韓家洼煤礦22402 工作面綜合防滅火技術研究與應用

柴衛軍

（山西煤炭進出口集團 左云韓家洼煤業有限公司，山西 大同 037000）

1 概 況

韓家洼煤礦井田位于大同市左云縣，井田面積約為4.5 km2，設計資源儲量77.2 Mt，設計服務年限35.5 a，礦井主采16-2 號、19 號、22 號和25號煤層，22402 工作面位于22 號煤層采區，地表為黃土臺地沖溝和農田，工作面煤層深216 m，煤層厚度2.16～5.43 m，平均厚度4.05 m，工作面長度249 m，煤層傾角為3°～11°，采區內揭露3條落差10 m 以上斷層。22402 工作面采空區遺煤多、漏風嚴重[1]，采空區瓦斯量較大，礦井危險性增高[2]，基于此進行井下防滅火技術研究，實時監測井下自然氣體指標，對出現自然的區域采用多系統協同滅火作業，杜絕井下火災事故的發生。

2 22402 工作面煤自燃因素分析

2.1 煤自燃傾向

2022 年5 月山西省煤炭工業局測試中心對煤礦各煤層進行了自然傾向分析，煤層吸氧量數據見表1，吸氧量均大于0.4 cm3/g[3]，表明韓家洼煤礦煤層具有自然傾向，其中22402 所屬的22 號煤層吸氧量為0.59 cm3/g，自燃等級為Ⅱ級[4]。

表1 煤的自燃傾向性分析結果匯總表Table 1 Coal spontaneous combustion tendency analysis results summary table

2.2 瓦斯抽采

礦井在工作面和風巷均配置有瓦斯抽采管路。工作面風量設計為1 380 m3/min，根據工作平均斷面計算風速約為1.62 m/s，達到規定要求；22402回風巷道實際風量約為863 m3/min，，回風流平均風排瓦斯量為2.11 m3/min，則回風流中瓦斯濃度為0.24%，滿足規定要求，因此22402 工作面當前設置的瓦斯抽采系統達標，可以有效降低瓦斯爆炸風險。

2.3 采空區漏風

22402 工作面采用綜采放頂煤工藝開采，且采區內揭露了3 條大落差斷裂帶，加之工作面開切橫截面面積大，受到地層運動影響，煤層裂隙增多[5]，在井下通風系統作用下，裂隙、斷裂帶與采空區內漏風量增加，進一步加劇煤層自燃風險。

3 綜合防滅火技術

基于22402 工作面煤層的自燃特性以及風險因素分析，韓家洼煤礦利用多種防滅火技術進行綜合防滅火系統搭建，旨在實現火災預警與多系統配合滅火功能。礦井于2018 年設置JSG8 型束管采樣系統，該系統能夠對區域內火災危險氣體濃度進行實時監測[6]，并在氣體濃度超出設定閾值情況下自動報警；2019 年建立以采空區灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合防滅火系統。

3.1 JSG8 型束管采樣系統

（1）系統結構。

JSG8 礦井火災束管監測系統由井下樣氣采集與分析模塊、地面色譜分析工作站以及數據傳輸與共享模塊構成[7]，如圖1 所示，實現井下氣體火災危險組分濃度實時監測、火災預警與報警以及數據共享與聯動控制等功能[8]。①樣氣采集與分析模塊主要包括JSG8-CB8 束管樣氣采樣泵、監測分站等核心硬件，其中監測分站配置N2、CO、CH4、O2、CO2、C2H2、C2H4、C2H6濃度分析儀以及氧氣檢測器、控制組件、自動校準和顯示組件、數據接口組件等，完成組分氣體濃度測算原始信號收集；②地面色譜分析工作站包括色譜分析儀、監控主機、地面光端機和工控機等，將組分氣體采集系統的樣氣進行色譜分析，確定組分濃度；③數據傳輸與共享模塊包括隔爆型礦用數據交換機、工業環網、系統軟件以及上位機等，負責系統原始信號與工程數據的存儲、分析、共享，并利用系統軟件將組分氣體濃度數據應用到聯鎖控制系統，最為預警、報警等系統動作的觸發信號，控制室上位機通過組態軟件將系統設置狀態、監測區域組分氣體濃度、聯鎖控制系統狀態等集中顯示。

圖1 JSG8 型束管采樣系統結構示意Fig.1 Structure of JSG8 beam tube sampling system

（2）井下監測方案。

22402 工作面在綜采階段和工作面封閉后采用不同的組分氣體測點布置方案，綜采階段JSG8 礦井火災束管監測系統束管采樣器設置在進回風順槽巷道，上下順槽同時監測，采樣點間隔50 m，進回風巷道各設置3 個監測點，布置方案如圖2 所示，距離工作面最遠處的采樣點距離超過180 m后，即可結束監測，即組分氣體濃度監測區域為距離工作面180 m 內的采空區。

圖2 綜采階段22402 工作面進回風順槽測點布置方案Fig.2 Layout scheme of measuring points in intake and return air crossheading of No.22402 Face in fully mechanized mining stage

22402 工作面正常封閉后將測點設置在密閉區域的進回風側，在進、回風側密閉分別設觀測孔，并在密閉內各布置1 個測點，測點布置如圖3 所示。

圖3 工作面封閉后測點布置方案Fig.3 Layout scheme of measuring points after working face closure

3.2 黃泥灌漿滅火系統

韓家洼煤礦黃泥灌漿滅火系統由智能灌漿、機械攪拌灌漿組成，智能灌漿能力為80 m3/h，2 組機械攪拌灌漿池互為備用，每組攪拌能力為100 m3/h。

根據《煤礦注漿防滅火技術規范，MT/T 702-1997》 規定，采用粉煤灰漿防火時，灌漿系數為5%～15%。韓家洼煤礦灌漿系數為8%，泥漿土水比為1∶3，注漿壓力為0.35 MPa，注漿量按照煤礦注漿防滅火技術規范（MT/T 702—1997）第7.3 條灌漿量計算公式確定，礦井灌漿量為59.2 m3/h。

式中：QW為礦井灌漿量，m3/h；k 為灌漿系數，取8%；G 為日產煤量，取3 100 t；δ 為泥漿水土比，取3；M 為漿液制成率，取0.9；rc為煤層密度，22402 綜采工作面煤層容重為1.40 t/m3；t 為日灌漿時間，三班倒，每班4 h，取12 h。

22402 工作面黃泥灌漿滅火工藝流程如圖4 所示，將聯合制漿機將土與水按照設定比例制成漿液，通過添加懸浮劑，利用漿液自身重力與渣漿泵形成壓差，通過注漿管路將漿液輸送到注漿區域，灌漿站采用φ219 mm 無縫鋼管進行漿液運輸，注漿區域采用φ133 mm 無縫鋼管注漿，注漿孔φ113 mm。

圖4 黃泥灌漿防滅火系統流程示意Fig.4 Flow diagram of yellow mud grouting fire prevention and extinguishing system

3.3 注氮滅火

22402 工作面配置了1 套井下移動式JDY1200/97 氮氣發生裝置，作為黃泥灌漿系統的輔助防火手段。裝置通過空氣壓縮機將井下通風系統空氣壓縮后，通過碳分子篩進行氮氧分離，裝置出口產出濃度為97%以上氮氣，通過工作面注氮管路將氮氣輸送到采空區，降低采空區氧含量，防止煤層自燃。制氮裝置通過井下工業環網與井上控制室上位機進行通訊，可以實現裝置運行狀態數據遠程查詢、裝置遠程集控等，圖5 為控制室上位機制氮裝置監控界面。22402 綜采工作面進風順槽沿采空區埋設DN250 注氮管路，注氮管道埋深達到25 m 后開始注氮，注氮壓力為0.4 MPa，采空區達到壓力后停止注氮，氮氣發生器隨工作面推進移動，繼續在采空區鋪設注氮管道，如此循環直至工作面開采完成。

圖5 上位機制氮裝置監控界面Fig.5 Monitoring interface of upper mechanism nitrogen device

4 防滅火效果分析

2022 年4 月韓家洼煤礦JSG8 型束管采樣系統監測到22402 綜采工作面采空區瓦斯氣體濃度升高，煤層自然風險急劇增大，煤礦及時啟動黃泥灌漿系統和注氮滅火系統后，瓦斯氣體濃度恢復到安全數值，各類危險氣體濃度變化見表2，表明韓家洼煤礦綜合防滅火系統能夠達到設計目的，防滅火效果明顯。

表2 綜合防滅火系統啟動前后組分氣體濃度監測值匯總表Table 2 Summary of monitoring values of component gas concentration before and after the start-up of the comprehensive fire prevention and extinguishing system

5 結論

針對韓家洼煤礦22402 工作面采空區遺煤多、漏風嚴重，采空區瓦斯含量高，礦井危險性較大的問題，進行綜合防滅火技術研究，形成以下結論。

（1）設計單巷和工作面封閉后2 種監測方案，采用JSG8 礦井火災束管監測系統實時監測分析22402 工作面礦井氣體，分析結果通過工業環網顯示在集中控制室上位機。

（2）搭建了采空區灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合滅火防治系統，通過工程驗證了綜合防滅火系統的有效性。