慈林山煤礦15102沿空留巷工作面綜合防滅火技術研究

杜艷奎

（潞安化工集團慈林山煤業公司慈林山煤礦，山西 長治046600）

1 工程概況

潞安化工集團慈林山煤業公司慈林山煤礦15102工作面走向長度1120m，傾斜長度230m，工作面開采15#煤層，平均厚度3.6m，煤層頂板巖層為K2灰巖，底板巖層為泥巖。15#煤層自燃傾向性等級Ⅱ，屬自燃煤層，最短發火期天數89d。15102工作面采用切頂卸壓自動成巷無煤柱開采技術，工作面采用該技術后，因切頂卸壓成巷時墻體接頂不實、墻體局部壓裂等問題造成采空區及停采線等地段遺煤自燃發火，現為保障需針對'110工法'的漏風大的特征，進行采空區防滅火方案的設計與研究。

2 “110”工法防滅火問題及對策

2.1 防滅火問題

根據15102工作面的地質條件，工作面采用無煤柱自成巷技術時，采空區除和工作面連通外，還和切頂卸壓新形成的墻體及地表裂隙相聯通，新形成的墻體由于接頂不實，會造成采空區大量漏風。當漏風量及風速達到一定條件是會造成采空區內遺煤自燃現象出現。由于采空區漏風通道多、漏風來源復雜，造成采空區漏風不穩定，從而給防滅火工作帶來了極大的困難[1-3]。

2.2 防滅火對策

15102工作面采用無煤柱自成巷“110工法”工作面回采過程中，針對回采工作面采空區遺煤自燃，除針對采空區采區正常的防滅火措施外，還需重點針對工作面留巷內靠工作面碎石幫漏風問題，采用了綜合預防采空區遺煤自燃方案，結合無煤柱自成巷通風特征，確定采取以下措施：

1）對工作面留巷區域成巷段墻體及接頂處進風噴漿封閉，加大地表裂隙的充填力度。

2）完善回采工作面煤層自燃監測監控系統，利用人工監測手段，強化管理人員現場檢查的閉合管理，最終確保切頂卸壓成巷期間工作面的安全回采[4]。

3）回采工作面采空區預埋注氮管路，當監測到工作面留巷段采空區出現煤層自然發火征兆時，對發現的自燃隱患區域實施封閉注氮滅火，確保礦井的安全生產。

3 綜合防滅火方案

3.1 防滅火方案

根據15102工作面采用無煤柱自成巷技術時，采空區遺煤易自燃的原因分析，基于防滅火控制對策，確定工作面防滅火方案為：束管監測+噴灑阻化劑+噴漿封堵+采空區注氮的綜合防滅火方案，具體各項防滅火措施如下：

3.1.1 束管監測系統

工作面回風巷采空區布置3個測點，測點間距50 m，1個束管采樣器連接1個束管，隨著工作面的推進，1、2、3號束管采樣器依次進入采空區，在推至過3號點約50 m時，把1號點截開，重新布點，依次循環，直至整個工作面采煤過程結束[5-6]，測點布置如圖2所示。

圖2 15102工作面束管監測測點布置圖

3.1.2 噴灑阻化劑

阻化劑噴灑系統由阻化液儲液箱、阻化劑輸送管路、加壓泵、噴頭組成。在工作面進風順槽泵站硐室處，硐室內置平板車、阻化泵、液箱和阻化劑，按所需濃度（15%）將工業CaCl2倒入儲液箱，供水管路嚴格按比例加足清水配成溶液攪拌均勻后，礦用阻化泵通過φ19 mm膠管吸液和φ19 mm的高壓膠管連通至工作面（工作面管路從機頭到機尾沿支架后立柱布置），具體工作面移動式噴灑系統工藝見圖3。每10個架接1個三通帶截止閥，用1根10 m長φ19 mm的高壓膠管噴槍相連，工作面正常回采期間采空區每天噴灑1次，噴灑寬度為4 m，從刮板輸送機機頭向機尾沿支架間隙向采空區噴灑。

圖3 阻化劑移動式噴灑系統工藝圖

3.1.3 噴漿封堵

工作面留巷內靠工作面碎石幫側安裝的檔矸網由鋼筋網和菱形鐵絲網組成，為了防止采空區漏風現象發生，采取在工作面留巷內架后支護的鋼筋網靠工作面碎石幫側鋪設風筒布，高度取3 000 mm上下各超出150 mm，風筒布搭縫處寬度300 mm，待頂板垮落并穩定后，對巷道上部切縫處和垮落不充分的區域進行噴漿填充，噴漿厚度不小于100 mm，噴漿范圍為整個墻體表面及墻體與頂板接茬處。

3.1.4 采空區注氮

1）注氮工藝。工作面順槽巷采用切頂卸壓自動成巷技術，待留巷50 m后，在切頂成巷的墻體上向采空區埋設第一根注氮管，然后沿走向每50 m埋1根長度1 500 mm、φ159 mm×4.5 mm帶堵頭無縫鋼管，安裝高度距底板300 mm左右，以便每成巷100 m就在后方50 m注氮惰化采空區，防止采空區內殘煤自燃以及瓦斯、C O等有害氣體超限，注氮管路釋放口位置見圖4。

圖4 采空區注氮管路布置方式示意圖

2）注氮流量。為保障注氮效果，保障注入的氮氣能夠有效撲滅采空區火災，滅火所需的注氮量的計算公式如下：

式中：QN為注氮量，m3；W0為火區體積m3；C1為火區原始氧濃度，20.5%；C2為注氮區欲達到的氧濃度，取3%。根據眾多理論研究和工程實踐可知，一般按滅火時間5～10 d確定滅火注氮流量，井下留巷的最大寬度按50 m計算，工作面采高2.62 m，長度200 m，按撲滅火10 d確定注氮流量為746 m3/h。

本次注氮作業采用井下移動式制氮設備，通過上述計算，需要注氮流量746 m3/h，結合煤礦具體情況考慮1.3的富余系數，需要注氮流量969.8 m3/h，確定注氮滅火流量1 000 m3/h。

3）注氮條件及時機：本次采空區采取間歇式注氮措施，根據工作面自然發火預測預報分析結果，當自然發火指標氣體出現異常時，采取相應的注氮方法，具體如下：①當工作面回風隅角C O濃度大于70×10-6或回風流中C0濃度大于24×10-6且有持續升高的跡象時，對采空區進行封閉注氮。只有工作面上隅角及回風流中C O濃度小于24×10-6時，方可停止注氮；②當工作面溫度達到26℃并持續升高時，對采空區進行封閉注氮。溫度恢復到之前正常數據時，方可停止注氮；③當束管監測或人工監測采空區局部區域出現自然發火標志性氣體，且出現持續穩定上升趨勢，有發火跡象，需對局部區域封閉注氮；只有局部區域標志性氣體消失且工作面上隅角、回風流中C O濃度小于24×10-6時，方可停止注氮。

3.2 效果分析

為有效驗證15102工作面采用防滅火方案的應用效果，在工作面留巷時，采空區采用防滅火措施后，通過束管監測系統進行采空區進風側和回風側50 m處的C O濃度和O2的監測分析，根據監測結果得出如圖5所示的曲線圖

圖5 采空區內C O和O2濃度曲線圖

分析圖5可知，15102工作面采用無煤柱自成巷期間采用上述防滅火方案后，采空區內C O濃度最大為87×10-6，工作面回風流中的C O濃度始終小于14×10-6，工作面回采留巷期間，采空區內無嚴重的遺煤自燃現象出現，為安全高效回采提供了保障。

4 結論

根據15102工作面地質條件及煤層自燃條件，通過具體分析“110”工法下防滅火問題及對策，提出針對工作面留巷內靠工作面碎石幫漏風問題重點采區防滅火措施，確定工作面采空區采用束管監測+噴灑阻化劑+噴漿封堵+采空區注氮的綜合防滅火方案，根據防滅火方案實施后的效果分析可知，防滅火措施有效解決了無煤柱自成巷下采空區遺煤易自燃的問題。