煤礦井下綜合防火技術(shù)方案的研究

＊雷祝福

（潞安化工集團(tuán)陽泉五礦 山西 045000）

引言

陽泉五礦井下83202工作面長度為150m，采高為1.93m。采掘比為1:2，采區(qū)回采率80%，工作面回采率95%，礦井布置有3個(gè)井筒，副斜井主進(jìn)風(fēng)、主斜井輔助進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)立井回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng)。煤礦井下作業(yè)廣泛采用了留窄煤柱沿空掘巷技術(shù)方案，極大的提升了陽煤五礦的回采率，但由于支護(hù)煤柱在整個(gè)綜采過程中持續(xù)存在，在礦壓波動和綜采擾動的作用下會受力發(fā)生變形，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流貫穿整個(gè)采空面的時(shí)候，就容易導(dǎo)致采空區(qū)形成自燃，特別是在停采期間，在回風(fēng)上隅角位置的一氧化碳濃度迅速增加，非常容易發(fā)生自燃現(xiàn)象。根據(jù)煤礦井下的實(shí)際情況，本文提出了采空區(qū)預(yù)埋管注射三相泡沫滅火和井下注氮滅火相結(jié)合的技術(shù)方案，能夠有效的控制井下的自燃情況，極大的提升了井下煤層的安全性。

1.采空區(qū)防火技術(shù)方案分析

陽泉五礦通風(fēng)方式為中央并列式，通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式，采掘工作面及采區(qū)硐室均為獨(dú)立通風(fēng)，回采工作面采用“U”型后退式通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流由工作面進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)入，沖洗工作面后，回風(fēng)經(jīng)工作面軌道回風(fēng)順槽進(jìn)入采區(qū)專用回風(fēng)巷。開采時(shí)最大相對瓦斯涌出量為2.24m3/t，最大絕對瓦斯涌出量為2.12m3/min，屬低瓦斯礦井，根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳測試中心對該礦煤層采樣測試，煤層的吸氧量0.62cm3/g，自燃傾向性等級為Ⅱ，為自燃煤層，最短自然發(fā)火期85d，無自然發(fā)火史。

為了準(zhǔn)確地確定井下采空區(qū)防火技術(shù)方案，項(xiàng)目組首先對正?；夭蛇^程中井下回風(fēng)隅角處的環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測，結(jié)果如圖1所示，圖中橫坐標(biāo)為日期，縱坐標(biāo)表示數(shù)字常量。

圖1 十月份回風(fēng)隅角環(huán)境監(jiān)測曲線示意圖

由圖1可知，在十月份井下綜采面的每日推進(jìn)速度約為3.9m/d，因此采空區(qū)內(nèi)的遺煤在還沒有充分氧化的時(shí)候就被拋入了采空區(qū)內(nèi)部的窒息帶，因此從理論上來說在綜采面持續(xù)推進(jìn)的過程中煤層出現(xiàn)自燃發(fā)火的概率是非常小的，無需采用特殊的防火措施。

但在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)，由于井下地質(zhì)條件限制，綜采時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)停頓情況，特別是停采后井下風(fēng)量并未適當(dāng)減小，加上采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)嚴(yán)重，因此對停采5d后回風(fēng)隅角位置的一氧化碳濃度進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)其濃度持續(xù)增加，采空區(qū)內(nèi)的溫度持續(xù)增加，最大達(dá)到了42℃，出現(xiàn)了極大的自燃隱患。考慮井下實(shí)際情況，為了遏制自燃的發(fā)生，最終提出了一種綜合防火技術(shù)方案，以降低在回采面的配風(fēng)，以采空區(qū)預(yù)埋管注射三相泡沫滅火和井下注氮滅火、井下灌漿滅火相結(jié)合[1]，實(shí)現(xiàn)對采空區(qū)煤層自燃的有效控制。

2.三相泡沫滅火技術(shù)的應(yīng)用

井下三相泡沫是一種很好的防滅火材料，其主要是由黃泥漿、氮?dú)狻⑺N不同的滅火介質(zhì)構(gòu)成[2]，成本低、防滅火效果好，在使用過程中三相泡沫能夠?qū)⒚簩雍涂諝膺M(jìn)行隔絕，同時(shí)能夠?qū)⒚簩恿严斗舛拢艚^防火區(qū)域的空氣流動，因此一旦將三相泡沫覆蓋在煤層上就能通過降溫、隔絕空氣的方式抑制煤層的自燃。

因此項(xiàng)目組提出在井下采空區(qū)建立三相泡沫滅火的方案，其管路布置結(jié)構(gòu)如圖2所示，管路從煤巷處布置，整體分為液體管路和氣體管路兩個(gè)部分，液體管路的管徑不小于200mm，氣體管路的直徑不小30mm，從液體管路內(nèi)沖入黃泥漿和水的混合物，在氣體管路內(nèi)沖入空氣或者氮?dú)?，然后在發(fā)泡器內(nèi)進(jìn)行混合，最終靠閘閥控制噴入采空區(qū)的量。

圖2 井下三相泡沫滅火管路布置圖

3.井下注氮防火技術(shù)

在工作面上布置三相泡沫滅火裝置后，從長期滅火需要和滅火經(jīng)濟(jì)性上考慮，項(xiàng)目組決定同步自采空區(qū)布置注氮防火抑制裝置。為了滿足持續(xù)、高效防滅火的需求，在采空區(qū)采用了淺層注氮和深層注氮相結(jié)合的綜合注氮防火技術(shù)[3]，在井下氧化帶和散熱帶均設(shè)置注氮管路，管路在埋設(shè)時(shí)距離停采點(diǎn)不應(yīng)高于100m。由于在工作面25m的范圍內(nèi)需要進(jìn)行留頂煤回采，使遺煤進(jìn)行到采空區(qū)內(nèi)，因此考慮到該區(qū)域內(nèi)的防火要求，在采空區(qū)內(nèi)距離工作面15m的位置內(nèi)也要設(shè)置一段注氮管路，保證淺層區(qū)域的防火安全，煤礦井下注氮管路布置結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 井下注氮管路布置圖

撲滅采空區(qū)火區(qū)或巷道發(fā)火點(diǎn)所需氮?dú)饬?，主要取決于發(fā)火區(qū)域的幾何形狀、空間大小、漏風(fēng)量、火源范圍和燃燒時(shí)間長短等因素。對于巷道火災(zāi)，可主要按空間量及漏風(fēng)量計(jì)算[4]，國內(nèi)外試驗(yàn)表明，滅火用氮量為巷道空間的3倍。同時(shí)結(jié)合煤礦井下的實(shí)際情況，井下?lián)錅绮煽諈^(qū)火災(zāi)注氮量可按如下公式計(jì)算[5]：

式中：

Q—注氮量，Nm3；

V0—火區(qū)體積，m3；

C1—火區(qū)原始氧濃度，%；

C2—注氮區(qū)欲達(dá)到的氧濃度，取3%。

一般按5～10d完成滅火時(shí)間確定滅火注氮流量，即：

4.井下灌漿工藝

灌漿就是將水和其他配料按照一定的比例進(jìn)行混合，通過管路將滅火漿料輸送到井下，最后再灌注到指定的區(qū)域內(nèi)，防止綜采面發(fā)生自燃。因此對灌漿料來說，需要滿足滅火可靠性和流動性好的特性要求，避免出現(xiàn)管路堵塞、滅火失效等。根據(jù)實(shí)際驗(yàn)證灌漿系數(shù)設(shè)置為5%，灌漿時(shí)的漿土水比設(shè)定為1:4時(shí)，灌漿料具有最佳的綜合性能。由于所需的灌漿量極大，因此選用地面集中灌漿系統(tǒng)，布置在副斜井工業(yè)場地附近。

根據(jù)井下巷道情況并參考煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范（MT/T 702-1997）第7.3條，灌漿量按下式計(jì)算[6]：

式中：

QW—礦井灌漿量，m3/h；

k—灌漿系數(shù)，取5%；

G—礦井日產(chǎn)煤量，11號煤為1818t；

δ—土水比的倒數(shù)，取4；

M—漿液制成率，土水比為1:4時(shí)，取0.910；

rc—煤的密度，根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，11號煤層容重為1.40t/m3；

t—礦井日灌漿時(shí)間，h，一天3班，一班4h，共12h。

經(jīng)計(jì)算：Qw=24.62m3/h。

灌漿所需的黃土漿液的制備一般在地面進(jìn)行，目前常用的是水力制漿方案，用水槍沖擊采土場，使?jié){液沿著泥漿溝流入到集泥池中，再利用攪拌機(jī)進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁ㄟ^放漿閘閥送至注漿集中鉆孔或井下注漿干管。本礦采用水力取土制漿系統(tǒng)，山坡上黃土較松軟，用水槍直接從采土場取土。井下制漿工藝流程如圖4所示。

圖4 水力制漿工藝流程示意圖

在灌漿過程中，灌漿管道選用D102×6mm無縫鋼管，灌漿時(shí)采用了采后灌漿的模式，當(dāng)工作面回采結(jié)束永久封閉后或出現(xiàn)自然隱患采取封閉措施后，通過密閉墻預(yù)留注漿孔進(jìn)行灌漿，實(shí)行“連續(xù)足量，充分灌注”，大量向壁后灌注漿液，灌漿量根據(jù)礦井自燃發(fā)火情況確定。

5.阻化劑滅火

阻化劑防滅火是近年來逐漸推廣并得到廣泛應(yīng)用的礦井防滅火技術(shù)[7]。它是將阻止煤炭氧化自燃的化學(xué)藥劑制成溶液噴灑在煤壁、采空區(qū)浮煤上或壓注入煤體之內(nèi)，吸收空氣中的水分，在煤的表面形成含水液膜，從而阻止了煤與氧的接觸，起到了隔氧阻化作用。

工作時(shí)，在工作面回風(fēng)順槽適當(dāng)位置設(shè)置800kg的礦車作為阻化劑儲藥箱，將確定濃度的氯化鈣溶液裝入礦車內(nèi)，按設(shè)定的比例將水加入礦車進(jìn)行均勻攪拌，開啟泵，將配置好的阻化液撒入綜采面順槽的下側(cè)。為了提高阻化液噴灑效率和可靠性，一臺泵配一支噴槍，霧化器安裝在液壓支架后側(cè)，靠近采空區(qū)側(cè)，由專人手持噴槍，從溜子機(jī)頭向機(jī)尾沿支架間隙向采空區(qū)噴灑。在噴灑過程中需要重點(diǎn)對下隅角位置進(jìn)行噴灑，保證可見區(qū)域的煤體表面全部潤濕，提高防火的可靠性。該噴灑系統(tǒng)的整體布置結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 阻化劑噴灑系統(tǒng)工藝圖

在正常的回采過程中，需要在割底煤和移架時(shí)候先噴灑一次阻化劑，每次噴灑時(shí)間的寬度要不低于綜采面的一個(gè)循環(huán)進(jìn)度。

6.綜合防治效果分析

為了對井下防火效果的實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行研究，在井下進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角位置分別設(shè)置了傳感器設(shè)備[8]，對區(qū)域內(nèi)的環(huán)境氣體情況進(jìn)行分析，采用三相泡沫滅火+注氮滅火技術(shù)后，井下進(jìn)風(fēng)隅角和回風(fēng)隅角處的一氧化碳濃度、環(huán)境溫度變化情況如圖6所示圖中橫坐標(biāo)表示日期。

由圖6可知，當(dāng)從8月20日停采后，環(huán)境內(nèi)的一氧化碳濃度、進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的溫度都迅速的增加，且進(jìn)風(fēng)側(cè)的溫度稍微大于回風(fēng)側(cè)的溫度。從8月25號開始向采空區(qū)注入三相泡沫及氮?dú)?，環(huán)境內(nèi)的一氧化碳濃度、進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的溫度開始逐步下降，8月28號進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的溫度下降到約28℃，然后逐步緩慢下降并穩(wěn)定在25℃左右。而環(huán)境內(nèi)的一氧化碳濃度則在9月1號開始基本穩(wěn)定在10×10-6以下，由此說明了采用三相泡沫防火+注氮滅火的方式能夠有效地保證采空區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定性，消除煤層發(fā)火隱患。

圖6 優(yōu)化前后井下監(jiān)測數(shù)據(jù)對比

7.結(jié)論

為了解決煤礦井下回采面停采期間回風(fēng)隅角位置一氧化碳濃度迅速增加，易出現(xiàn)自燃的狀況，在對井下回采面煤層的實(shí)際情況進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，提出在采空區(qū)預(yù)埋管注射三相泡沫滅火和井下注氮滅火相結(jié)合的防治火方案，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明：

（1）采區(qū)風(fēng)量過大且漏風(fēng)嚴(yán)重是導(dǎo)致回采面出現(xiàn)自燃現(xiàn)象的主要原因；

（2）采用三相泡沫防火+注氮滅火的方式，能夠在停采期間快速降低煤層處的溫度和一氧化碳濃度，從而確保采空區(qū)環(huán)境的穩(wěn)定性和可靠性。