15117 綜采工作面綜合防滅火技術應用

陳文波

（山西新村煤業有限公司，山西 長治 046000）

煤層自燃是煤礦井下開采過程中常見事故之一[1-2]。回采工作面火災事故不僅會燒毀工作面設備，火災產生的有毒有害氣體還會造成人員傷亡，并能誘發其他次生災害，給礦井安全生產帶來嚴重威脅[3-4]。據統計，煤層自燃引起的火災事故約占礦井火災事故的60%以上，因此，預防煤層自燃是防治礦井火災事故發生的重要措施[5-6]。

1 工程概況

山西新村煤礦15117 工作面位于該礦151 采區，工作面標高為+1 117～+1 094 m，走向平均長度329 m，傾斜長度130 m，工作面北為西膠帶巷，南為舊飛馬礦采掘區域，西為151 采區回風巷，東為15111 回采工作面。工作面主采15 號煤層，厚度4.69～5.69 m，平均5.2 m，煤層頂底板情況如表1 所示。工作面采用綜采低位放頂煤采煤工藝。15 號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層，煤層最短發火期為74 d。

表1 15117 工作面煤層頂底板情況

2 綜合防滅火措施

根據相關規程、規定，針對15117 工作面實際，結合常用防滅火技術特點，設計采用灌漿、噴灑阻化劑以及監測監控體系相結合的綜合防滅火技術措施。

2.1 灌漿防滅火技術

煤礦灌漿防滅火就是把黏土、粉煤灰、粉碎的矸石等不燃性材料與水按照一定的比例混合、攪拌制成一定濃度的懸浮液，通過輸漿管路利用動壓或靜壓方式將漿液輸送到井下防滅火區域，使漿液包裹住煤體，隔絕煤體與氧氣接觸，從而達到阻止煤炭氧化或撲滅已燃燒煤體的目的。

（1）灌漿方法

15117 工作面采用邁步式埋管灌漿法對工作面進行灌漿進行防滅火。工作面回采過程中，在采空區內預埋輸漿管路向采空區內注入漿液 （出漿口距工作面的距離應不小于15 m，由高位向低位注漿），漿液流入采空區后將采空區內的遺煤進行包裹覆蓋，阻斷煤體與氧氣接觸，防止其發生自燃。注漿步距根據采空區三帶測試結果而定，設計注漿步距為30 m。如圖1 所示。

圖1 工作面邁步式埋管灌漿

（2）主要灌漿參數

①灌漿時間

礦井采用“三八”工作制，每天8：00～16：00檢修期間組織對工作面采空區進行灌漿，灌漿時長為8 h/d，可根據實際情況進行調整，如發現漏漿、潰漿，即可停止灌漿。根據工作面現場實際開采情況，若回采過程中出現有頂板淋水現象時，可降低注漿量或暫停注漿，如發現自燃征兆時，應加大灌漿量并延長灌漿時間。

②灌漿量計算

工作面灌漿量按下式計算：

式中：QW為注漿量，m3／h；k 為灌漿系數，根據礦井灌漿經驗取4.5%；G 為工作面日產煤量，根據工作面實際生產情況取2 727 t；δ 為土水比的倒數，參考范圍為3～5，取值越小，漿液流動性越低，故本處取5；M 為漿液制成率，根據經驗值取0.9；t為礦井日注漿時間，8 h；rc為煤的密度，取1.42 t／m3。將上述參數代入公式（1）計算得出15117 工作面灌漿量QW=58.33 m3/h。

③灌漿管道驗證

選用直徑為DN100×4 mm（φ108）的無縫鋼管，沿工作面回風巷底板鋪設，灌漿靠輸漿泵作為動力。

工作面輸漿管實際流速為：

式中：v 為輸漿管內漿液實際工作流速，m/s；Q 為工作面每小時所需的灌漿量，58.33 m3/h；d 為管路內直徑，0.100 m，代入計算得v =2.064 m/s。

查表可知，DN100×4 管道，輕亞粘土土水比為1∶5 情況下，臨界速度v臨=1.860 m/s。實際工作流速v＞v臨，由此證明選取的管路能夠滿足灌漿需求。

在滿足注漿參數條件下注漿支管路可選擇與主管路相同型號或直徑小于主管路的無縫鋼管。

2.2 阻化劑防滅火措施

（1）阻化劑防火機理

將一種或幾種阻化劑溶液利用噴灑設備將其噴灑或灌注到工作面采空區遺煤上，在煤體上形成一層抗氧化保護膜，使煤炭和氧的親合力降低，阻止或減緩采空區遺煤的氧化速度，達到礦井防火的目的。

（2）阻化劑防火工藝

在工作面進風順槽距工作面切眼約80～100 m位置安裝兩個存放阻化劑藥液的藥箱，隨著工作面推進向外挪移，噴灑藥液時交替使用。將20%濃度的阻化劑藥液倒進礦車內后，按照設計的比例向礦車內加入清水，配制成溶劑并攪拌均勻，利用順槽內安裝的液壓泵站將阻化劑溶液通過安裝在巷道及運輸機電纜槽下方的φ25 mm 高壓膠管輸送到工作面；在工作面高壓膠管上每間隔20 m 安裝一個三通截止閥，在截止閥上安裝φ13 mm 的高壓膠管，并在膠管上安裝噴槍，噴灑藥液時由專人負責使用噴槍向工作面采空區內進行噴灑。工作面每天噴灑一次阻化劑，回采過程中遇斷層或停產、工作面收尾等特殊情況時，需根據現場情況增加工作面噴灑阻化劑頻次。阻化劑溶液噴灑系統如圖2 所示。

圖2 工作面阻化劑噴灑系統

（3）阻化劑噴灑量

工作面每次噴灑藥液用量可用公式（3）計算：

式中：V 為一次噴灑阻化劑用量，m3；Qy為噸煤用液量，0.04～0.06 m3/t，取0.05 m3/t；η 為工作面丟煤率，%，根據礦井經驗值取20；ρc為煤的密度，取1.42 t/m3；L 為工作面長度，取13 0 m；H 為工作面回采高度，取2.6 m；S 為工作面日推進度，取2.4 m。

則15117 工作面日噴灑藥液量為：V=11.52 m3。

2.3 預測預報技術

（1）預測預報指標

根據《煤層自然發火標志氣體及臨界值測定報告》：

①15 號煤層的自燃預測預報的標志性指標氣體為CO、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6和C2H2，其中以CO、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6和C2H2為主預測指標，并輔以CO、C2H4、和C2H2來掌握煤炭自燃情況。

②CO 的出現表明煤已經進入緩慢氧化階段，煤溫已經達到30℃以上，如果CO 濃度上升速率較慢，說明煤溫還在70℃以下，否則在70℃（含）以上。

③15 號煤層測試煤樣出現C2H6、C2H4、C3H8、C3H6的臨界溫度為150℃左右。當現場檢測到其中一種或多種氣體出現，則可證明此時煤體的溫度已超過上述氣體的臨界溫度值（150℃），存在火災風險，應當快速采取相應的防治技術措施。

④當檢測到C2H2時，表明工作面采空區內的煤炭溫度已經達到233℃以上，進入激烈氧化階段，采空區煤炭已出現自燃現象，需采取相應的防滅火措施。

（2）礦井火災監測系統

束管監測。束管監測系統是一項早期預報內因火災的有效裝置。該系統通過將工作面采空區內的氣樣采集到地面并利用氣體分析儀對氣體成分進行分析，達到防滅火預測預報的目的。

新村煤礦15 號煤層采空區自燃三帶的范圍為：散熱帶＜28 m；氧化帶28～76 m；窒息帶＞76 m。因此，在工作面回風隅角布置1 個束管監測點（1#），該測點隨著工作面向前推進而向外進行移動，監測氣體組分和濃度；采空區內的監測點沿回風順槽外幫鋪設一趟束管，每隔40 m 左右安設一個束管采樣頭；共設4 個監測點。當工作面向前回采時，2#、3#束管采樣頭依次進入采空區內，可對采空區80 m 范圍內的氣體進行采集監測分析。當1#測點進入采空區40 m 后，將3#測點斷開，重新布置測點，按照此方法依次進行循環到工作面回采結束，如圖3 所示。

圖3 采空區束管監測測點布置

（3）人工監測及采樣

在工作面其他沒有布置束管但需要進行氣體檢測的地點，如密閉、煤壁裂隙處等，可采用人工采樣和測量的方法進行監測分析。分析氣體成分及濃度時人工使用氣相色譜儀進行監測，主要分析O2、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2等自燃標志氣體。

（4）安全監測監控系統

安全監控系統可以對工作面CO、O2、CO2等環境參數進行連續監測，根據這些氣體參數的變化進行煤層火災的預報。在有自燃傾向煤層的掘進工作面和回采工作面必須需設置CO 傳感器和溫度傳感器對采空區或回風流中CO 和溫度進行實時監測。同時配備一氧化碳檢測器，派專人在工作面及其回風流中進行檢測，每班檢測1 次并做好記錄，發現異常情況馬上報告安全管理人員和礦技術負責人。

3 應用效果分析

15117 綜放工作面采用綜合防滅火技術對工作面采空區進行防治后，在工作面正常回采過程中采空區內的CO 濃度處于16×10-6以下，除CO外，未監測到其他煤層自燃產生的標志性氣體，由此可判斷出工作面回采過程中采空區未出現過自燃現象，說明防治效果達到預期效果。2022 年10月份15117 工作面因故停產，在工作面停產期間束管監測系統監測發現，工作面采空區內CO 濃度有逐步上升趨勢，最高濃度達到64×10-6，說明采空區內遺煤發生氧化。根據工作面制定的綜合防滅火措施，對工作面采空區進行注漿，每天注漿8小時，每天注漿量約467 m3。同時每天三班對采空區各噴灑一次阻化劑，每次噴灑藥液量約12 m3。在工作面停產期間通過束管監測系統對采空區60 m 處（氧化帶范圍內）的CO 和O2濃度進行監測，結果如圖4 所示。通過對采空區進行灌漿和噴灑阻化劑后，CO 濃度大幅度降低，由原來最高64×10-6降低到20×10-6以下，防治效果較為明顯。

圖4 15117 工作面采空區氣體濃度變化

4 結語

針對山西新村煤礦15117 綜放工作面回采過程中存在自然發火問題，結合工作面實際開采情況，制定了采空區灌漿、噴灑阻燃劑、預測預報等綜合防滅火技術措施。在工作面正常回采期間CO 濃度處于16×10-6以下；工作面因故停產期間，采取綜合防滅火措施后，工作面采空區CO 濃度由原來最高64×10-6降低到20×10-6以下，采空區未監測到其他煤層自燃的標志性氣體，工作面回采及停產期間未發生煤層自燃現象，達到了工作面防滅火預期效果。該技術的成功應用為類似條件下采煤工作面自然發火防治提供了參考，具有推廣應用價值。