大傾角特厚煤層綜放工作面綜合防滅火技術

麻 強，梁建國，張亞波，杜志鐸

(1.霍州煤電集團 汾源煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 035100； 2.晉能控股煤業(yè)集團 潞新公司, 新疆 哈密 839000；3.徐州安云礦業(yè)科技有限公司， 江蘇 徐州 221009； 4.朔州煤礦安全監(jiān)察局， 山西 朔州 036006)

我國具有自然發(fā)火危險的煤礦所占比例大、覆蓋面廣[1]. 其中大傾角、特厚煤層綜放工作面在開采過程中，受煤層賦存條件、過斷層等因素影響，造成上行通風阻力大，增大了采空區(qū)漏風，且因綜放開采遺煤較為破碎，共同加劇了采空區(qū)自然發(fā)火的幾率。因此，如何預防類似開采條件下的采空區(qū)遺煤自然發(fā)火成為很多煤礦所面臨的問題[2].

汾源煤業(yè)5-101工作面開采5#煤層，煤塵有爆炸危險性，且為Ⅱ類自燃煤層。受特厚煤層綜放大傾角開采(平均35°)、頂板管理困難等綜合因素影響，回采速度十分緩慢，可能導致工作面初采、緩慢推采及末采收作期間采空區(qū)存在極大的自然發(fā)火隱患，嚴重影響礦井的安全生產。由于工作面傾角較大，直管注氮不能保證氮氣均勻分布在采空區(qū)，導致注氮效果下降；同時傾角過大也會對灌漿效果造成不利影響，出現擴散范圍有限、漿液沖刷地面形成溝壑致使治理效果不佳、黃泥漿流入工作面區(qū)域影響生產、無法治理高位火源等問題。鑒于此，通過建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)，提出“L”型注氮防滅火技術與注兩相泡沫防滅火技術相結合的綜合防滅火措施來解決5-101綜放工作面所面臨的采空區(qū)遺煤自燃問題，保證工作面的安全生產。

1 工作面概況

礦井現開采5-101綜放工作面，煤層傾角平均35°；工作面傾向長度105 m； 5#煤層厚度為8～12 m，平均厚度為10.5 m. 采用U型后退式通風系統(tǒng)，5-1011巷進風，5-1012巷回風，采用上行通風，配風量870 m3/min. 根據5#煤層的鑒定結果可知，煤塵有爆炸危險性，煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為57 d.

2 建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)

2.1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安裝一套KJ70X型安全監(jiān)控系統(tǒng)，對井下環(huán)境以及主要設備運行狀態(tài)進行24 h實時數據監(jiān)測，實現對CO、溫度、煙霧等礦井火災參數的動態(tài)監(jiān)控，覆蓋礦井各點。

2.2 束管監(jiān)測系統(tǒng)

礦井安設型號為JSG8束管監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備循環(huán)監(jiān)測、自動化取氣的優(yōu)點，能夠對井下采空區(qū)內的O2、CO、CO2、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等氣體含量進行循環(huán)監(jiān)測。根據汾源煤業(yè)提供的采空區(qū)“三帶”研究劃分結果，在回風順槽上隅角沿采空區(qū)從開切眼開始，每隔30 m安設束管監(jiān)測點，見圖1.

圖1 采空區(qū)監(jiān)測束管布置示意圖

2.3 人工檢測和取樣分析

為了彌補束管循環(huán)監(jiān)測可靠性差的缺點，在建立以連續(xù)監(jiān)測為特征的束管監(jiān)測預測預報系統(tǒng)的同時，建立人工檢測預報制度。在工作面回采過程中每天對工作面采空區(qū)、上隅角、回風巷和異常地點的氣體進行采樣分析溫度探測。

3 綜放工作面綜合防滅火技術研究

3.1 “L”型注氮防滅火技術

“L”注氮防滅火技術的原理是利用氮氣的窒息和抑爆作用稀釋采空區(qū)內的氧氣使其不發(fā)生自燃，并惰化采空區(qū)內的氣體，使其失去可爆性[3].

3.1.1 “L”型注氮參數

注氮防滅火惰化指標：由于開采5#煤層為Ⅱ類自燃煤層，采空區(qū)防火惰化指標取7%，滅火惰化指標取3%. 采用開放式、連續(xù)性注氮方式，注氮量根據《煤炭礦井設計防火規(guī)范》(GB 51078—2015)計算,計算方式如下：

QN=60·Q0·(C1-C2)/(CN+C2-1)

式中,QN為注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶內漏風量，m3/min，一般為5～20，取20；C1為采空區(qū)氧化帶內原始氧濃度，%，一般為10～15，取10；C2為采空區(qū)惰化防火指標，%，取7；CN為注入的氮氣濃度，%，取97. 計算得，QN=900 m3/h.

3.1.2 “L”型注氮管路布置方式

綜放工作面注氮管路采用工作面傾向邁步式“L”型預埋方法，具體管路布置方式如下：

1) 從綜放工作面進風巷每隔30 m沿工作面采空區(qū)傾向，在支架后部刮板輸送機后預埋16根d50 mm無縫鋼管連接的篩眼注氮管路，敷設管路在此處進行90°彎折。

2) 兩趟注氮管路間隔30 m交替埋設，每埋進30 m開始注氮，埋進60 m時切斷重新鋪設如此循環(huán)，直到工作面回采結束(圖2).

圖2 綜放工作面傾向邁步式預埋管路布置示意圖

3.2 注兩相泡沫防滅火技術

兩相泡沫是近些年興起的新型滅火材料，是由氣(氮氣或空氣)、液(水)相經發(fā)泡而形成的具有一定分散體系的混合體。與注漿防滅火技術相比，其具有以下特點：1) 擴散性好，不會使?jié){液沖刷地面形成溝壑，不會大量流入工作面。2) 堆積性強，可治理高位火源[4].

3.2.1 兩相泡沫的參數

1) 兩相泡沫主要技術參數見表1.

表1 兩相泡沫主要技術參數表

2) 制備工序。利用汾源煤業(yè)已有靜壓水系統(tǒng)，在水管路上通過定量添加泵將發(fā)泡劑壓入漿液中與其充分混合，同時，在距離工作面一定距離處注漿管路上接入一臺泡沫發(fā)生裝置，將氮氣接入發(fā)泡裝置，隨后便可產生均勻穩(wěn)定的兩相泡沫。

3) 灌注方式。每隔3天白班灌注8 h，灌注量計算方式如下：

Qs=λHLDK/8

式中，Qs為回采工作面灌兩相泡沫量，m3/h；λ為注水耗損系數，取1.44；H為工作面平均遺煤厚度，m，取1.78；L為工作面長度，m，取105；D為3天的平均推進距離，m，取7.2；K為采空區(qū)垮落后孔隙率，取0.31. 計算得，Qs=600 m3/h.

4) 當工作面出現以下任何一種情況時，說明工作面采空區(qū)已出現煤自然發(fā)火征兆，必須進行階段性灌注兩相泡沫，直至工作面或下隅角出現兩相泡沫外漏時停止灌注：a) 上隅角CO濃度≥24×10-6，呈連續(xù)上升趨勢。b) 采空區(qū)CO濃度≥50×10-6，呈連續(xù)上升趨勢。c) 出現C2H4或C2H2. d)采空區(qū)溫度T≥35℃[5].

3.2.2 注兩相泡沫管路布置方式

綜放工作面注兩相泡沫管路采用邁步式預埋方法，具體管路布置方式如下：

1) 在綜放工作面回風巷預埋2趟d89 mm灌漿管路，邁步間距36 m. 當第1根埋入采空區(qū)36 m后，埋入第2根；當第2根埋入采空區(qū)36 m后，切斷第1根并重新埋設，如此循環(huán)，直至工作面回采結束，見圖3.

圖3 5-101工作面邁步式預埋灌漿管路布置示意圖

2) 灌漿釋放口應高于巷道底板300 mm，與巷道保持平行。

3) 在工作面100 m的灌漿主管路上預留一個接口，便于安設泡沫發(fā)生裝置。

4 綜合防滅火技術應用效果

通過整理束管監(jiān)測5-101工作面回采期間所收集的數據可知，自然發(fā)火指標性氣體C2H2、C2H4從未出現，整理CO濃度數據可得圖4.

圖4 回采期間CO濃度變化曲線圖

由圖4可知，6月26日采取“L”型注氮防滅火技術和注兩相泡沫防滅火技術后，CO濃度一直為0，對比自然發(fā)火指標氣體檢測報告結論可知，在工作面正?；夭善谥粱夭山Y束期間，5-101綜放工作面采空區(qū)未出現煤自然發(fā)火的征兆。

5 結 論

通過建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)，提出“L”型注氮防滅火技術與注兩相泡沫防滅火技術相結合的綜合防滅火技術體系來防治工作面火災。根據回采期間的監(jiān)測結果分析得出，采空區(qū)內遺煤未發(fā)生自然發(fā)火，證明“L”注氮防滅火技術與注兩相泡沫防滅火技術相結合的綜合防滅火技術能有效保障工作面的安全回采。