綜采工作面采空區防滅火技術研究

任貴虎

(山西焦煤華晉焦煤呂梁公司，山西 孝義 032300)

煤炭資源回采期間，煤層自燃不僅會嚴重浪費資源，而且容易引起人員傷亡，給礦井正常生產帶來制約[1-2]。綜采工作面回采期間，綜采設備可明顯提升煤炭開采效率、降低工作人員勞動強度，但是由于綜采設備體積及重量等較大，若采面回采時出現火災會給綜采設備帶來損傷、影響礦井經濟效益[3-5]。眾多的研究成果及工程實踐表明，采用單一的防滅火技術措施防滅火效果較差，難以有效防治煤層自燃[6-9]。因此，對于容易自燃煤層綜采工作面，采用綜合防滅火技術措施，對預防煤層自燃以及自然發火治理具有重要意義。文中就對山西某礦11506綜采工作面回采期間采用的防滅火技術進行分析，以期為其他礦井采面防滅火工作開展提供經驗借鑒。

1 工程概況

山西某礦主采5號煤層，煤層自然發火傾向性為II類(自然發火期介于65～106 d)，煤厚4.5～5.3 m，均值4.8 m，頂底板以粉砂巖、炭質泥巖及砂巖為主。11506綜采工作面位于11采區中部，采面布置4條回采巷道，通風采用“兩進兩回”方式，設計走向長度2 105 m、傾向長度200 m.11506綜采工作面回采范圍內地質構造發育，回采范圍內發育有多條落差為0.5～1.2 m的斷層同時部分位置煤層有夾矸、頂板破碎，地質構造對采面回采影響有一定影響，在構造發育區內回采時推進速度較慢。11506綜采工作面設計采高為4.7 m，采用全部垮落法管理頂板。由于采空區內遺留有部分遺煤，采面回采期間面臨的主要安全風險為采空區遺煤自燃。為實現采空區防滅火工作高效開展，礦井綜合采用束管監測、采空區注氮、減少采面漏風以及噴灑阻化劑等防滅火措施。

2 綜合防滅火技術

2.1 束管監測

采空區三帶分布直接影響防滅火工作開展，為掌握采空區三帶具體分布范圍，礦井在地面建設有防滅火實驗室并配備相關分析設備，在11506綜采工作面建立束管監測系統，每天均對采面后方采空區、回風流及回風隅角氣體成分進行分析，每周對氣樣溫度及成分變化情況進行綜合分析。依據11506綜采工作面現場情況，在采面布置4個束管監測點，1號點、2號點、3號點及4號點分別位于采空區、回風上隅角、采面回風流以及進風隅角位置。

根據相關研究成果將采空區分為散熱帶(氧氣濃度超過18%)、氧化帶(氧氣濃度介于5%～18%)以及窒息帶(氧氣濃度在5%以內)。11506綜采工作面束管監測系統獲取得到的采空區不同深度時氧氣濃度變化曲線如圖1所示。根據圖1數據確定，11506綜采工作面采空區散熱帶范圍內采面后方0～90 m、氧化帶范圍內采面后方90～200 m、窒息帶范圍內采面后方200 m以外。

圖1 采空區內氧氣濃度變化曲線

2.2 采空區注氮

采空區防滅火可選擇插管、埋管、施工鉆孔注氮方式，依據11506綜采工作面現場情況，采用埋管注氮方式進行防滅火。通過向采空區內注入高濃度氮氣可減少采空區氧氣濃度，緩解甚至抑制遺煤自燃氧化進程；同時氮氣在流動時可吸收部分遺煤氧化釋放熱量，降低遺煤周邊溫度，通過破壞遺煤氧化條件達到延緩遺煤氧化自燃進程。具體11506綜采工作面采用的注氮方法為：

從11506綜采工作面膠帶順埋入一趟注氮管路，當注氮管路埋入到采空區50 m時，開始埋深第二趟注氮管路。當第二趟注氮管路出氮口靠近散熱帶邊界時(出氮口埋入采空區約100 m)開始向采空區注氮同時停止第一趟管路注氮。如此循環注氮，直至采面回采完畢，具體采面注氮管路布置情況如圖2所示。

圖2 采面注氮管路布置示意

依據采空區三帶分布情況，將注氮管路出氮口布置采面后方100 m位置處，出氮口壓力為0.2 MPa，氮氣在走向方向有效釋放半徑超過25 m，注氮口釋放間距50 m可滿足注氮需要。具體連續注氮24 h期間注氮影響范圍內氧氣濃度變化曲線如圖3所示。

圖3 注氮影響范圍內氧氣濃度變化曲線

從圖3中看出，連續注氮8 h后，注氮影響范圍內采空區氧氣濃度由17.8%左右降低至12%左右、注氮24 h后氧氣濃度降至4%左右。通過采空區注氮可縮小氧化帶范圍，使得采空區遺煤及時進入到窒息帶內，消除遺煤自然發火環境，實現防滅火。

2.3 減少采面漏風

采面漏風會增加采空區遺煤自燃危險性，增大防滅火治理難度。采面供風量過大會增大采空區漏風量，在滿足采面供風需要基礎上，應適當減少采面配風量，現階段11506綜采工作面將配風量由1 550 m3/min調整至1 300 m3/min.此外，在采面進風及回風隅角位置懸掛風障，增大采空區漏風通道阻力，減少采空區漏風量。

2.4 噴灑阻化劑

阻化劑可吸附到遺煤表面，形成抗氧化保護膜，降低吸氧能力，通過噴灑霧化阻化劑，達到降溫、隔熱、隔氧、隔氣的功能，提高阻燃效果和防滅火效果。當11506綜采工作面回采遇地質構造(斷層、褶曲或者煤層夾矸等)或者受到其他因素導致采面推進速度緩慢時，采用噴灑阻化劑方式進行防滅火。在11506膠帶巷設備列車上布置型號BZ4/15-G型礦用阻化泵，出口壓力控制在0～15 MPa，CaCl2溶液(阻化劑)放入到儲液筒內進行攪拌，濃度按照15%～20%配置。通過礦用阻化泵將阻化劑泵送至采面，從采面上下隅角位置向采空區內、采面內噴灑，在煤體表面形成保護膜，實現遺煤與氧氣隔絕，達到滅火目的。

3 防滅火效果分析

11506綜采工作面回采期間，通過束管監測系統以及安全監測系統對采空區內、回風隅角、回風巷等位置CO濃度、O2濃度等進行持續監測。通過監測發現，在采面正常回采期間，采空區內O2濃度不斷降低，當進入到采空區內60 m后，O2濃度在4%以內且趨于穩定；采空區CO濃度在采空區內45～75 m位置較高，其中在采空區內50 m位置濃度最大，為35×10-6.采面回風巷以及回風隅角內均未監測到CO.現場應用成果表明，在11506綜采工作面采用的綜合防滅火技術取得較好成果，可滿足采空區遺煤防滅火需要。

4 結 語

1) 通過布置的束管監測系統并以采空區內氧氣濃度為判據，確定11506綜采工作面采空區內三帶范圍為：散熱帶范圍內采面后方0～90 m、氧化帶范圍內采面后方90～200 m、窒息帶范圍內采面后方200 m以外。

2) 在11506綜采工作面回采期間，采用束管監測系統、安全監控系統對自然發火進行監測，并綜合采用采空區注氮、減少漏風、噴灑阻化劑等措施進行防滅火。將注氮口釋放位置確定在采空區散熱帶與氧化帶邊緣位置，即采空區內后方100 m位置，釋放壓力為0.2 MPa，氮氣連續釋放24 h后，注氮影響范圍內氧氣濃度降低至4%以內，通過注氮可明顯降低采空區內氧氣濃度、增大窒息帶范圍；通過適當減少采面配風，在進風及回風隅角位置布置風障，達到減少采空區漏風目的，減少采空區內氧氣供應量；在采面回采遇地質構造或者推進緩慢位置噴灑阻化劑，隔絕氧氣與遺煤，抑制遺煤自然氧化進程。

3) 現場應用后，11506綜采工作面在回采期間僅在采空區內監測到CO濃度，最大為35×10-6，采面回風隅角及回風巷監測CO濃度均為0，表明現場采用的防滅火技術措施應用效果顯著。