8101 綜放工作面搬家期間防滅火技術實踐

史立波

（山西保利裕豐煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

煤礦火災是礦井開采面臨的眾多災害之一[1]。綜采放頂煤技術在我國已經普及，為開采厚煤層及特厚煤層提供技術支持，開采效率大幅提高，煤炭產量極大提高，綜采放頂煤技術在有自燃傾向煤層的礦井得到廣泛應用。同時也存在采空區遺煤回收不徹底及放頂不完全等現象，采空區留有遺煤，當采空區漏風、熱量積聚條件合適后就可能引發采空區遺煤自燃問題，影響礦井安全生產[2-4]。本文結合煤峪口煤礦8101 工作面煤層賦存特征，針對易自燃區域采取有效的防滅火措施，杜絕長時間處于氧化帶中的煤體發生自燃。

1 礦井及工作面概況

煤峪口煤礦地處大同市云岡區口泉鄉，井田東西長約4.23 km，南北寬約1.22 km。礦井位于大同煤田東北部，井田面積5.184 9 km2，開采深度由1550 m 至725 m。屬于高瓦斯礦井。

8101 工作面位于煤峪口礦一盤區，開采C3-5#煤層，東部為實體煤，南部為一盤區輔運大巷、回風大巷及皮帶大巷，西部為泵站硐室和瓦斯抽采硐室，北部為煤峪口煤礦礦界。工作面走向可采長度為787 m，傾向長度為151.5 m，煤層厚度為9.1～36.3 m，煤層平均厚度為17.4 m，平均傾角為4°。采煤工藝采用走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤工藝，機采高度為3.8 m，平均放煤高度為13.6 m，采放比為1:3.58。工作面300～420 m 段煤層為全巖，于是在工作面435 m 處開掘第二切眼，工作面搬家到恢復生產預計停采2 個月。

C3-5#煤層具有自然發火傾向性，煤層自然發火等級鑒定為Ⅱ級，屬于自燃煤層，最短自然發火期測定為82 d。8101 工作面為首采綜放工作面，開采期間絕對瓦斯涌出量為5.7 m3/min。

2 CO 濃度升高原因分析

8101 工作面采用綜采放頂煤開采工藝，上覆4#煤層冒落至工作面采空區，形成底板遺煤和高位遺煤同時存在的立體分布形式，采空區遺煤多、易氧化。

8101 工作面二切眼搬家期間，工作面無法推進，工作面氧化帶長期停滯在一定范圍內，導致采空區遺煤氧化升溫。

8101 工作面區域存在多條斷層，工作面推進速度慢，采空區遺煤自燃可能性大。

經過勘查發現，工作面開采區域內存在多條漏風通道，導致采空區漏風量增加，在遺煤附近形成了較好的供氧條件，加快煤氧化反應速度。

3 自燃煤層綜合防滅火技術

為防止8101 工作面搬家、準備期間，工作面因內因、外因發生火災，保證工作面搬家工作順利進行，制定了自然發火預測預報技術、注氮防滅火技術、上下隅角建立封堵墻及均壓通風防滅火技術等[3]。

3.1 自然發火預測預報技術

使用KSS-200 型束管采樣監測系統，在工作面進風巷布置3 趟束管采樣器，回風巷布置4 趟束管采樣器。進風順槽第一路鋪設至深入采空區50 m，第二路鋪設至距第一路出口50 m 處，第三路鋪設至距第二路出口50 m 處；回風順槽第一路鋪設至工作面上隅角，第二路鋪設至深入采空區50 m，第三路鋪設至距第二路出口50 m 處，第四路鋪設至距第三路出口50 m 處。束管外加裝保護套，吊掛在巷道中部，每米綁扎一處。采空區氣體成分測定范圍距工作面大約150 m 之內，測點間距50 m。每天進行取樣化驗分析，并安排專人巡檢管路，用球膽（氣囊）對各個采樣點取氣，送至色譜站分析測定。束管布置如圖1。

圖1 8101 工作面束管布置示意圖

結合現場實際觀測數值及劃分采空區“三帶”原理，回風順槽側散熱帶寬度為33.5 m，氧化帶寬度為116.5 m，氧化帶之后為窒息帶；進風順槽側的散熱帶寬度為47.5 m，氧化帶寬度為118.5 m，氧化帶之后為窒息帶。

8101 工作面搬家停采前100 m，在現有束管監測點基礎上，在上、下兩順槽各增加3 個監測點，再將原有束管由40 m 步距調整為20 m，將工作面深入采空區束管監測系統監測點調整為每20 m 布置一個采樣點，如圖2 所示。回撤期間重點監測回風流中CH4、CO、溫度等變化，同時對異常區域進行人工采樣，采樣周期每日由專人負責取樣，通過色譜分析儀進行分析，根據分析數據適時調整防滅火措施。

圖2 8101 工作面回撤期間束管布置圖

3.2 注氮防滅火技術

煤的自燃是復雜的氧化反應，提供充足氧氣是煤自燃的必要條件。注氮防滅火技術就是向采空區大量注入高濃度氮氣，因為空氣的密度小于氮氣，因此注入的氮氣會滲入到煤體的裂隙表面，將裂隙中的氧氣驅替出來，導致煤體表面吸附的氧氣量降低，抑制氧化放熱反應出現[5]。在注入大量氮氣之后，采空區內氧氣濃度大幅下降，氮氣濃度迅速升高，在內部形成一個氮氣隔離層，能夠有效隔絕空氣，避免遺煤和氧氣直接接觸。注氮的同時，控制溫度在15 ℃左右，這樣煤體氧化反應產生的熱量可以被經過的氮氣有效吸收，從而降低了煤體的溫度，能夠避免出現煤體自燃現象。

8101 第二切巷搬家準備期間，將工作面調整為5101 巷進風、2101 巷回風的倒回風系統，故需在5101 巷建立注氮系統，并在注氮支管加設三通閥門，采用“埋管邁步式注氮工藝”埋設4 趟注氮管路深入采空區。4 趟注氮管路出口分別布置在280 m、270 m、250 m、200 m，對應深入采空區出氣口為20 m、30 m、50 m、100 m，進行多點注氮。注氮流量不小于1350 m3/h。注氮系統布置如圖3。

圖3 8101 工作面注氮系統布置示意圖

3.3 工作面上下端頭封堵

構筑隔離墻可以減少采空區漏風的范圍，從而達到預防采空區自然發火的目的。

在工作面停采前30 m 時，每推進5 m 在工作面上下端頭用黃土袋封堵一次。工作面停采后，在2101 巷及5101 巷端頭用黃土袋構筑一道封堵擋風墻，厚度為50 cm，墻體靠近煤壁及端頭支架，構筑墻體至頂板高度。在構筑好的墻體噴涂厚度不少于2 m 的瑞克材料進行密封，工作面支架后背梁及支架空隙也噴涂瑞克材料進行封堵處理。

3.4 均壓通風防滅火技術

均壓防滅火技術是利用調壓設施，改變漏風區域壓力的分布，控制漏風，實現抑制遺煤自燃、惰化火區或熄滅火源的目的[6-8]。

優點：增加進風側風流壓力，減小回風側風量，同時增加通風阻力；本質是：增加阻力，減少風量，改變壓力分布，達到調壓的目的。

8101 工作面回采期間為“U+I”式通風方式，即2101 巷進風、5101 巷回風、頂抽巷為抽放巷道。因外部漏風影響，8101 工作面采用均壓通風，具體均壓通風系統：

在5101 巷距5101 回風繞道口上風側大于5 m處構筑1 座均壓密閉，密閉前安設6 臺FBD №8.0（2×75 kW）型均壓風機，配套6 趟Φ800 mm 鐵風筒，風筒穿過密閉為工作面供風。密閉上留設一根Φ50 mm 鋼管，內布置皮托管，一端布置密閉外側并安裝水柱計，另一端布置于密閉內側，在均壓期間用于進風巷壓力值的觀測。

在2101 巷以里15 m 處構筑2 道均壓調節風門，調節風門為雙扇門，上部留設調節窗。左側調節窗尺寸為0.6 m×2 m，右側調節窗尺寸為0.8 m×2 m。在調節風門墻垛留設一根Φ50 mm 鋼管，內布置皮托管，一端布置在外道門外墻側并安裝水柱計，另一端布置于里道風門以里，在均壓期間用于回風巷壓力值的觀測。通風系統圖如圖4。

3.5 阻化劑防滅火技術

阻化劑用于礦井火災治理已被廣泛使用。阻化劑種類大致有：無機鹽水溶液、氫氧化鈣阻化劑、凝膠、表面活性劑等。阻化劑防滅火技術就是預防工作面巷道頂板自燃，回采工作面浮煤區域、采空區、回采巷道煤壁升溫區域以及其他溫度異常區域延遲自燃，給黃泥灌漿提供充足時間，或者有發火征兆的區域盡快進入采空區深部（窒息帶）。

由于氯化物阻化劑溶液吸水性強的特點，選用MgCl2作為礦井防滅火阻化劑。工作面停采后，對工作面以及頭、尾端頭外露煤體進行阻化劑噴灑，覆蓋全斷面。8101 二切眼準備前，對二切眼全巷道進行阻化劑噴灑，全面覆蓋外露煤體。

3.6 阻化劑防滅火技術

凝膠防滅火技術就是用基料和促凝劑按一定比例混合配成水溶液后，發生化學反應形成凝膠。凝膠中含水量可達90%，在一定時期內能有效地阻止煤炭自燃。基料與促凝劑剛接觸時，具有很好的流動性，可以充分滲透到煤體縫隙中，形成凝膠后，有固定性，能堵住漏風通道，煤炭因缺氧不能自燃。形成凝膠的化學反應為吸熱反應，成膠后水分的蒸發也會吸收熱量，從而使煤體溫度下降，阻止或延后煤炭自燃。配好的凝膠水溶液噴灑在煤體表面后大大減少了煤體與空氣的接觸面積，使煤與氧氣隔絕，降低了煤炭自燃性。

為了達到最佳的防滅火效果，工作面停采期間，對工作面以及上、下端頭外露煤體及裂隙進行噴灑及壓注凝膠溶液直至覆蓋全斷面。

4 工作面搬家期間防治效果

1）8101 工作面回撤期間，8101 工作面計劃配風為1400 m3/min，二切眼配風680 m3/min。8101工作面實際配風量2236 m3/min，回風2303 m3/min，二切眼實際風量720 m3/min。8101 工作面進風順槽均壓風門壓差32 mmH2O，回風順槽均壓風門壓差76 mmH2O。由于將原有通風方式改變為均壓通風方式后，進風巷與回風巷壓差變小，減小采空區外部漏風，從管理上為采空區防滅火工作創造了有利條件。

2）工作面停采搬家期間，每天24 h 不間斷向采空區注氮，注氮量為1500 m3/h，注氮強度大、連續穩定，大幅提高了注氮效果。采用“埋管邁步式注氮工藝”，埋設4 趟注氮管路深入采空區，四趟注氮管路出口分別布置在280 m、270 m、250 m、200 m 處多點進行注氮，始終保持氮氣釋放口處于“氧化帶”范圍。

3）距工作面停采線30 m 處，用黃泥袋對上、下端頭進行封堵。停采后分別在2101 巷、5101 巷端頭構筑一道封堵擋風墻，使用瑞克材料對擋風墻及工作面支架后背梁及支架空隙噴涂封堵，防止大量新鮮風流流入采空區，導致遺煤氧化自燃，抑制采空區內瓦斯涌入巷道中，同時避免注入采空區的氮氣泄漏，提高采空區氣密性，控制漏風量，確保防火安全性。

4）噴灑阻化劑溶液及壓注凝膠液體防滅火措施，可以形成一層能夠抑制采空區遺煤和氧氣接觸的保護膜，阻止煤與氧的反應，阻化劑及凝膠溶液蒸發時，帶走部分熱量，使煤體表面溫度降低。此外，氯化物阻化劑溶液吸水性強，能保持煤體表面潮濕，同時降低溫度，使煤在低溫時的氧化速度減緩，有效延長了煤的自然發火期限。

5）通過束管監測系統在線監測分析和人工防滅火檢查結果進行對比，準確開展了自然發火預測預報工作，便于發現自然發火征兆，及時采取防滅火技術措施。

6）通過采取以上綜合防滅火技術，8101工作面搬家回撤期間，采空區內CO 濃度維持1×10-5～2×10-5之間，氧氣濃度維持在4%～5%之間，無自然發火征兆，大大緩解了工作面搬家期間防滅火工作壓力。

5 結論

根據煤峪口煤礦8101 綜放工作面煤層賦存特征，制定了一系列防滅火技術措施。包括采空區自然發火預測預報技術，采空區注氮惰化技術，工作面上下端頭封堵、噴灑阻化劑、凝膠及工作面采用倒回風均壓通風方式等，有效地降低煤氧復合氧化能力，杜絕采空區遺煤自燃災害的發生，保證工作面在回撤設備期間的安全。