自燃煤層工作面防滅火技術(shù)工藝設(shè)計(jì)

潘宏波

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)錦瑞煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033000）

工作面開采后，采空區(qū)往往有遺煤存在，對(duì)于自燃煤層來說，易出現(xiàn)采空區(qū)發(fā)火現(xiàn)象，必須采取科學(xué)合理、技術(shù)可行的工作面防滅火技術(shù)工藝，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)發(fā)火的有效預(yù)防。

1 工程概況

錦瑞煤業(yè)為山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)兼并重組整合礦井，開采5～9號(hào)煤層，生產(chǎn)能力1.2Mt/a。井田范圍內(nèi)5號(hào)煤層已采完；8號(hào)煤層厚2.90～3.50m，平均3.21m，埋深在221～352m之間，屬自燃煤層，最短發(fā)火期為83d，煤塵具有爆炸性；9號(hào)煤層距8號(hào)煤層平均11.35m，煤層厚2.59～4.75m，平均3.78m，屬自燃煤層，最短發(fā)火期為86d，煤塵具有爆炸性。礦井采用綜合機(jī)械化一次采全高開采，工作面開采后采空區(qū)往往有遺留的松散煤塊，存在自然發(fā)火的安全隱患。為保證工作面安全生產(chǎn)，必須采取工作面防滅火措施。

2 工作面防滅火技術(shù)

根據(jù)目前常用的防滅火技術(shù)，結(jié)合錦瑞煤業(yè)煤層特性及開采條件等實(shí)際情況，8、9號(hào)煤層設(shè)計(jì)采用綜合防滅火技術(shù)措施，建立礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控、地面固定灌漿、井下移動(dòng)注氮等系統(tǒng)，防止采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

2.1 監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)

（1）束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采用KSS-200煤礦自然火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，主束管24芯，每個(gè)回采工作面布置一個(gè)12芯束管，沿著工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽各布設(shè)6路單管到工作面。

采空區(qū)束管布置：沿進(jìn)、回風(fēng)順槽向采空區(qū)各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，采用無縫鋼管作為束管保護(hù)管，內(nèi)徑2寸，長(zhǎng)30m；單根束管采用地質(zhì)鉆孔作為保護(hù)套，在進(jìn)入采空區(qū)設(shè)計(jì)位置與支架固定，實(shí)現(xiàn)隨采隨移；每?jī)蓚€(gè)測(cè)點(diǎn)之間間距30m。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)隨工作面推進(jìn)以此進(jìn)入采空區(qū)。在推至過3#點(diǎn)約30m時(shí)，把1#點(diǎn)截開，重新布點(diǎn)，依次循環(huán)至工作面回采結(jié)束。測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。工作面開采完畢后，在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)密閉分別設(shè)觀測(cè)孔，并在密閉內(nèi)各布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

圖1 工作面采空區(qū)束管測(cè)點(diǎn)布置圖

圖2 工作面封閉后束管測(cè)點(diǎn)布置圖

（2）人工觀測(cè)

采煤生產(chǎn)班每班安排瓦檢員對(duì)工作面上下隅角、進(jìn)回風(fēng)順槽、支架間、密閉觀測(cè)孔、密閉墻四周等地點(diǎn)的O2、CO、CH4和溫度進(jìn)行觀測(cè)，要求每班不少于3次，出現(xiàn)異常情況應(yīng)增加檢測(cè)次數(shù)，并及時(shí)向礦調(diào)度進(jìn)行反饋，及時(shí)采取相應(yīng)措施。

2.2 地面固定灌漿系統(tǒng)

建立地面固定式灌漿防滅火系統(tǒng)，在工作面正常開采過程中跟隨工作面回采，每間隔一定距離進(jìn)行一次灌漿，灌漿系統(tǒng)和相關(guān)參數(shù)如下：

（1）工作面灌漿系統(tǒng)

在工作面放頂前沿順槽在采空區(qū)預(yù)先鋪好5～8m灌漿鋼管，一段埋入采空區(qū)，一段鏈接20～30m長(zhǎng)的膠管。隨工作面的推進(jìn)，用回柱絞車逐漸牽引一定距離灌一次漿，灌漿后在采空區(qū)底板泥漿厚度須大于5cm。工作面灌漿方法如圖3所示。

（2）灌漿量

礦井每日灌漿時(shí)間為8h，若礦井自然發(fā)火嚴(yán)重，可延長(zhǎng)為10h。根據(jù)礦井工作面日產(chǎn)量、工作面布置情況、灌漿相關(guān)參數(shù)等進(jìn)行計(jì)算，8號(hào)煤生產(chǎn)時(shí)灌漿量為35.19m3/h，9號(hào)煤生產(chǎn)時(shí)灌漿量取30.75m3/h，礦井灌漿量取大值，35.19m3/h。故設(shè)計(jì)采用36m3/h規(guī)模的灌漿站，每天工作8h可滿足要求。

圖3 工作面灌漿方法示意圖

（3）管路布置

礦井灌漿主、支管路均選用D133×6mm的無縫鋼管，利用法蘭連接，按巷道布置情況采用吊架、托架或沿巷道底板敷設(shè)，每隔500m或在管道變坡處低點(diǎn)均設(shè)DN100泄?jié){閥，工作面灌漿采用直徑50mm的膠管。敷設(shè)線路由副斜井到井底車場(chǎng)，再到回風(fēng)大巷，最后到工作面回風(fēng)順槽。

2.3 注氮防滅火系統(tǒng)

注氮防滅火為礦井工作面日常防滅火系統(tǒng)，采用井下移動(dòng)式制氮設(shè)備。

（1）注氮流量

按回采工作面注氮量計(jì)算為1440m3/h；按工作面產(chǎn)量計(jì)算為772.5m3/h；按噸煤注氮量計(jì)算為941.6m3/h；按瓦斯注氮量計(jì)算為945.5m3/h；按照9號(hào)煤綜采工作面采高3.78m，工作面長(zhǎng)度255m，井下氧化帶的最大寬度按80m，滅火時(shí)間10d，計(jì)算工作面采空區(qū)滅火注氮流量為2227.7m3/h。通過上述計(jì)算比較，選取最大值為10d撲滅火時(shí)間注氮流量2227.7m3/h，并結(jié)合煤礦具體情況考慮一定的富余系數(shù)，確定注氮防滅火流量2400m3/h，即40m3/min。

（2）注氮工藝

礦井采用工作面進(jìn)風(fēng)巷的回柱絞車牽引拖管進(jìn)行注氮，注氮釋放管口位置為距工作面60m處的采空區(qū)氧化帶內(nèi)，注氮管隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng)，始終埋入采空區(qū)內(nèi)60m。出氮口距底板巷道高度應(yīng)在300mm以上，90°彎拐向采空區(qū)，與工作面保持平行并加以保護(hù)。當(dāng)工作面束管監(jiān)測(cè)及地面分析有標(biāo)志性氣體和相關(guān)數(shù)據(jù)表明采空區(qū)有發(fā)火跡象時(shí)，開始向采空區(qū)注氮。注氮釋放口位置如圖4所示。

（3）注氮設(shè)備及管路

在8、9號(hào)煤工作面內(nèi)安裝兩套DMJ-1200型煤礦井下防爆移動(dòng)式膜分離制氮機(jī)組，單臺(tái)制氮能力1200Nm3/h，2臺(tái)同時(shí)工作，敷設(shè)管路向采空區(qū)內(nèi)注入氮?dú)?。井下輸?shù)苈分?、支管均選用Φ159×4.5mm無縫鋼管，自井下注氮硐室制氮機(jī)到東翼軌道大巷，再到8101工作面膠帶順槽，最后到8101工作面采空區(qū)。按工作面最遠(yuǎn)距離1800m、管口末端壓力0.2MPa計(jì)算，供氮壓力為0.313MPa。

圖4 注氮釋放口位置圖

3 應(yīng)用效果分析

錦瑞煤業(yè)目前已在8、9號(hào)煤層各開采一個(gè)工作面，在兩個(gè)工作面回采過程中采用以上防滅火措施，并對(duì)工作面回采期間及回采結(jié)束后采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采空區(qū)未出現(xiàn)發(fā)火現(xiàn)象，CO和CH4氣體均能保持在穩(wěn)定水平，工作面采空區(qū)防滅火控制效果較好，為礦井后續(xù)開采提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)語

對(duì)于自燃煤層來說，必須重視對(duì)工作面采空區(qū)自然發(fā)火的防控，緊密結(jié)合礦井的煤層情況、通風(fēng)方式、開采技術(shù)工藝等采礦地質(zhì)條件，研究設(shè)計(jì)科學(xué)合理、技術(shù)經(jīng)濟(jì)的礦井工作面防滅火技術(shù)工藝及參數(shù)，建立綜合防滅火系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)有效預(yù)防工作面采空區(qū)發(fā)火，保證工作面安全高效生產(chǎn)。