煤礦通風及工作面灌漿預防自燃發火研究應用

白可龍

（鄭煤集團鄭新公司東坪煤礦， 河南 鄭州 452482）

引言

煤礦日常工作所邁出的第一步便是通風安全技術，通風安全技術和巷道，尤其是采掘工作面，直接關系到整個煤礦的安全和煤礦日常工作的順利進行[1]。

1 煤礦通風及工作面的概況

河南某礦2021 年煤層自然傾向性鑒定結果：15號煤層為II 級自燃煤層，煤層的自燃發火期為114～116 d 開采易自燃和自燃煤層的礦井，必須采取綜合預防煤層自然發火措施。為確保礦井在正常生產過程中不發生煤層自然發火事故，研究礦井實際情況制定15301 綜采工作面預防自燃發火安全技術方案。

河南某礦選用以灌漿為主，堵漏、噴灑阻化劑等為輔，同時加強管理與防火監測，并采用先進技術加快開采推進度的綜合預防煤層自然發火方案。

2 方案設計

2.1 黃泥灌漿

利用煤礦風井地面工業廣場建設安裝黃泥灌漿站，通過風井、東輔運大巷、西輔運大巷、北輔運巷、15201 聯絡巷、北回風巷、三采區回風巷、15301 回風巷外段、15301 回風順槽鋪設管路至工作面采空區對綜采工作面采空區進行灌漿施工。灌漿方法采用回撤后灌漿，即回撤結束后，向采空區灌注黃泥漿預防煤層自然發火[2]。

2.2 灌漿依據

根據15301 綜采工作面回采實際情況，煤層自然發火周期為114 d 以及我礦全年工作日為330 d 數據綜合考慮，暫定每回采90 d 對15301 回采工作面灌漿1 次，每次灌漿時間暫定為8 h，每小時灌漿量為44.48 m3，每次灌漿量為355.84 m3。

若到90 d 灌漿周期，經自然發火預測預數據分析，未發現自然發火標志性氣體，且無發火危險，可以不灌漿。但要做好日常自然發火預測預報工作。若需要灌漿時根據現場情況再做調整。

灌漿量計算根據MT/T 702-1997《煤礦注漿防滅大技術規范》礦井小時灌漿量按下式計：

式中：QW為礦井注漿量，m3/h；k 為灌漿系數，取5%；G為礦井日產煤量，取1 921 t；δ 為土水比的倒數，取5；M 為漿液制成率，取0.9；rc為煤的密度，1.46 t/m；t 為礦井注漿時間，取8 h。

礦井小時灌漿量QW=kG（δ+1）M/rct=44.48 m3/h。

15 號煤層15301 工作面黃泥灌漿量Q=QW×t=355.84 m3/次。

2.3 阻化劑滅火

2.3.1 機理

目前國內外使用的阻化劑大致有：吸水鹽類阻化劑（如氯化鈣、氯化鎂、巖鹽）、石灰水、水玻璃、亞磷酸脂、阻化劑與水混合成高濃度的液體，能抑制和起到防火作用。上述阻化劑的防滅火機理：增強煤在低溫狀態下的化學惰性，降低煤炭和氧的附著力；液膜能填充煤塊和煤的表面裂隙及煤柱內部裂隙；提高煤體蓄水能力；水分在蒸發過程中吸收煤體熱量起到降溫作用；同時降低煤體氧化速度，延長自燃發火周期[3]。

2.3.2 阻化劑材料

阻化劑的選擇原則：具有較高阻化防火效果好，來源廣、易操作、成本低、無腐蝕性及無有害物質。目前在煤礦應用廣泛的有氯化鈣、氯化鋁、氯化鋅和氯化鎂等氯化物有較好的阻化效果。本礦井選用氯化鈣。

2.3.3 阻化設備

高壓泵采用BH40/2.5 型高壓泵，泵流量為40 L/min，額定工作壓力為1～2.5 MPa，電機功率3 kW。液壓泵由機座、防爆電動機、霧化泵和噴槍等部分組成，液壓泵由防爆電機用V 帶驅動液壓泵，轉速為700～800 r/min。液壓泵在曲軸轉動一個作用動作時，分別在三個活塞筒內進行三次吸液和排液。由于電機的連續運轉，曲軸帶動連桿連續推動滑塊部件作往復直線運動，從而使液壓泵連續工作。

壓力表為直管標桿式，具有抗震動、耐疲勞、不易損壞等優點，能及時讀出液壓泵當前工作壓力。

調壓閥用來調節液壓泵工作壓力，通過順時針旋轉調壓閥或者逆時針旋轉調壓閥來實現液壓泵工作壓力的調整，滿足現場工作需要。

高壓膠管干管直徑為25 mm，長度為250 m。高壓膠管支管為直徑13 mm，長度為20 m。

2.3.4 阻化劑噴灑方式

應用阻化劑防火方式：壓注阻化劑溶液、汽霧阻化、噴灑阻化劑溶液，根據礦井實際情況，進行汽霧阻化應用。

阻化汽霧預防工作面采空區煤炭自燃的工藝系統如如圖1 所示。載有阻化劑水溶液礦車運動至工作面回風巷，防滅火液壓泵沿高壓軟管將阻化劑溶液加壓輸送到霧化器進行噴灑，壓力表實時監測控制輸送壓力。安裝在工作面與運輸巷交匯處的霧化器，以2.5 MPa 高壓力噴出阻化汽霧，85%的阻化劑溶液被霧化為直徑30 μm 的霧粒，并由礦井通風風流吹向采空區。為了防止霧化器噴咀堵塞，在供液管路中應裝有自動過濾裝置。

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。

噴霧量的大小與采空區丟煤量成正比。其計算公式如下：

式中：V 為日噴霧量，m3/d；K1為噴霧加量系數，取1.2；K2為每噸遺煤噴灑氣霧量，阻化劑濃度為20%，取0.02 m3/t；d 為工作面采空區丟煤率，取5%；γ 為煤的實體密度，15 號煤層為1.46 t/m3；L 為工作面長度，取140 m；h 為工作面煤厚，15 號煤層回采工作面采高4.02 m；l為工作面日推進度，取3.15 m；R 為氣霧轉化率，80%～90%，取85%。代入數據計算得V=3.7 m3/d。

3 束管監測系統及構筑防火墻

1）根據實際情況安裝了SG-2003 型礦井火災束管多參數色譜監測系統。系統由安裝在礦井地面控制中心的數據處理裝置、抽氣泵及敷設在礦井中的管纜及管路附件等構成。利用抽氣泵和管纜將井下被測點氣體信息取至地面進入氣路控制裝置，在計算機的控制下進行處理。依據長期連續監測礦井氣體成份的變化趨勢，可預報煤層的自燃發火。在15301 回風順槽布置3 根1 芯束管，1 根測點在上隅角、一根測點在采空區、一根備用進行邁步式推進。兩個束管監測取樣點間距50 m，埋入采空區最遠取樣點距工作面為150 m，具體布置線路：地面監測站→立井→東回風大巷→北回風大巷→三采區回風→15301 回風外段→15301 回風→15301 上隅角→采空區。

2）構筑防火墻，在15301 回采工作面兩順槽口5 m 范圍內構筑防火墻，墻體厚度為0.6 m，采用水泥、磚、黃沙等不燃性材料，墻體四周應與巷壁好、接實，掏槽深度不小于300 mm；防火門采用內插拆口結構，板材厚度不小于30 mm，寬度不小于300 mm，板材要逐次編號排列擺放整齊；防火門斷面要符合行人、通風、運輸要求；指定專人定期進行檢查維護。

4 應用效果

河南某礦工作面防火采用以灌漿為主以及采空區注阻化劑的方案取得了良好應用效果。當煤層賦存條件好、生產接續推進速度快、不存在采空區與老空區連通等不利情況下，要及時調整采空區日常注漿量及阻化劑量以達到節約資源的目的。

但必須具備以下三個基本條件：一是通過采空區自然發火參數的觀測研究，掌握了采空區氧化帶分布范圍、采空區氣體惰化指標以及工作面最小推進行速度等參數，而且工作面實際推進速度大于工作面防火最低限度的推進速度基礎參數；二是礦井火災監測監控系統運行完好，監測數據符合規程規定，而且數據穩定可靠；三是加強裝備維護保養以及作業人員培訓，保證注漿、注阻化劑能夠隨時啟動運行。

加強對漏風測定工作，如果存在工作面與地表相溝通的外部漏風通道，則在漏風的地表采用鋪設黃土的方法，隔絕漏風裂隙；如果小窯采空區與現有通風系統形成漏風通道，則需要加強對密閉措施的管理，增加嚴密性，加強觀測。

5 結語

煤炭工業的迅速興起，使得生產運輸煤礦的工業廠商日漸趨增。在煤礦開采過程中，采用更可靠的巷道通風安全技術，精準計算和分析，排查一系列內外危險，及時更新安全系統，應用精尖技術，才能保障煤炭企業正常的運作。