復(fù)采工作面綜合防滅火技術(shù)研究

田晴 江麗麗 秦鵬

針對楊莊煤礦F9305復(fù)采工作面自然發(fā)火風(fēng)險的現(xiàn)狀，通過采取預(yù)測預(yù)報、注漿、注氮、注防滅火材料、堵漏風(fēng)等綜合防滅火技術(shù)保證了復(fù)采工作面回采過程中的防火安全，確保了工作面正常回采。

一、概況

F9305工作面為復(fù)采工作面，該工作面軌道順槽在松散煤體中掘進，運輸順槽巷道前進右?guī)团c9311采空區(qū)之間留有約6m的煤柱，受圍巖應(yīng)力變化及礦山壓力影響，煤體進一步破碎產(chǎn)生裂隙存在漏風(fēng)通道；工作面采用放頂煤回采工藝，推進速度較慢，初采期間頂煤受采動影響范圍較小不易垮落，頂煤回收不徹底，采空區(qū)遺煤量較大，同時由于回采初期工作面采空區(qū)頂板冒落不密實漏風(fēng)擴散范圍大，采空區(qū)持續(xù)有氧氣供給，為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火創(chuàng)造了良好的供氧及蓄熱條件；后續(xù)工作面回采期間遇斷層或其他特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時，局部可能留有遺煤且裂隙豐富，存在漏風(fēng)通道，造成遺煤持續(xù)氧化。另外在工作面回采過程中兩端頭局部出現(xiàn)的遺煤回收不徹底進入采空區(qū)，存在自然發(fā)火隱患，增加工作面回采期間的防滅火管理難度。

二、自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)

2017年6月委托山東鼎安檢測技術(shù)有限公司對礦井南翼采區(qū)3煤自燃傾向性等級進行鑒定，鑒定結(jié)果：自燃傾向性等級為Ⅱ類，屬自燃煤層。最短自然發(fā)火期為80d。根據(jù)鑒定報告確定以CO作為指標(biāo)性氣體，CO出現(xiàn)表明測試煤已經(jīng)開始氧化，其出現(xiàn)臨界溫度為66.1℃，檢出濃度為0.18ppm；煤溫超過60～70℃后一氧化碳產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度均加快。如果發(fā)現(xiàn)CO濃度超過0.0024%且其含量繼續(xù)呈上升趨勢時，要及時匯報礦有關(guān)部門并查找原因進行防滅火處理。根據(jù)鑒定報告C₂H₄出現(xiàn)且變化速率明顯加快是煤進入加速氧化階段的標(biāo)志，其出現(xiàn)的臨界溫度為115.0℃-142.5℃，檢出濃度為0.03ppm，此時應(yīng)該采取積極的防滅火措施。C₂H₄/C₂H₆比值峰值的出現(xiàn)是煤進入激烈氧化階段的標(biāo)志，其峰值出現(xiàn)的溫度為287.0℃左右，對應(yīng)C₂H₄濃度為17.10ppm，C₂H₆濃度為3.98ppm，C₂H₄/C₂H₆可作為判別煤反應(yīng)程度的輔助指標(biāo)。將工作面回風(fēng)隅角CO濃度達(dá)到24ppm，作為早期自然發(fā)火征兆預(yù)警值。

三、綜合防滅火技術(shù)

（一）注漿系統(tǒng)

礦井在興隆莊村南設(shè)置一處地面注漿站為南翼采區(qū)服務(wù)。注漿站設(shè)有集土池、攪拌機、制漿池、潛水泵、蓄水池、高壓水槍等設(shè)施設(shè)備，漿材（紅土或粉煤灰）在集土池通過高壓水流沖至制漿池中，經(jīng)過攪拌機攪拌制成漿液，漿液采用靜壓自流方式通過地面下漿鉆孔及井下注漿管路輸送至計劃注漿區(qū)域。F9305軌道順槽以外的主要大巷主注漿管采用φ108 mm的無縫鋼管， F9305軌道順槽的主注漿管采用φ108或φ89mm的無縫鋼管，主注漿管路接設(shè)至距工作面切眼不大于80m處停止，其余分支注漿管采用不小于φ50mm鋼管敷設(shè)。

回采前在F9305工作面架后提前敷設(shè)第一路注漿管，長度以管路末端進入運輸順槽內(nèi)為宜，每3m左右打設(shè)一個出漿口，注漿管管徑不小于50mm，注漿管與軌道順槽主注漿管連接。從第一路注漿管向外20±2m按以上方式在工作面架后敷設(shè)第二路注漿管，依次循環(huán)直至工作面回采結(jié)束。注漿管在敷設(shè)下一路時對上一路進行注漿，注漿管注漿后繼續(xù)外延。工作面停采線處的注漿管按以上方式敷設(shè)，停采線處的注漿管在采空區(qū)封閉后開始注漿。

結(jié)合以往工作面防滅火經(jīng)驗，工作面開始采線、終采線處每路注漿量粉煤灰漿液不小于600m³，黃土漿液不小于800m³；架后埋管期間每路注漿量粉煤灰漿液不小于300m³，黃土漿液不小于400m³。溜頭或工作面開始出漿時可停止注漿，如停止注漿后注漿量達(dá)不到要求，間隔一段時間再進行補注。工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大或工作面相關(guān)地點CO超限并持續(xù)升高時，要根據(jù)實際縮短注漿管埋管間距，注漿量在原有的基礎(chǔ)上增加一倍，以便進一步增加采空區(qū)氣密性，消除采空區(qū)發(fā)火隱患。

（二）注氮系統(tǒng)

根據(jù)《煤炭礦井設(shè)計防火規(guī)范》GB 51078-2015，制氮設(shè)備或裝置的能力應(yīng)按礦井注氮需要選取，注氮能力按下式計算：

Q_N=60*K*Q₀*

式中：

Q_N——注氮量（m³/h）；

Q₀——F9305工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風(fēng)量，一般取5～20 m?/min。但采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的變化范圍較大，一般按工作面風(fēng)量的1/60～1/100選取，采取堵漏風(fēng)措施后我礦取1/80，漏風(fēng)量為7.06m?/min；

C₁——采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧濃度，一般為10%～15%，取10%；

C₂——采空區(qū)防火惰化指標(biāo)，可取7%；

C_N——注入氮氣的氮氣濃度，97%；

K——備用系數(shù)按總注氮量的1.2～1.5倍選取，取1.5。

經(jīng)計算，Q_N=476.55m?/h，取477m?/h。礦井配備MYQ-1000液態(tài)惰氣防滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)有電加熱汽化器2臺，單臺運行額定產(chǎn)氮量為500m?/h，兩臺運行額定產(chǎn)氮總量為1000m³/h，均大于477m?/h，能夠滿足礦井注氮要求。

MYQ-1000液態(tài)惰氣防滅火系統(tǒng)由電加熱氣化器、控制設(shè)備、緩沖儲氣罐、流量、壓力、溫度檢測及控制裝置等主要設(shè)備及裝置構(gòu)成。注惰車間設(shè)在礦區(qū)南地面充填站小料車間內(nèi)，在小料車間南墻西側(cè)打孔安裝惰源外接管路。車間內(nèi)安設(shè)電加熱氣化器、緩沖儲氣罐、電源開關(guān)柜、控制設(shè)備組、信號集中顯示柜、低溫管路控制連接件等的設(shè)施設(shè)備。惰源（移動式氮氣槽車）在小料車間南墻外，通過專用管路與注惰車間南墻西側(cè)伸出的惰源外接管路相連。

F9305工作面相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)發(fā)火隱患，采取常規(guī)處置措施不能奏效時，根據(jù)工作面、工作面回風(fēng)流及回風(fēng)隅角風(fēng)流中相關(guān)氣體指標(biāo)狀況及火勢劇烈程度選擇采取開放式或封閉式注氮進行滅火，實施采空區(qū)開放注氮時將F9305軌道順槽專用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接，使氮氣通過注漿管進入采空區(qū)；實施工作面封閉注氮時首先將F9305軌道順槽專用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接，再將F9305兩順槽防火門墻洞封閉，隨后輸送氮氣充滿整個工作面、采空區(qū)及兩順槽；如需縮小封閉注氮范圍，首先將F9305軌道順槽專用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接。在運輸順槽適當(dāng)位置施工板閉，再將F9305軌道順槽防火門墻洞封閉，隨后輸送氮氣充滿整個工作面、采空區(qū)及兩順槽。運輸順槽未封閉區(qū)域使用局部通風(fēng)機供風(fēng)。

（三）壓噴注防滅火材料防治自然發(fā)火

在F9305軌道順槽配備隔膜泵及氣動注漿泵，用于噴灑阻燃劑、壓注水玻璃凝膠或LFM防滅火材料。工作面架間敷設(shè)一路φ25mm高壓膠管，每20m設(shè)三通閥門，為應(yīng)急噴灑相關(guān)防滅火材料專用。據(jù)現(xiàn)場防火需要， MEA、水玻璃、小蘇打、LFM防滅火材料、花管等在現(xiàn)場配齊，數(shù)量滿足需要。

工作面架后遺煤多，存在自燃隱患時，可使用一次性注膠管插入架后破碎煤體內(nèi)，壓注水玻璃膠體；軌道順槽松散煤體出現(xiàn)自燃隱患時，在隱患點打孔插入注膠管，壓注水玻璃膠體進行防滅火處理。溜頭、溜尾關(guān)門柱處浮煤較多，裸露煤體（碎煤）要用水玻璃凝膠噴涂。噴注方式為：浮煤表面噴灑和破碎煤體插管壓注。噴灑可手持高壓膠管或鋼管，對煤體表面進行噴灑，噴灑要均勻。插管用鋼管制作，為方便操作，插管可由多節(jié)組成，用管箍或內(nèi)絲頭連接，前段加工成花管，以提高壓注效果；插管壓注時要根據(jù)情況隨時變換插孔位置，既要保證效果，又要避免浪費，噴注要達(dá)到破碎煤體全部濕潤效果。在軌道順槽內(nèi)，距非回采幫約0.5m的垂直于頂部打設(shè)一排注膠孔，在非回采幫肩窩下約0.5m位置，與水平成45°±15°打設(shè)一排注膠孔，然后在鉆孔內(nèi)下設(shè)注膠管，注膠管孔口使用棉紗、水泥等材料進行封堵；然后往注膠管內(nèi)壓注水玻璃凝膠、阻燃劑等防滅火材料。

四、總結(jié)

通過實施以上方案措施，現(xiàn)F9305工作面已推進約500m，未出現(xiàn)嚴(yán)重自燃隱患，防火管控措施得力有效，保證了工作面正常回采。同時也掌握了復(fù)雜煤層自燃的特性參數(shù)，探索了松散煤體漏風(fēng)規(guī)律及自燃危險區(qū)域，構(gòu)建了復(fù)采工作面煤層自燃應(yīng)急防控技術(shù)體系。為今后礦井及周邊礦井復(fù)采煤層安全回采、提高資源回收率，減少能源損失、延長衰老礦井服務(wù)年限，以及減輕社會就業(yè)負(fù)擔(dān)都具有很大意義和重要的參考價值。