10%～18%之間的區(qū)域視為氧化帶，一般可選為15%；C2為采空區(qū)惰化防火指標，其值為煤自燃臨界氧濃度，本次設計此值取7%；CN為注入氮氣的濃度，97.0%；K為備用系數(shù)，取1.2。

可計算得供氮量：

下組煤安設有一臺DM-1000/8 型注氮泵，故該工作面選擇制氮能力為1000 m3/h 的制氮機可以滿足要求。

② 注氮管路管徑選擇

供氮作用壓力，能夠按照如下方程式展開運算：

式中：P2為管路終端的絕對工作壓力，MPa（這個數(shù)值不應該小于0.20 MPa）；Qmax為最大輸?shù)髁浚琺3/h；D0為基準管徑，150 mm；Di為實際輸?shù)軓剑琺m；Li為相同直徑管路的長度，km；λ0為基準管徑的阻力損失系數(shù)，0.026；λi為真實輸?shù)軓降哪Σ磷枇p失參數(shù)，見表1 的相互關系。

表1 不同管徑阻力系數(shù)值

通過現(xiàn)場實踐可以很明顯地知道，注氮管路的管徑大小范圍為50～70 mm，因為注氮位置距離工作面較近，因此，可以選擇70 mm 的管路。則P2=0.2 MPa，Di=70 mm，λi=0.032；參考依據(jù)如下方程式，其輸?shù)挠行嶋H距離是：

通過前面的論述與計算，得出L=3.9 km。因此，根據(jù)規(guī)范要求選擇注氮管路管直徑70 mm，這樣能很好地滿足工作面注氮防火的要求。如條件允許，可以選擇更粗管徑的管路。

③ 注氮系統(tǒng)

制氮管路從進風巷敷設至工作面端頭埋入采空區(qū)。制氮機安設地點應滿足以下要求：巷道平、直而且支護良好；有獨立的供水管路系統(tǒng)，水量能滿足制氮裝置的用水需求。

（5）工作面必須嚴格按照作業(yè)規(guī)程要求進行作業(yè)，不得向采空區(qū)丟煤，采高必須嚴格控制，不留頂煤或底煤，端頭及工作面的浮煤應清掃干凈，不得遺留到采空區(qū)。

（6）在工作面皮帶巷原掘進期間回風聯(lián)巷以里5 m 處施工防火門墻一道，在輔運巷內(nèi)以里距回風聯(lián)巷5 m 處施工防火門墻一道。防火門墻必須接頂接底，掏槽深度不得小于300 mm，門墻厚度不得小于600 mm，寬度400 mm，墻體正中預留寬度不小于50 mm、深度不小于50 mm 插板槽，插板槽內(nèi)抹面平整。封閉防火門板材厚度不小于30 mm，寬度不得小于300 mm，長度大于防火門寬度50 mm，并外包鐵板編號管理，指定專人管理，有板材變形或丟失必須及時補充更換，防火門墻附近配備足夠料石備用。

3.2 外因火災防滅火設計

（1）皮帶巷、輔運巷按規(guī)定設置灑水三通，工作面切眼兩端頭起，每隔10 個支架安設重量不低于8 kg 的滅火器，并安設一根消防軟管，其長度不小于15 m。

（2）工作面嚴禁儲存各類易燃品，擦洗機器設備的棉紗，在使用之后需要裝入鐵桶并且進行回收利用。

（3）移動變壓器旁、皮帶頭、油脂庫、系列車各配備滅火器，沙箱沙子不少于0.5 m3。

（4）在皮帶頭附近20 m 的控制范圍里，油脂庫都應該采用不燃性物質材料支撐防護。

3.3 其他綜合防治措施

（1）瓦檢員每班對工作面各點CO、CO2、CH4等氣體進行測定，發(fā)現(xiàn)問題及時匯報處理；每一星期對工作面上隅角與采空作業(yè)區(qū)安全防火墻等展開1 次全面、系統(tǒng)的觀測。觀察參數(shù)包括現(xiàn)場的氣體成分、氣溫、水溫及其他發(fā)火征兆。定期取樣監(jiān)測其他發(fā)火特征氣體濃度，發(fā)現(xiàn)異常，必須立即匯報通風調度。

（2）科學合理地組織安排生產(chǎn)加工、加開提速工作面的推動速率，提升回采率，減少工作面遺煤，高效預防自然發(fā)火。

（3）采用充填堵漏措施手段，預先采用注凝膠或者高分子防滅火物質材料的措施手段，展開預先處理。

4 效果分析

古城煤礦18509 工作面在開采過程中，根據(jù)工作面防滅火設計進行防治，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度較低，基本低于18×10-6，可以判斷，采空區(qū)無自然發(fā)火的可能，防治效果良好。

2020 年2 月份18509 工作面由于前方構造較多，需停產(chǎn)。停產(chǎn)期間束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測表明，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度出現(xiàn)增大現(xiàn)象，CO 濃度超過35×10-6。因此根據(jù)前文對18509 工作面防滅火設計，采取注氮滅火措施，采取開放式、連續(xù)性注氮方式，每天灌注量約10 000 m3。該期間對深入采空區(qū)50m 處(氧化帶內(nèi))的O2和CO 濃度進行監(jiān)測，濃度變化如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)氣體濃度變化

由圖2 可以看出，在采空區(qū)50 m 內(nèi)，氧氣濃度較高，基本保持在18.5%以上，位于氧化帶內(nèi)，而CO 濃度達到50×10-6。可以判定，采空區(qū)內(nèi)有自然發(fā)火的可能，按照防滅火設計要求，對采空區(qū)進行灌注液態(tài)氮氣后，CO 濃度迅速降低，由58×10-6降至20×10-6以下，O2濃度變化不明顯，滅火效果明顯。綜上可知，采空區(qū)注氮可顯著降低CO 濃度，減緩采空區(qū)遺煤的氧化速度，抑制采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象。

5 結語

綜上所述，結合礦井實際情況，從內(nèi)因火災、外因火災兩個方面對18509 工作面的火災防治進行了詳細的設計研究，極大可能的杜絕了礦井火災發(fā)生，18509 工作面在停采期間的防滅火效果顯著，避免造成人員傷亡和經(jīng)濟損失。