韓咀煤礦綜放面采空區綜合防滅火技術研究

張鵬軍

(中煤華晉集團韓咀煤業有限公司，山西 河津 043300)

0 引言

32101工作面位于韓咀煤礦一盤區北翼，開采2號煤層。工作面地面標高790～920 m，井下標高570～615 m，煤層平均傾角7.3°，平均厚度5.5 m，夾矸為炭質泥巖，黑色，以瘦煤為主，裂隙發育，參差狀斷口，具條帶狀構造。工作面基本頂為細粉砂巖互層，含有較多黑色礦物和植物化石碎片，直接頂為粉砂巖，含有較多云母片；直接底為泥巖，層理較為明顯，性質較脆，老底為K7砂巖，以石英為主，質地堅硬。工作面開采煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，類別為自燃，最短自然發火期為154 d。32101工作面采用走向長壁后退式綜放采煤法，采高為3.0 m、放煤高度為2.5 m，全部垮落法管理頂板。

32101工作面煤炭自燃情況主要發生在采空區，主要原因由放頂煤后遺留在采空區部分煤炭引起，由于火源位置隱蔽，影響因素較多，遺留煤炭自燃現象一旦產生，較難在短時間內撲滅，會產生高溫火災事故，產生有毒有害氣體，對礦井的安全生產與井下工人的生命安全造成嚴重威脅，因此采取多種綜合措施降低采空區遺留煤炭的自然發火隱患具有重要意義。

1 32101工作面自然發火特性

工作面采空區發生自然發火現象，一般與3種因素有關：一是遺留松散煤體的蓄散熱環境；二是發火區域的風流特性；三是發火區域的氧氣含量[1-3]。根據韓咀煤礦32101工作面目前的開采條件和開采特點，并結合煤層自燃特性，可以對礦區煤層自燃危險性進行評價。32101工作面推進長度達1 200 m，開采時間長，綜放面在放頂煤開采時，受到煤質及放煤工藝的約束，會留有一定厚度的頂煤無法放出，造成采空區遺留煤炭資源增加，使得采空區自然發火危害性提升。由于韓咀煤礦為資源整合型礦井，32101工作面開采回采上層位存在采空區，上方采空區多為巷柱式開采，這種情況下頂板裂隙較發育，上下采空區漏風通道易導通，導致采空區漏風嚴重，新鮮風流經漏風通道達到采空區，增大了工作面采空區自然發火的危害。

在工作面后方的采空區內，可以按照遺留煤炭資源自然發火的可能性，由外向里人為的劃分為散熱帶、自燃氧化帶和窒息帶，如圖1所示。在散熱帶內，雖然氧氣濃度達到煤炭自燃的條件，但由于風速超過了蓄熱上限，將停留在該帶內的煤炭因氧化釋放的熱量帶走，所以使煤炭自燃的蓄熱條件遭到破壞而無法自燃。在窒息帶內，氧氣濃度低于煤炭自燃所需要的氧化下限值，所以停留在該帶內的煤炭也失去了自燃的能力。只有停留在自燃氧化帶內煤炭才能滿足自然發火的條件[4-7]。

圖1 32101工作面采空區自燃“三帶”示意

32101工作面根據自然發火“三帶”的劃分標準[8-10]，可以總結出自然發火的部分特點：①自然發火時間短，32101工作面采空區自燃點的周圍煤巖體溫度迅速升高，面積不斷擴大，加之煤巖體的比熱容較高，導致周圍介質儲存了大量能量，導致自然發火時間較短。②容易復燃，在自然發火時間短的基礎上，遇到漏風嚴重的時候，高溫煤體會迅速重新燃燒，進一步加速煤氧化的程度。③發火點較為隱蔽，在采空區遺煤量加大，且漏風區域較多的情況下，自燃點的位置確定比較困難，呈現較廣范圍的災害。④治理難度較大，由于存在以上自然發火時間短、易復燃、發火點隱蔽等特點，造成32101工作面采空區防滅火治理措施實施難度大。

2 32101工作面采空區綜合防滅火措施

一般而言，工作面采空區防滅火綜合治理首先應對采空區氣體進行連續監測，進而分析氣體監測結果，采用SF6氣體檢測漏風通道并結合地面鉆孔探測高溫點，判斷發火區域后進行井上下堵漏、采空區注漿、采空區注氮、采空區注三相泡沫、地面注液態CO2等措施[10-12]。結合32101工作面采空區的綜合防滅火技術特點，應該從加強標志性自燃氣體監測、建立防滅火觀測系統、建立注漿滅火系統、噴灑阻化劑系統和注氮系統幾個方面開展工作。

2.1 構建氣體監測探測系統

2.1.1 采空區氣體監測

在工作面回風巷布置3根束管，束管埋入采空區，每2個束管監測取樣點間距為50 m，埋入采空區最遠取樣點距工作面為150 m，埋入采空區的束管要用直徑25～50 mm的護管加以保護，防止損壞束管，如圖2所示；如埋入采空區內采樣點外O2濃度<5%時，CO濃度穩定后，該采樣點可提前停止采樣。對采空區氣體成分和濃度每周抽樣化驗分析一次，內容有CO、CH4、CO2、O2及其它烯炔類氣體。當有自然發火征兆時(檢測到自然發火標志性氣體)，立即采取措施進行處理并對采空區CO等自然發火標志性氣體濃度監測，每隔8 h進行一次抽樣化驗分析，必要時加強監測分析頻率。

圖2 32101工作面采空區氣體監測

2.1.2 工作面氣體檢測點

工作面回風觀測點，布置在工作面回風巷，距工作面10～20 m，隨工作面開采而移動。回風隅角觀測點，布置于工作面回風隅角，隨工作面開采而移動，如圖3所示。每班對工作面、回風流和回風隅角的氣體至少巡檢2次，每次時間間隔4 h左右，定期在工作面回風隅角處取樣，通過色譜儀化驗分析采樣氣體組分和濃度，預測工作面采空區的自然發火趨勢。對工作面回風流進行監測。在工作面回風流安裝CO、風速、溫度等傳感器，確保其正常運行，每周對取樣化驗結果全面分析，每月底進行分析總結。

圖3 32101工作面回風隅角氣體檢測點

2.2 建立防滅火系統

注漿防滅火系統：在回風立井工業場地建設黃泥灌漿站，制漿機型號為LHZ-60，泥漿土水比暫定為1∶5；每小時制漿量為60 m3/h。黃泥灌漿管路采用φ159 mm×60 mm無縫鋼管，支管采用φ108 mm×60 mm無縫鋼管，從制漿站接出后，通過回風立井敷設至井底，再由總回風巷、2號煤西翼回風大巷、北主運大巷通過32101輔運巷至32101工作面。采煤工作面回采結束后，根據現場實際情況在回采工作面輔運巷和主運巷施工防火密閉并進行集中注漿，通過向密閉內注泥漿，從而隔絕氧氣，防止煤炭自燃。注漿至停采線底板能均勻鋪漿為止，注漿量根據密閉內空間計算。

噴灑阻化劑系統：32101工作面所使用阻化劑的藥液濃度可控制在15%～20%之間，選用BH-40/2.5型礦用阻化劑泵，在32101主運超前支護區域前方放置一個容器作為阻化劑藥箱，根據回采工作面推進度每天檢修班進行一次阻化劑噴灑作業。根據計算32101工作面單次噴灑阻化劑用量為367.4 kg，通過工作面敷設的一趟φ25 mm的專用阻化劑管路，每25 m預留一個KJ25變KJ13的三通，在KJ13的三通上連接截止閥，通過φ13 mm的管路直接對架后浮煤噴灑阻化劑。噴灑阻化劑下風側20 m范圍內不應有人員停留，人員噴灑時應戴防護口罩和手套，噴灑到機械設備、支架等金屬構件上的阻化劑應及時用水沖洗。

注氮系統：采用可移動式注氮系統，型號為DT-700/6制氮裝置，制氮能力700 m3/h，機組總功率286 kW。注氮機在地面備用，定期對注氮機進行檢修，確保設備完好，井下工作面有自燃征兆時立即下井投入使用。注氮過程中，工作場所的氧氣濃度不得低于18.5%，觀察氮氣流量、氧氣含量(<3%)、氮氣壓力(≥0.8 MPa)、空氣壓力(≥0.9 MPa)、空氣溫度49 ℃左右，是否在正常值和允許誤差值范圍之內。

2.3 防滅火技術措施注意事項

保證合理的推進速度：以每天不低于2.4 m/d為宜，同時加強放頂煤質量，盡可能放頂至見矸，減少采空區遺煤量。

減少漏風量：工作面進回風隅角及時用煤袋墻或珍珠巖充填嚴實，減少采空區漏風量。

防火門設計：在32101工作面兩順槽距巷口10～15 m位置各施工防火門一道，防火門選用材質為阻燃材料，防火門墻體厚度≥600 mm，墻體四周與巷壁接實，掏槽深度不小于300 mm，防火門框架選用工字鋼焊接而成，中間插阻燃防火板。先進行密閉噴漿、注漿工作，注氮、注阻化劑泡沫在設備準備齊全后立即施工。正常回采期間每天檢修班噴灑，如遇停產、過斷層、收尾等情況，必須對采空區等重點區域加量噴灑。

2.4 綜合防滅火技術實施效果分析

32101工作面回采期間，利用束管監測采空區內的氣體和溫度。監測結果顯示，32101工作面采空區溫度一直保持在18 ℃，出現變動的幅度較小，CO2濃度穩定在0.05%，O2濃度逐漸降低，最終穩定在18%，CO濃度保持在6×10-5。由此可見，在工作面回采過程中O2、CO濃度基本保持穩定并未明顯升高趨勢，在32101工作面采空區采取有效防滅火措施下，能夠在回采過程中避免遺留煤炭資源自燃，從而保證工作面回采工作正常進行。

3 結論

韓咀煤礦32101工作面采空區存在頂煤冒放不充分、上方有采空區且煤體易自燃的缺點，在分析工作面采空區自燃“三帶”的基礎上，發現32101工作面采空區遺煤自然發火周期短、易復燃、發火點較隱蔽且治理難度大的特點，為此確定采用設立氣體監測檢測系統和防滅火綜合技術措施進行控制，工程實踐中采空區氧氣含量穩定，采空區未出現自然發火狀態。