綜合防滅火技術在沿空留巷綜采工作面的應用

焦世雄 王文才

（1.內蒙古科技大學，內蒙古 包頭 014010； 2.同煤集團白洞礦業有限公司，山西 大同 037029）

1 礦井及沿空留巷綜采工作面概況

大同煤礦集團白洞礦業公司位于大同煤田中東部，地處大同市西南約30km。其地理位置為東 經112°49′23" 至112°56′41"，北 緯39°53′23" 至39°56′34"。井田東西長10.4km，南北寬4.0 ～5.9km，面積為51.21km2。現正在開采山4#煤層，其中8305 工作面為沿空留巷綜采工作面。8305 工作面位于礦井東盤區，北為8303 采空區，南為補總回風大巷，西為補總回風大巷，東為三條盤區巷道，其上為侏羅系14-3 煤層采空區8114、8116 工作面，層間距約500m。8305 工作面走向長度712m，可采長度625m，傾向長度為198m；煤層厚度為3.1 ～4.0m，平均厚度為3.6m；煤層傾角1 ～3°，平均傾角為2°。

根據2018 年煤層自燃傾向性鑒定報告可知：山4#煤層自燃傾向性為自燃，自燃傾向性等級為Ⅱ級，最短自然發火期為84d。為有效預防8305 工作面采空區遺煤自燃，結合8305工作面煤層賦存條件、巷道布置、回采工藝等實際情況，同時借鑒其他礦井山4#層工作面的防火經驗，白洞礦業公司采用了采空區注氮、噴灑阻化劑、臨時灌漿、采空區防滅火監測等綜合防滅火方法。

2 注氮防滅火

2.1 制氮設備、安裝地點及路線

在地面制氮機房內安裝1 套KGZP-1500 型碳分子篩制氮機，制氮能力為1500Nm3/h，純度≥97%，出 口 壓 力≥0.8MPa；1 套DM-1000 型膜分離制氮機，制氮能力為1000Nm3/h，純度≥97%，出口壓力≥0.8MPa。

注氮路線為：地面制氮車間→主斜井→措施巷→盤區皮帶巷→2305 皮帶順槽→采空區。

2.2 注氮工藝

采用邁步式埋管注氮工藝。具體工藝如下：在2305 進風順槽沿采空區埋設2 趟DN100mmPE 管，第1 趟與第2 趟步距50m。第1 趟管路埋入采空區50m 時，開始第2 趟管路注氮，第1 趟管路仍保持連續注氮。當第1 趟注氮管口埋入采空區100m 時，斷開第1 趟注氮管路，開始第2 趟管路注氮。當第2 趟注氮管口埋入采空區100m 時，開始第1 趟注氮管路的注氮。斷開第2 趟注氮管路。如此循環，直至工作面采完為止。

2.3 注氮防滅火惰化指標

（1）注氮防火惰化，即注氮后采空區內氧氣濃度不得大于7%；

（2）注氮滅火惰化，即火區內氧氣濃度不大于3%；

（3）注氮抑制瓦斯爆炸，其采空區氧氣濃度指標小于12%。

2.4 注氮量計算

式中：

QN-注氮流量，m3/h；

Q0-采空區氧化帶內漏風量，現取10m3/min；

C1- 采空區氧化帶內平均氧濃度，10%～20%，取10%；

C2-采空區惰化防火指標，取 7%。

CN-注入氮氣中的氮氣濃度，取98%。

K-備用系數，一般取1.2 ～1.5，這里取1.2。

經過計算，8305 工作面注氮量為432m3/h，能夠滿足要求。

3 噴灑阻化劑防滅火

工作面正常推進時要及時噴灑阻化劑，使用氣霧阻化系統防滅火。

3.1 阻化劑的選擇

選用MgCl2、CaCl2阻化劑，能夠侵入到煤的層理、節理和微小的裂縫中，在煤的表面形成液膜。由于其吸水性強，所以在一定溫度下能保持一定水分，還可以黏附在煤的表面，形成穩定的抗氧化的液膜，阻止煤與氧接觸，減少煤的氧化，起到隔氧阻化的作用。與同類產品相比，最大的特點是成本低，貯運方便。

3.2 噴、灑方式

回采期間，每個圓班對工作面采空區噴灑一次阻化劑，要求阻化劑噴灑均勻，能夠覆蓋工作面底板遺煤上。在2305 巷串車處穩裝1 臺BH-160/12.5-G 型的防滅火液壓泵站，經由高壓軟管將20%的MgCl2溶液輸送到霧發生器（噴咀數量暫確定為2 個，即在工作面頭部和中部各安設1 個噴咀，加強頭部的噴灑工作，可根據實際效果適當增減），霧發生器在高壓（12.5MPa）作用下噴出阻化汽霧，溶液的85%被分散為直徑30μm 的霧粒，并由風流帶向采空區內。為了防止霧發生器噴咀堵塞，在供液管路中裝有自動過濾器。

3.3 阻化液的配比

根據廠家設計，阻化劑與水按照阻化劑溶液濃度為20%進行配比，阻化率為45%～60%。

3.4 噴灑量計算

噴霧量的大小與采空區丟煤量成正比。其計算公式如下：

式中：

T-日噴霧量，t；

R-霧化率，取85%；

K-噸煤用液量，取0.02t/t；

D-實體煤容重，取1.48t/m3；

L-工作面長度，取198m；

H-工作面采高，取3.2m；

S-日進尺，取4.8m；

A-丟煤率，%。

4 臨時灌漿系統

當注氮防滅火、噴灑阻化劑防滅火效果不理想，且工作面有發火征兆時，立即啟用工作面臨時灌漿系統對采空區進行灌漿。根據地測科提供的標高資料可知，2305 巷煤層底板標高約971m，5305 巷煤層底板標高約965m，2305 巷比5305 巷高約6m。設計在工作面2305串車前，建立工作面臨時灌漿站，在工作面回采前將灌漿管路延接至2305 巷端頭支架以里采空區50m 處，對采空區實施灌漿。為了防止灌漿管路被砸破壞，在管路前施工#字木垛。灌漿系統管路如圖1 所示。

圖1 8305 工作面埋管灌漿示意圖

（1）日灌漿需土量

式中：

Q1-日灌漿所需土量，m3/d；

k-灌漿系數，灌漿材料的固體體積與需要灌漿的采空區容積之比。在k 值中考慮了冒落巖石的松散系數、泥漿收縮系數和跑漿系數等綜合影響。該系數應根據各礦的實際情況確定（取值范圍0.03 ～0.3）；

l-工作面日推進度，m/d；

m-煤層采高，m；

h-灌漿區的傾斜長度，m；

c-采煤回收率，%。

（2）日灌漿需水量

式中：

δ-水土比，我國煤礦灌漿的泥漿水土比一般使用3:1 ～6:1，取5:1；

k1-沖洗管路防止堵塞用水量的備用系數，一般取1.10 ～1.25，取1.25。

5 防滅火監測系統

5.1 束管監測系統

礦井配置一套JSG8（A）型煤礦束管火災監測系統，一次進樣可以完成對CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、N2等自然發火標志氣體的全分析。束管總管由地面化驗室開始從主斜井深入井下，進入盤區皮帶巷。

（1）束管管路布置

束管從盤區皮帶巷總管分支，經皮帶大巷→

→工作面2305 巷采空區→工作面5305 巷采空區

（2）測點布置

束管線測氣口布置在2305、5305 順槽采空區每隔50m一個，隨時可以采集8305采空區內的氣體，束管線靠巷道上幫吊掛牢固。如果束管取樣化驗結果與采空區實際數值誤差較大，不能準確反映采空區氣體成分時，則必須采用取樣泵，人工取樣。

5.2 人工預測預報分析

（1）人工檢測參數：CO、CH4、CO2、O2和溫度。

（2）人工測點布置：8305 工作面回采后，每班檢查8305 工作面、回風流和工作面中、尾氣體。

（3）取樣分析：8305 工作面回風流、采空區每周取樣2 次，分析其氣體成分。

5.3 傳感器監測監控系統設置

（1）工作面回風流距回風口10 ～15m 處安裝溫度和一氧化碳傳感器，并確保實時在線監測。

（2）工作面初采線起沿空留巷內采空區側每隔150m 安裝1 臺一氧化碳傳感器，并確保實時在線監測。

6 效果分析

通過采空區注氮、噴灑阻化劑、臨時灌漿、采空區防滅火監測系統監測等綜合防滅火方法，可以有效惰化采空區氣體，減少采空區浮煤與空氣的接觸，降低采空區溫度，從而有效防治沿空留巷綜采工作面采空區浮煤自燃事故的發生。