馬道頭煤礦8103采面采空區防滅火技術

（孝義市應急管理局，山西 孝義 032300）

1 工程概況

山西同煤集團馬道頭煤礦8103工作面位于1070水平北一盤區，工作面開采3#～5#煤層，工作面處于3#～5#合并區，煤層平均厚度為18.12m，平均傾角為3.7°，煤層上方頂板巖層為細砂巖和粗砂巖，底板巖層為泥巖、粉砂巖和中細砂巖。工作面采用綜放開采，采高為3.9m，放煤高度11.7m，采放比約為1:3，工作面采用“U”型通風系統。

根據礦井地質報告可知，3#～5#煤層煤自燃傾向性為Ⅱ類，自然發火期最短約為83天，由于開采煤層厚度較大，采用綜放開采會遺留大量浮煤于采空區內，現為防止采空區出現自燃現象，進行采空區防滅火技術設計。

2 采空區防滅火方案

2.1 采空區束管監測系數

在8103工作面建立KSS200C型自燃火災束管監測系統，在回采工作面兩順槽距離開切眼不同位置處布置監測點，主要監測采空區內自燃指標氣體，如一氧化碳（CO）、氧氣（O2）、二氧化碳（CO2）、及氮氣（N2）等氣體的含量，束管監測系統各個測點布置位置見表1。

表1 8103工作面采空區束管測點布置位置

在束管監測系統的基礎上，同時補充人工監測，人工觀測時主要在工作面液壓支架間的采空區后部進行，具體人工觀測點布置測點見表2。人工測點主要測量CO2、CH4、O2、CO和溫度T，人工監測一天進行9次，每班進行三次，每次測試時間間隔控制在3h。

表2 采空區氣體人工監測測點布置位置

2.2 防滅火技術

根據8103工作面的具體特征，結合煤層的自燃等級及特點，確定工作面回采期間采用上下隅角端頭設封堵墻，采空區注氮及噴灑阻化劑相結合，具體采空區防滅火技術如下：

（1）上下隅角堆垛封堵墻

8103工作面回采期間，兩回采順槽端頭位置不進行放煤作業，會致使兩順槽位置處約有14m的頂煤會遺留在采空區內，結合采空區自燃“三帶”理論可知[1-2]，隨著工作面回采作業的進行，采空區內遺煤會逐漸氧化，致使氧化范圍變寬，采空區內的氧化帶距離工作面的距離也逐漸增大，導致采空區內存在著較大的自燃危險性。

基于上述分析，確定采用粉煤灰在工作面上下隅角端頭進行堆垛設置封堵墻，在兩回采順槽內每間隔15 m設置一道，封堵墻設置在煤幫到后溜位置處，封堵墻厚度為1.8 m。堆垛材料采用粉煤灰，構造時在每放置一層粉煤灰袋后，即進行一次粉煤灰固化材料的鋪灑，確保構筑的墻體嚴密不漏風，具體布置方式見圖1。

（2）采空區注氮

采空區注氮是工作面防滅火的一種有效手段，由于氮氣為惰性氣體，其注入工作面采空區內后，會降低采空區內氧氣的濃度，使得氧氣的濃度處于遺煤自然發火臨界濃度以下，以此有效防止采空區內遺煤出現自燃現象。基于眾多理論試驗分析與工程實踐結果可知[3-4]：當空氣中氧含量降到7%～10%時煤就不易被氧化。因此將采空區防火惰化指標定為10%以下是合理的，并將其指標作為設計依據，具體注氮防滅火原理見圖2。

圖1 工作面上下端頭封堵

圖2 注氮防滅火原理框架

①注氮量設計

為降低采空區內氧化的濃度，針對采空區進行注氮作業，注氮方案中主要包括注氮流量、注氮工藝及方法，具體方案如下：

根據《煤礦用氮氣防滅火技術規范》中關于注氮流量的計算方法可知，當注氮量將采空區氧化帶內的氧含量降低至氮氣含量以下時，即可認為達到了注氮要求[5-6]，具體注氮流量的表達式為：

式中：QN為注氮流量；k為備用系數，取值范圍1.2～1.5；Q0為采空區氧化帶內漏風量；CN為注入氮氣中的氮氣濃度；C1為采空區氧化帶內平均氧濃度，20%～10%；C2為采空區惰化防火指標。

根據8103工作面的特征，取Q0=20 mm3/min，C1=15%，C2=7%，CN=99%，K=1.3，將上述數據代入式（1）中計算得出QN=2080 Nm3/h，基于此初步將8103工作面防滅火注氮流量定為2080 Nm3/h。8103回采期間，根據相鄰開采的8105 等工作面氮氣防滅火經驗，結合8103采空區氣體成分變化情況，可隨時對注氮量進行調整。

②注氮工藝和方法

本次采空區注氮采用預埋三管的注氮工藝。工作面回采期間將注氮管路末端埋入采空區內，一趟注氮管路長度為40m，另一趟注氮管路長度為70m，注氮管路與煤幫平行布置，設置注氮管路步距定為50m，并根據實際情況進行調整；距停采線100m時，在回風順槽布置兩趟注氮管路，進“古塘”位置初步定為50m、90 m；運輸順槽注氮管路進“古塘”位置進行逐步調整，距停采線位置分別為25m、55m、85 m。8103綜放工作面回采期間采取開放式注氮；工作面封閉后采取封閉式注氮。

（3）阻化劑噴灑

工作面回采期間采用移動式噴灑系統，采用Φ19高壓液管從阻化泵接設到工作面支架和放煤孔處，由于最易發生自燃的部位是工作面采空區的上、中部，所以用噴頭在上、中部出口處噴灑，采用17.25%濃度的MgCl2溶液，在工作面220m的范圍內一共設置2組噴頭用于噴灑阻化劑，第一組位于1#～2#支架間，第二組位于36#支架處，每天檢修班期間噴灑一次，經過計算分析，確定每次噴灑量為1478.4kg，使阻化劑通過風流擴散，在裸露煤體表面形成一層保護層，隔絕煤體與空氣接觸，有效減少煤體氧化速度，降低古塘溫度，提高防滅火效果。

3 防滅火效果分析

現為分析8103工作面采空區的防滅火技術的應用效果，根據工作面回采期間束管監測系統的長期監測結果，現具體以工作面回采期間8#測點進風巷和回風巷CO和O2的濃度進行分析，濃度曲線見圖3。

圖3 工作面8#束管監測CO和O2含量曲線

通過分析圖3可知，工作面回采期間，采空區采取有效的防滅火措施后，抑制了采空區內遺煤的自燃氧化，隨著測點采空區內埋深的逐漸增大，采空區內部CO濃度出現先增大后減小的趨勢，進風巷束管CO的濃度最大值在進入采空區70m的位置處取得，最大值為21 ppm，回風巷束管CO濃度最大值在進入采空區55m的位置處取得，最大值為71 ppm，即工作面采空區內的CO濃度最大值小于80 ppm；根據氧氣濃度曲線可知，隨著進入采空區深度的增大，氧氣濃度逐漸減小，抑制了采空區遺煤的氧化，據此可知8103工作面防滅火技術應用效果顯著。

4 結語

根據3#～5#煤層自燃特性及8103工作面特征，確定采空區采用上下隅角端頭設封堵墻，采空區注氮及噴灑阻化劑相結合的防滅火技術，結合工作面具體情況，進行各項防滅火措施的具體設計，根據防滅火技術實施后的束管監測結果可知，工作面防滅火技術應用效果顯著。