張家峁煤礦綜采工作面均壓通風防滅火技術

高 偉，翟 輝，劉少軍，王守印

(1.陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司，陜西 神木 719316；2.陜西安科安全生產(chǎn)技術研究所有限公司，陜西 西安 710065)

0 引言

煤炭自燃是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大災害之一，每年發(fā)生的礦井火災中由煤炭自燃引發(fā)的火災占絕大多數(shù)。針對神南礦區(qū)的淺埋、厚煤層大采高工作面開采過程中產(chǎn)生的裂縫直達地表，造成采空區(qū)和地面導通，漏風嚴重，且采空區(qū)遺煤較多，大大增加了煤炭自燃隱患。文中結(jié)合張家峁煤礦的實際，系統(tǒng)地對淺埋藏大采高導致的采空區(qū)漏風治理、防滅火進行研究，為礦井的煤炭自燃及防滅火提供技術幫助。

1 礦井概況

陜煤集團神木張家峁礦業(yè)有限公司井田位于陜西省神木市北部。礦井目前開采4-2和5-2煤層。礦井核定產(chǎn)能為10.0 Mt/a。礦井綜采工作面采用單一走向長壁采煤法，綜合機械化一次采全高回采工藝，全部垮落法管理頂板，超前支護采用超前液壓支架支護。

依據(jù)陜煤集團《關于呈送2018—2019年度煤礦瓦斯等級鑒定結(jié)果的報告》，可看出絕對瓦斯涌出量4.58 m3/min，相對瓦斯涌出量0.17 m3/t，礦井瓦斯等級為：低瓦斯礦井。井下采煤工作面采用全風壓通風。2013年9月，中煤科工集團重慶研究院對礦井的4-2煤層進行了煤的自燃傾向性鑒定，鑒定結(jié)果為：4-2煤層為Ⅱ類自燃煤層，發(fā)火期為65 d。根據(jù)中煤科工集團重慶研究院2013年8月提交的張家峁煤礦《自然發(fā)火標志氣體指標測定報告》，4-2煤層選擇CO和C2H4作為標志性氣體，CO臨界值為38.19×10-6，C2H4臨界值為檢測到氣體濃度。

2 均壓通風技術的應用

均壓通風的實質(zhì)是利用風機、風窗等通風設施，調(diào)整漏風區(qū)域的壓力分布，降低漏風通道的漏風壓差，減少漏風，從而達到抑制煤炭自燃、使火區(qū)惰化，熄滅火源的目的。開區(qū)均壓是在回采工作面建立均壓系統(tǒng)，在保證工作面所需風量的前提下，調(diào)節(jié)通風，以減少向采空區(qū)漏風，從而抑制煤的自燃，防止CO等有毒有害氣體涌入工作面，保證安全生產(chǎn)。

以張家峁煤礦14209工作面為例，14209工作面采用三巷布置，設計兩進一回“U”型通風，即膠運順槽和輔運順槽進風，回風順槽回風，如圖1所示。

圖1 14209工作面通風系統(tǒng)示意

14209工作面煤層平均厚度為3.79 m，設計采高為3.5 m，工作面走向推進長度為1 915.03 m，寬度為296.95 m，工作面埋深18.3～155.4 m。在14209工作面對應的地表無河流、水庫等水體，但工作面切眼39～78 m對應上覆有一條小沖溝，該溝斜長335 m，沿工作面走向垂直距離263 m，溝底覆蓋層厚度為18.3～48.3 m。

14209工作面于2019年3月開始回采，2019年11月回采結(jié)束。當14209工作面在推采至230 m時(2019年5月10日)，工作面采空區(qū)的覆巖裂隙與地面導通出現(xiàn)漏風，該工作面風流出現(xiàn)紊亂。其中：工作面膠運順槽和輔助運輸順槽風流反向，風量為4 500 m3/min；回風順槽風流方向不變，風量為1 350 m3/min；工作面上隅角CO值為23×10-6。由于14209工作面對應地表為溝壑、裸露巖層，大型機械設備無法進入作業(yè)，地面堵漏治理難度大。為確保14209工作面正常通風，實施均壓通風技術措施。

在14209輔運順槽施工1組風門，在14209膠運順槽施工1道風窗，使用1組2×75 kW局部通風機和1組2×55 kW局部通風機，通過直徑1 000 mm風筒經(jīng)14209膠運順槽向14209工作面供風。此時，工作面進風量為1 305 m3/min，回風量為1 565 m3/min，采空區(qū)漏風量現(xiàn)為260 m3/min，兩端壓差為65 Pa，通風系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 14209工作面采用均壓通風后示意

為了進一步減少漏風，保證工作面安全生產(chǎn)，在現(xiàn)有的基礎上補充措施如下：

將2×55 kW局部通風機更換為2×75 kW局部通風機，使用2組2×75 kW局部通風機對工作面同時供風，增加供風量降低兩端壓差，增強均壓效果，減少采空區(qū)漏風。同時，14209膠運順槽再施工1道風窗。此外，組織專門隊伍對地面采空區(qū)裂縫進行充填治理，最大限度降低采空區(qū)漏風；每天測定一次工作面的風量，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)漏風增大，及時報告進行處理。

采取上述治理措施，2019年5月16日4點班測定，14209工作面最小進風量為1 313.6 m3/min，最大回風量為1 365.3 m3/min，采空區(qū)最大漏風量為57 m3/min，最大壓差為65 Pa，工作面最大漏風率為4.4%，且上隅角CO值為10×10-6。

3 防滅火措施的應用

14209工作面綜合防滅火措施主要為：通風管理、黃泥灌漿、采空區(qū)注氮、工作面阻化劑噴灑和預測預報(JSG-4束管監(jiān)測系統(tǒng)、KJ912X安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、光纖測溫系統(tǒng)、人工采樣分析預報及紅外線測溫儀)相結(jié)合的綜合防滅火措施，保證工作面安全生產(chǎn)。

3.1 通風管理

在14209工作面每10架布置一個風向、風量標識點，吊掛紅色飄帶，工作面作業(yè)人員根據(jù)飄帶狀態(tài)觀察工作面風流變化情況。發(fā)現(xiàn)風量變化或出現(xiàn)無風、微風、風流逆轉(zhuǎn)等情況時，應立即組織作業(yè)人員撤離。每天測定一次工作面的風量，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)漏風增大，及時報告進行處理。

回采期間，綜采隊采取措施，提高回采率，減少采空區(qū)遺煤，加快回采速度。及時合理的構(gòu)筑通風設施，保證通風設計和施工的質(zhì)量符合相關規(guī)程要求，消除采空區(qū)的供氧條件，保證工作面通風系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

3.2 黃泥灌漿防滅火

礦井采用地面集中灌漿系統(tǒng)，灌漿站位于二盤區(qū)風井場地，采用2套地面固定式黃泥灌漿系統(tǒng)，單套設備制備及灌漿能力為60 m3/h。

灌漿管路路線：地面灌漿站→輸漿鉆孔→4-2煤回風大巷→14209輔運、回風順槽→14209綜采工作面。在14209工作面輔運順槽、回風順槽敷設灌漿管路，分別經(jīng)輔運順槽防火墻措施孔和14209回風順槽機尾分別向采空區(qū)注入。

灌漿時間：礦井采用預防性灌漿，檢測到采空區(qū)CO達到43.19×10-6或檢測到C2H4濃度時便可判斷自然發(fā)火進入了加速氧化階段，工作面進行預防性灌漿(隨采隨灌)。經(jīng)計算，14209工作面日灌漿量均為1 317 m3/d。

3.3 注氮防滅火

注氮設備安設在14209膠輔運順槽3#聯(lián)巷內(nèi)，通過管路(配套軟管)與輔運順槽注氮(灌漿)管路連接，采空區(qū)注氮時，在通過管路與防火墻措施孔連接，檢查管路設備的完好后，方可向采空區(qū)注氮。

預防性注氮和采空區(qū)封閉后注氮。當檢測到采空區(qū)CO達到43.19×10-6或者檢測到C2H4濃度時，采取預防性注氮，向采空區(qū)氧化帶注氮。當檢測到采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度小于7%后，即可停止注氮。

3.4 阻化劑防滅火

工作面切眼長度296.95 m，阻化泵有效距離580 m，在膠運順槽移變列車第二、三節(jié)安設移動式阻化泵，使用DN19高壓管經(jīng)機頭敷設至機尾，工作面每隔10個支架安設一個噴灑閥門。

最易發(fā)生煤炭自燃部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎帶等處，需要充分噴灑的地方。工作面合理的藥液噴灑量取決于采空區(qū)的丟煤量和丟煤的吸液量。

經(jīng)計算，14209工作面正?；夭善陂g，阻化劑噴灑范圍：每天工作面機頭、機尾各30 m范圍內(nèi)，噴灑阻化劑量不得低于80 kg，噴灑濃度為18%。當檢測到采空區(qū)CO達到43.19×10-6或者檢測到C2H4濃度時，工作面阻化劑噴灑范圍：每天工作面機頭噴灑至機尾，噴灑阻化劑量不得低于150 kg。噴灑濃度為18%。

3.5 預測預報

14209工作面采用KJ912X安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，在上隅角、工作面回風(回風順槽超前支架處)及回風順槽距全風壓混合處10～15 m安裝CO濃度傳感器，實時監(jiān)測工作面及采空區(qū)涌出的CO氣體濃度，可實現(xiàn)早期預報。

同時，采用JSG-4束管監(jiān)測系統(tǒng)，抽氣泵及束管監(jiān)測分站安裝在膠運機頭，共有4趟束管進行抽氣分析。1趟埋入14209切眼抽取氣樣，1趟經(jīng)14209膠、輔運順槽聯(lián)巷(滯后于采面2個聯(lián)巷)防火墻埋入采空區(qū)抽取氣體樣；1趟經(jīng)14209回風順槽埋入采空區(qū)，1趟經(jīng)14209回風順槽滯后于14209回風順槽工作面不大于100 m處抽取氣體樣。束管監(jiān)測系統(tǒng)24 h連續(xù)循環(huán)監(jiān)測14209采空區(qū)氣體成分，預測預防煤層自然發(fā)火、礦井火災等事故發(fā)生，確保礦井安全生產(chǎn)。

14209工作面采用光纖測溫系統(tǒng)，在14209回風順槽提前敷設好光纖，通風分析采空區(qū)溫度變化，實現(xiàn)發(fā)火預報。每5 d安排監(jiān)測工，對14209工作面輔運順槽防火墻內(nèi)及14209工作面上隅角進行采樣，通風地面監(jiān)測機房色譜分析儀進行分析，實現(xiàn)人工采樣分析與監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合的防滅火措施。明確14209工作面上隅角、相鄰采空區(qū)防火墻觀測孔及末采期間停采線作為自然發(fā)火觀測點，每天安排瓦檢員至少用紅外線測溫儀對工作面及采空區(qū)的溫度測定一次，定期分析數(shù)據(jù)，配合以往的經(jīng)驗，做到預測預報。

4 結(jié)論

(1)在淺埋煤層的開采過程中，覆巖裂隙帶直達地表，易造成采空區(qū)與地表導通漏風。結(jié)合張家峁煤礦14209工作面采用均壓通風技術后，風向正常，風量在1 300 m3/min左右，進回風最大壓差為65 Pa。

(2)基于均壓通風技術采取的綜合防滅火措施實施，14209工作面上隅角、采空區(qū)沒有監(jiān)測到發(fā)火跡象，有毒有害氣體及CO值始終保持在正常范圍內(nèi)。同時，加快工作面推進速度，使“自燃帶”迅速進入“窒息帶”，做好安全檢測和監(jiān)控，提高采空區(qū)發(fā)火預報的準確性，有效地降低資源浪費，保障工作面的安全回采。