復(fù)采工作面綜合防滅火技術(shù)研究

田晴 江麗麗 秦鵬

針對(duì)楊莊煤礦F9305復(fù)采工作面自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)的現(xiàn)狀，通過(guò)采取預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、注漿、注氮、注防滅火材料、堵漏風(fēng)等綜合防滅火技術(shù)保證了復(fù)采工作面回采過(guò)程中的防火安全，確保了工作面正?；夭?。

一、概況

F9305工作面為復(fù)采工作面，該工作面軌道順槽在松散煤體中掘進(jìn)，運(yùn)輸順槽巷道前進(jìn)右?guī)团c9311采空區(qū)之間留有約6m的煤柱，受?chē)鷰r應(yīng)力變化及礦山壓力影響，煤體進(jìn)一步破碎產(chǎn)生裂隙存在漏風(fēng)通道；工作面采用放頂煤回采工藝，推進(jìn)速度較慢，初采期間頂煤受采動(dòng)影響范圍較小不易垮落，頂煤回收不徹底，采空區(qū)遺煤量較大，同時(shí)由于回采初期工作面采空區(qū)頂板冒落不密實(shí)漏風(fēng)擴(kuò)散范圍大，采空區(qū)持續(xù)有氧氣供給，為采空區(qū)遺煤自然發(fā)火創(chuàng)造了良好的供氧及蓄熱條件；后續(xù)工作面回采期間遇斷層或其他特殊地質(zhì)構(gòu)造區(qū)域時(shí)，局部可能留有遺煤且裂隙豐富，存在漏風(fēng)通道，造成遺煤持續(xù)氧化。另外在工作面回采過(guò)程中兩端頭局部出現(xiàn)的遺煤回收不徹底進(jìn)入采空區(qū)，存在自然發(fā)火隱患，增加工作面回采期間的防滅火管理難度。

二、自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

2017年6月委托山東鼎安檢測(cè)技術(shù)有限公司對(duì)礦井南翼采區(qū)3煤自燃傾向性等級(jí)進(jìn)行鑒定，鑒定結(jié)果：自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，屬自燃煤層。最短自然發(fā)火期為80d。根據(jù)鑒定報(bào)告確定以CO作為指標(biāo)性氣體，CO出現(xiàn)表明測(cè)試煤已經(jīng)開(kāi)始氧化，其出現(xiàn)臨界溫度為66.1℃，檢出濃度為0.18ppm；煤溫超過(guò)60～70℃后一氧化碳產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度均加快。如果發(fā)現(xiàn)CO濃度超過(guò)0.0024%且其含量繼續(xù)呈上升趨勢(shì)時(shí)，要及時(shí)匯報(bào)礦有關(guān)部門(mén)并查找原因進(jìn)行防滅火處理。根據(jù)鑒定報(bào)告C₂H₄出現(xiàn)且變化速率明顯加快是煤進(jìn)入加速氧化階段的標(biāo)志，其出現(xiàn)的臨界溫度為115.0℃-142.5℃，檢出濃度為0.03ppm，此時(shí)應(yīng)該采取積極的防滅火措施。C₂H₄/C₂H₆比值峰值的出現(xiàn)是煤進(jìn)入激烈氧化階段的標(biāo)志，其峰值出現(xiàn)的溫度為287.0℃左右，對(duì)應(yīng)C₂H₄濃度為17.10ppm，C₂H₆濃度為3.98ppm，C₂H₄/C₂H₆可作為判別煤反應(yīng)程度的輔助指標(biāo)。將工作面回風(fēng)隅角CO濃度達(dá)到24ppm，作為早期自然發(fā)火征兆預(yù)警值。

三、綜合防滅火技術(shù)

（一）注漿系統(tǒng)

礦井在興隆莊村南設(shè)置一處地面注漿站為南翼采區(qū)服務(wù)。注漿站設(shè)有集土池、攪拌機(jī)、制漿池、潛水泵、蓄水池、高壓水槍等設(shè)施設(shè)備，漿材（紅土或粉煤灰）在集土池通過(guò)高壓水流沖至制漿池中，經(jīng)過(guò)攪拌機(jī)攪拌制成漿液，漿液采用靜壓自流方式通過(guò)地面下漿鉆孔及井下注漿管路輸送至計(jì)劃注漿區(qū)域。F9305軌道順槽以外的主要大巷主注漿管采用φ108 mm的無(wú)縫鋼管， F9305軌道順槽的主注漿管采用φ108或φ89mm的無(wú)縫鋼管，主注漿管路接設(shè)至距工作面切眼不大于80m處停止，其余分支注漿管采用不小于φ50mm鋼管敷設(shè)。

回采前在F9305工作面架后提前敷設(shè)第一路注漿管，長(zhǎng)度以管路末端進(jìn)入運(yùn)輸順槽內(nèi)為宜，每3m左右打設(shè)一個(gè)出漿口，注漿管管徑不小于50mm，注漿管與軌道順槽主注漿管連接。從第一路注漿管向外20±2m按以上方式在工作面架后敷設(shè)第二路注漿管，依次循環(huán)直至工作面回采結(jié)束。注漿管在敷設(shè)下一路時(shí)對(duì)上一路進(jìn)行注漿，注漿管注漿后繼續(xù)外延。工作面停采線處的注漿管按以上方式敷設(shè)，停采線處的注漿管在采空區(qū)封閉后開(kāi)始注漿。

結(jié)合以往工作面防滅火經(jīng)驗(yàn)，工作面開(kāi)始采線、終采線處每路注漿量粉煤灰漿液不小于600m³，黃土漿液不小于800m³；架后埋管期間每路注漿量粉煤灰漿液不小于300m³，黃土漿液不小于400m³。溜頭或工作面開(kāi)始出漿時(shí)可停止注漿，如停止注漿后注漿量達(dá)不到要求，間隔一段時(shí)間再進(jìn)行補(bǔ)注。工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤量較大或工作面相關(guān)地點(diǎn)CO超限并持續(xù)升高時(shí)，要根據(jù)實(shí)際縮短注漿管埋管間距，注漿量在原有的基礎(chǔ)上增加一倍，以便進(jìn)一步增加采空區(qū)氣密性，消除采空區(qū)發(fā)火隱患。

（二）注氮系統(tǒng)

根據(jù)《煤炭礦井設(shè)計(jì)防火規(guī)范》GB 51078-2015，制氮設(shè)備或裝置的能力應(yīng)按礦井注氮需要選取，注氮能力按下式計(jì)算：

Q_N=60*K*Q₀*

式中：

Q_N——注氮量（m³/h）；

Q₀——F9305工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風(fēng)量，一般取5～20 m?/min。但采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量的變化范圍較大，一般按工作面風(fēng)量的1/60～1/100選取，采取堵漏風(fēng)措施后我礦取1/80，漏風(fēng)量為7.06m?/min；

C₁——采空區(qū)氧化帶內(nèi)的原始氧濃度，一般為10%～15%，取10%；

C₂——采空區(qū)防火惰化指標(biāo)，可取7%；

C_N——注入氮?dú)獾牡獨(dú)鉂舛龋?7%；

K——備用系數(shù)按總注氮量的1.2～1.5倍選取，取1.5。

經(jīng)計(jì)算，Q_N=476.55m?/h，取477m?/h。礦井配備MYQ-1000液態(tài)惰氣防滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)有電加熱汽化器2臺(tái)，單臺(tái)運(yùn)行額定產(chǎn)氮量為500m?/h，兩臺(tái)運(yùn)行額定產(chǎn)氮總量為1000m³/h，均大于477m?/h，能夠滿(mǎn)足礦井注氮要求。

MYQ-1000液態(tài)惰氣防滅火系統(tǒng)由電加熱氣化器、控制設(shè)備、緩沖儲(chǔ)氣罐、流量、壓力、溫度檢測(cè)及控制裝置等主要設(shè)備及裝置構(gòu)成。注惰車(chē)間設(shè)在礦區(qū)南地面充填站小料車(chē)間內(nèi)，在小料車(chē)間南墻西側(cè)打孔安裝惰源外接管路。車(chē)間內(nèi)安設(shè)電加熱氣化器、緩沖儲(chǔ)氣罐、電源開(kāi)關(guān)柜、控制設(shè)備組、信號(hào)集中顯示柜、低溫管路控制連接件等的設(shè)施設(shè)備。惰源（移動(dòng)式氮?dú)獠圮?chē)）在小料車(chē)間南墻外，通過(guò)專(zhuān)用管路與注惰車(chē)間南墻西側(cè)伸出的惰源外接管路相連。

F9305工作面相關(guān)區(qū)域出現(xiàn)發(fā)火隱患，采取常規(guī)處置措施不能奏效時(shí)，根據(jù)工作面、工作面回風(fēng)流及回風(fēng)隅角風(fēng)流中相關(guān)氣體指標(biāo)狀況及火勢(shì)劇烈程度選擇采取開(kāi)放式或封閉式注氮進(jìn)行滅火，實(shí)施采空區(qū)開(kāi)放注氮時(shí)將F9305軌道順槽專(zhuān)用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接，使氮?dú)馔ㄟ^(guò)注漿管進(jìn)入采空區(qū)；實(shí)施工作面封閉注氮時(shí)首先將F9305軌道順槽專(zhuān)用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接，再將F9305兩順槽防火門(mén)墻洞封閉，隨后輸送氮?dú)獬錆M(mǎn)整個(gè)工作面、采空區(qū)及兩順槽；如需縮小封閉注氮范圍，首先將F9305軌道順槽專(zhuān)用管路末端與順槽內(nèi)的采空區(qū)埋管連接。在運(yùn)輸順槽適當(dāng)位置施工板閉，再將F9305軌道順槽防火門(mén)墻洞封閉，隨后輸送氮?dú)獬錆M(mǎn)整個(gè)工作面、采空區(qū)及兩順槽。運(yùn)輸順槽未封閉區(qū)域使用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)。

（三）壓噴注防滅火材料防治自然發(fā)火

在F9305軌道順槽配備隔膜泵及氣動(dòng)注漿泵，用于噴灑阻燃劑、壓注水玻璃凝膠或LFM防滅火材料。工作面架間敷設(shè)一路φ25mm高壓膠管，每20m設(shè)三通閥門(mén)，為應(yīng)急噴灑相關(guān)防滅火材料專(zhuān)用。據(jù)現(xiàn)場(chǎng)防火需要， MEA、水玻璃、小蘇打、LFM防滅火材料、花管等在現(xiàn)場(chǎng)配齊，數(shù)量滿(mǎn)足需要。

工作面架后遺煤多，存在自燃隱患時(shí)，可使用一次性注膠管插入架后破碎煤體內(nèi)，壓注水玻璃膠體；軌道順槽松散煤體出現(xiàn)自燃隱患時(shí)，在隱患點(diǎn)打孔插入注膠管，壓注水玻璃膠體進(jìn)行防滅火處理。溜頭、溜尾關(guān)門(mén)柱處浮煤較多，裸露煤體（碎煤）要用水玻璃凝膠噴涂。噴注方式為：浮煤表面噴灑和破碎煤體插管壓注。噴灑可手持高壓膠管或鋼管，對(duì)煤體表面進(jìn)行噴灑，噴灑要均勻。插管用鋼管制作，為方便操作，插管可由多節(jié)組成，用管箍或內(nèi)絲頭連接，前段加工成花管，以提高壓注效果；插管壓注時(shí)要根據(jù)情況隨時(shí)變換插孔位置，既要保證效果，又要避免浪費(fèi)，噴注要達(dá)到破碎煤體全部濕潤(rùn)效果。在軌道順槽內(nèi)，距非回采幫約0.5m的垂直于頂部打設(shè)一排注膠孔，在非回采幫肩窩下約0.5m位置，與水平成45°±15°打設(shè)一排注膠孔，然后在鉆孔內(nèi)下設(shè)注膠管，注膠管孔口使用棉紗、水泥等材料進(jìn)行封堵；然后往注膠管內(nèi)壓注水玻璃凝膠、阻燃劑等防滅火材料。

四、總結(jié)

通過(guò)實(shí)施以上方案措施，現(xiàn)F9305工作面已推進(jìn)約500m，未出現(xiàn)嚴(yán)重自燃隱患，防火管控措施得力有效，保證了工作面正?；夭?。同時(shí)也掌握了復(fù)雜煤層自燃的特性參數(shù)，探索了松散煤體漏風(fēng)規(guī)律及自燃危險(xiǎn)區(qū)域，構(gòu)建了復(fù)采工作面煤層自燃應(yīng)急防控技術(shù)體系。為今后礦井及周邊礦井復(fù)采煤層安全回采、提高資源回收率，減少能源損失、延長(zhǎng)衰老礦井服務(wù)年限，以及減輕社會(huì)就業(yè)負(fù)擔(dān)都具有很大意義和重要的參考價(jià)值。