回采工作面過斷層期間防滅火技術探討

趙 磊

（山西鋪龍灣煤業有限公司，山西 大同 037104）

1 工作面概況

樹兒里煤業3#煤開采過程中煤層自燃危險性較大，容易出現自燃發火，且生產集中，8204 工作面為一進一回雙巷布置，切眼布置在井田東盤區邊界處，垂直于煤層走向，全長165 m。8204 工作面所采煤層遺煤多，2019 年11 月4 日至2020 年1 月31 日工作面通過采落差3.0～4.0 m、寬度和長度最大達55 m 和60 m、煤層厚度均值為2.0 m 的斷層帶，開采煤量5 210 t。2020 年2 月16 日至2 月21 日工作面通過采落差0.5 m、寬度和長度最大達25 m 和14 m、煤層厚度均值為0.6 m 的斷層帶，采集煤量211t。工作面大量遺煤主要滯留在采空區內20～40 m。在回采工作面日推進度無法保證時，采空區內遺煤在氧化帶內滯留的時間會大大延長，遺煤必將發生緩慢氧化蓄熱反應，當熱量聚集達到一定限度后，受到采空區漏風等因素的影響，必然引發遺煤自燃[1]。與此同時，工作面煤層含硫量較高，煤層中的黃鐵礦等硫化物與氧氣結合后會迅速發生化學反應，并釋放出大量熱量，加速煤炭氧化的同時還會加劇煤炭膨脹和分裂[2]。

2 防滅火方案及主要材料用量

8204 回采工作面采空區遺煤主要位于采空區下部，頂板及冒落區較低位置發生自燃火災隱患的可能性較大，再加上遺煤量多，如果單純采用噴灑阻化劑、注漿等常規措施，可能無法取得理想的防滅火效果。為此，決定在實施噴灑阻化劑、注漿等常規措施的基礎上，采用工作面密閉，減少漏風，并向采空區注氯化鎂及注氮等措施。

2.1 阻化劑溶液用量

工作面阻化劑溶液一次噴灑量及一次噴灑體積分別按照式（1）、式（2）確定：

式中：G 為工作面阻化劑溶液一次噴灑量，t；K1為工作面阻化劑溶液一次噴灑量加量系數，取1.2；K2為浮煤密度，t/m，根據實測取1.0 t/m；L 為回采工作面長度，m，取165 m；B 為工作面阻化劑溶液一次噴灑寬度，m，按照1.2 m 的工作面日推進度取值；h 為底板浮煤層厚，m，取0.2 m；A 為浮煤吸收阻化劑溶液量，根據實測結果取50 kg/t；V 為工作面阻化劑溶液一次噴灑體積，m3；γ 為阻化劑溶液密度，t/m3，根據實測結果取1.05 t/m3。

經計算，8204 工作面阻化劑溶液一次噴灑量為2.38 t，噴灑體積2.27 m3，當稀釋度取15%時，所需阻化劑溶液用量為0.357 t。故該工作面過斷層期間應準備工業MgCl2礦井阻化劑0.357 t。

2.2 注氮量

根據煤礦開采及防滅火實踐，通常根據防滅火區空間大小及自燃程度進行注氮量確定，且《煤礦安全規程》也并未提供統一的計算方法，為此，根據同一地區其他煤礦工作面過構造帶防滅火經驗，8204 工作面防滅火過程中主要根據噸煤進行注氮量計算，公式如式（3）：

式中：QN為工作面采空區注氮量，m3/h，A 為煤產量，t/a；K 為工作面回采率，%，取0.84%。將相關數據代入式（3）后得到的8204 工作面過斷層期間注氮量為1 000～1 500 m3/h。

3 防滅火技術應用

3.1 注氯化鎂及注氮防火

結合8204 工作面采空區過斷層期間防滅火要求，注氮防滅火惰化指標7%，通過2 臺制氮量1 200 m3/h、輸出壓力0～1 MPa 的DM1200-10 型礦用井下移動制氮機輸出體積分數至少為97%的氮氣，此后氮氣便進入進風順槽中沿采空區設置的直徑108 mm 的PE 管路。在開切眼處設置第一個氮氣釋放口，并待釋放口在采空區內的埋深達到30 m 后開始注氮，與此同時埋入第二趟注氮管路，待其在采空區內埋深達到30 m 后開始注氮，并同時停止第一趟管路注氮操作。如此循環往復，直至工作面回采結束。

在注氮過程中，如果工作面各項氣體指標均顯示正常，則應采用間歇式注氮，注氮頻次為1 次/d，2h/次，注氮量應保持在1 000～1 500 m3/h 以內；相反，若監測結果顯示工作面CO 氣體濃度持續上升，則應連續注氮并將注氮量增大至2 000～3 000 m3/h。

3.2 黃泥灌漿加注三相泡沫

該煤礦3#每層存在較大的自燃危險性，為此采用地面固定式灌漿方式采后灌漿以封閉工作面。在副斜井灌漿廠房中布置灌漿站，按照設計要求將一定比例的水和漿材混合后制成漿液，并沿輸漿管路借助泥漿泵或自然壓力差將其輸送至井下。一般情況下，工作面防火灌漿系數取值在3～12%，考慮到該地區其他煤礦防滅火實踐經驗，該煤礦黃泥灌漿系數取5%。依據該煤礦回采工作面漿液輸送距離、注漿方式、煤層傾角、注漿材料以及同地區其他煤礦實踐經驗，該煤礦8204 工作面泥漿土水比按照1:5 取值，并根據防滅火實際效果適當調整。

按照該回采工作面防滅火方案設計，黃泥灌漿線路為地面灌漿站→回風斜井→回風大巷→301 盤區軌道巷→302 盤區回風巷→302 盤區軌道巷→8204工作面軌道順槽→8204 工作面，灌漿線路總長2800m。考慮到灌漿線路較長，灌漿量大，故灌漿干管和支管分別選擇外徑108 mm、壁厚4 mm 以及外徑89 mm、壁厚4 mm 的無縫鋼管。灌漿站將黃土輸送至定量料斗后通過水沖刷料斗內黃土，泥漿隨即流動至制漿機中與水混合成漿液，經由濾漿器過濾后通過注漿泵輸送至井下。

為提升回采工作面采空區防滅火效果，將三相泡沫發泡劑摻加進黃泥灌漿系統，使黃泥漿、空氣經過充分發泡后成為分散性混合體，能均勻有效覆蓋采空區浮煤，防止普通黃泥漿液沿阻力較小通道流失而難以有效覆蓋采空區浮煤的情況。摻加三相泡沫發泡劑后的黃泥漿液可長時間保持泡沫結構的穩定，泡沫破碎后便能均勻覆蓋浮煤，避免煤料吸附氧氣后發生氧化、自燃。該回采工作面黃泥灌漿防滅火系統額定制漿量為60 m3/min，注漿池將漿液注入井下后再通過抽液泵將三相泡沫發泡劑加入注漿管路，也就是說，三相泡沫發泡劑在注漿管、壓風管及發泡器等的共同作用下注入至采空區。

4 防滅火技術應用效果

回采期間，在8204 回采工作面上隅角及回風巷設置自然發火觀測點，應用JSG-8 型煤礦束管監測系統對所采煤層進行自燃火災監測與預報，并每間隔兩天進行一次氣體抽樣分析。

8204 回采工作面在2021 年2 月25 日在工作面上隅角處檢測到體積分數為50×10-6%左右的CO 氣體，到采取以上控風防火、注氯化鎂及注氮防火、噴灑阻化劑以及黃泥灌漿加注三相泡沫等治理措施后，上隅角位置CO 氣體于3 月2 日—3 月10 日持續升高，達到5 200×10-6%后持續下降，并逐漸趨于正常穩定范圍。在該回采工作面上隅角處CO 氣體濃度位于正常狀態后，于4 月2 日開始對相同區域內指標氣體濃度進行持續監測，結果詳見表1。

表1 8204 回采工作面上隅角氣體濃度監測結果

對回采工作面相應位置進行密閉處理并注氮后，采空區內O2濃度仍保持在較高水平，造成采空區內遺煤氧化過程持續進行，使工作面上隅角處CO 濃度不斷升高，并伴隨有C2H4持續出現；此后在密閉區內高濃度氮氣量的影響下，O2濃度持續降低，遺煤氧化的趨勢也逐漸減緩，C2H4濃度最終降低至0，CO 濃度出現拐點并持續降低。考慮到注氮時間較短，采空區內高溫點仍可能存在，遺煤重新氧化的可能性仍較大，為此還應當持續注氮，直到回采工作面上隅角處CO 體積分數降至0、氧氣體積分數降至5%以下，持續至少1 個月并保證采空區內火災隱患徹底消除后，恢復正常生產。

5 結論

綜上所述，回采工作面過斷層期間，往往會因推進速度較慢，遺煤較多等原因而增大自燃風險。樹兒里煤業3#煤8204 工作面在既有開采技術及實踐的基礎上，采用降低風量、密閉施工、注氯化鎂及注氮防火、黃泥灌漿加注三相泡沫等防滅火措施，切斷采空區與工作面之間的氣體交換的同時使采空區產生CO氣體。監測結果表明，該回采工作面過斷層期間采用以上綜合防滅火技術后采空區內火災隱患徹底消除，為工作面正常生產提供了安全穩定的條件。