均壓防滅火技術(shù)在黃白茨煤礦的實(shí)踐與應(yīng)用

徐中瑤

（國家能源集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司黃白茨煤礦，內(nèi)蒙古烏海016000）

煤礦火災(zāi)事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要礦井災(zāi)害之一，例如2013 年2 月28 日19 時43 分，河北省冀中能源張礦集團(tuán)懷來艾家溝礦業(yè)有限公司井下發(fā)生一起重大火災(zāi)事故，造成13 人死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1425.08萬元[1]。在所有煤礦火災(zāi)事故中內(nèi)因火災(zāi)高達(dá)90%左右，外因火災(zāi)占10%左右[2]。因此我們必須加大煤礦火災(zāi)事故的防控力度，力爭做到防患于未然。采空區(qū)自燃發(fā)火是煤礦內(nèi)因火災(zāi)的主要表現(xiàn)形式，造成采空區(qū)自燃發(fā)火主要原因是采空區(qū)內(nèi)遺留的大量的煤炭，這些遺留的煤炭有自燃發(fā)火傾向時在進(jìn)入采空區(qū)的氧氣與之發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，當(dāng)這些熱量有散不出去時就會使得遺留的煤炭升溫，當(dāng)溫度達(dá)到其燃點(diǎn)的時候就會發(fā)生自燃[3]。通常防治采空區(qū)自燃的方法有均壓防滅火法、采空區(qū)注漿法、采空區(qū)注氮法、采空區(qū)注液態(tài)CO2法等方法，其中均壓防滅火技術(shù)是一種比較常用的防滅火方法，該方法作為一種比較成熟的防滅火技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛地應(yīng)用。使用局部通風(fēng)機(jī)、風(fēng)窗和調(diào)壓氣室等調(diào)壓設(shè)備來改變漏風(fēng)區(qū)域的壓力分布，減小漏風(fēng)的壓差，并減少空氣泄漏，從而抑制了煤的自燃并惰化了火區(qū)和熄滅火源是均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)的實(shí)質(zhì)[4]。波蘭學(xué)者Han Bestron 于20 世紀(jì)1950年代提出了均壓防滅火的概念。在1960年代，一些煤炭開采技術(shù)發(fā)達(dá)的國家爭相采用了該技術(shù)進(jìn)行了現(xiàn)場的防滅火工作，并成功地應(yīng)用了很多次[5]。早在20 世紀(jì)80 年代，波蘭和我國合作，對大同礦區(qū)煤峪口礦大面積火區(qū)實(shí)施均壓通風(fēng)，取得成功，均壓通風(fēng)便在我國得到全面推廣應(yīng)用[6]。煤科院重慶分院對新疆六道灣煤礦淺埋藏放頂煤工作面實(shí)施均壓通風(fēng)防火，也取得了成功，并經(jīng)專家鑒定，成了煤科院的科研成果[7]。近幾年我國開采淺埋藏煤層的同煤集團(tuán)四臺礦、大斗溝礦、同忻煤礦，新疆的韋湖梁礦、寧煤集團(tuán)白芨溝礦和羊場灣礦、阜新孫家灣礦、汾西煤業(yè)的新陽礦、內(nèi)蒙的東辰礦[8]。該技術(shù)僅用于加速封閉火區(qū)火源的熄滅，后來用于抑制非封閉區(qū)域內(nèi)煤炭的自燃發(fā)火，且為工作面的安全高效地回采提供了重要的技術(shù)保障[9]。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

黃白茨煤礦隸屬于國家能源集團(tuán)烏海能源有限公司管轄，位于烏海市烏達(dá)區(qū)南部，南面與五虎山煤礦相鄰，西面和北面與蘇海圖煤礦以礦界保安煤柱接壤，東以烏達(dá)逆斷層為界。黃白茨煤礦的井田面積6.33km2，其中東西寬1.606km，南北長3.94km。黃白茨煤礦通風(fēng)方式為中央分列式，礦井進(jìn)風(fēng)井由主井、行人斜井、副井、10#風(fēng)井四個井筒組成，總回風(fēng)井為11#回風(fēng)井，機(jī)械抽出式是主要通風(fēng)機(jī)的工作方式。礦井核定生產(chǎn)能力為200×104t/a。該礦煤層均屬自燃煤層，自燃發(fā)火等級均為Ⅱ類，煤塵均有爆炸危險性。目前礦井10#煤層布置1 個綜采工作面、2 個掘進(jìn)工作面；12#煤層布置1個綜采工作面、1 個掘進(jìn)工作面。礦井采掘工作100%的實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。

1.2 工作面概況

021005 工作面位于922 采區(qū)南翼區(qū)域內(nèi)，距地表垂深約195～206m，西部為已回采完畢的021003 工作面，東部為021007 回風(fēng)巷，南部為五虎山井田邊界，北部為922 軌道下山等巷道。021005 工作面煤層厚度2.3m，煤層傾角3°～13°，平均傾角為7°，工作面切眼長度為216m，工作面走向長度為1150m。021005工作面采用走向長壁式采煤法，全部垮落法控制頂板，綜放采煤工藝。

2 問題的提出

2.1 問題的提出

2019 年10 月份以來黃白茨煤礦021005 工作面回采過程中出現(xiàn)了CO氣體，該工作面上隅角CO氣體濃度為16ppm 左右。經(jīng)過對工作面和地表的調(diào)查，對礦井的自然發(fā)火狀況分析如下：工作面采空區(qū)浮煤已經(jīng)開始低溫氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空區(qū)浮煤低溫氧化的原因如下：

（1）黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發(fā)火煤層，其最短發(fā)火期為40～50d，當(dāng)采空區(qū)浮煤長期氧化時，易產(chǎn)生CO氣體。

（2）工作面的采空區(qū)內(nèi)留有一定數(shù)量的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發(fā)火。

（3）礦井為近距離特厚煤層開采，采空區(qū)的上部有9#煤層采空區(qū)，兩層采空區(qū)層間距僅3.5m左右，在開采10#煤層的021005 工作面時，形成了地表→9#煤層90201 采空區(qū)→10#煤層021005 采空區(qū)→021005 工作面回風(fēng)流的漏風(fēng)。這個漏風(fēng)通道在021005工作面的強(qiáng)大負(fù)壓作用下長期漏風(fēng)，使采空區(qū)浮煤易自然發(fā)火。

3 均壓防滅火技術(shù)的實(shí)踐與應(yīng)用

3.1 均壓防滅火技術(shù)的工作原理

使用風(fēng)窗、風(fēng)機(jī)和調(diào)壓氣室等調(diào)壓設(shè)備和裝置來改變漏風(fēng)區(qū)域的壓力分布來達(dá)到防滅火的目的是均壓防滅火的工作原理，這樣可以抑制遺留在采空區(qū)的煤炭的自燃，其目的是撲滅火源[4]。

特點(diǎn)：進(jìn)風(fēng)順槽一側(cè)的風(fēng)流壓力增加，回風(fēng)順槽一側(cè)通風(fēng)阻力增加和風(fēng)量減小；本質(zhì)是：減少風(fēng)量，增加阻力，改變調(diào)壓風(fēng)路上的壓力分布，達(dá)到調(diào)壓的目的[10]。

3.2 均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用

021005 工作面采用“U”形通風(fēng)方式，均壓通風(fēng)設(shè)計采用調(diào)壓局部通風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)風(fēng)窗的組合均壓方式。即將風(fēng)門安裝在021005 工作面的膠運(yùn)順槽中，并將調(diào)壓局部通風(fēng)機(jī)的風(fēng)筒放置在風(fēng)門的外部。調(diào)壓局部通風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的增壓效果改變了采空區(qū)中的壓力分布，減少了漏氣，并與注氮技術(shù)配合使用，達(dá)到了抑制遺留在采空區(qū)的煤炭自燃的目的。

3.2.1 風(fēng)門位置

在021005 工作面的進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)口處設(shè)置2 道風(fēng)門，用1 臺2×45kW 局扇和1 臺2×30kW 局扇通風(fēng)，?800mm 兩趟風(fēng)筒穿過均壓風(fēng)門接到離工作面約200m 處，在回順出口處設(shè)置2 道調(diào)節(jié)風(fēng)門，風(fēng)門上設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)窗。在進(jìn)風(fēng)順槽均壓風(fēng)門和回風(fēng)順槽均壓風(fēng)門上分別設(shè)置水柱計和傳感器。

將工作面壓力增加約25mm 水柱，工作面回風(fēng)順槽的風(fēng)流量約為1000m3/min。必須減少從地面到工作面采空區(qū)的空氣泄漏，并減少均壓局部通風(fēng)機(jī)向采空區(qū)的氣流。在進(jìn)行均壓通風(fēng)防滅火的過程中，必須保持工作面均壓通風(fēng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。均壓通風(fēng)各風(fēng)門、風(fēng)機(jī)設(shè)置位置如圖1所示。

圖1 021005工作面均壓通風(fēng)防滅火布置圖

3.2.2 工作面風(fēng)量計算

（1）按瓦斯涌出量計算（根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》采煤工作面回風(fēng)流中瓦斯或二氧化碳濃度不超過1.0%的要求計算）：

式中：Q采——回采工作面實(shí)際配要的風(fēng)量，m3/min；

100——按采煤工作面回風(fēng)流中瓦斯的濃度不應(yīng)超過1%的換算系數(shù)，黃白茨煤礦瓦斯?jié)舛劝?.8%進(jìn)行管理，換算系數(shù)為125；

q瓦采——回采工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中平均絕對CH4涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量鑒定報告9#煤層綜采工作面絕對CH4涌出量為0.56m3/min，則q瓦采=0.56m3/min；

K采通——回采工作面瓦斯涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，取1.4。

（2）按二氧化碳涌出量計算：

式中：Q采——回采工作面實(shí)際配要的風(fēng)量，m3/min；

67——按采煤工作面回風(fēng)流中CO2的濃度不應(yīng)超過1.5%的換算系數(shù)；

q二氧——回采工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中平均絕對CO2涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量鑒定報告9#煤層綜采工作面絕對CO2涌出量為2.57m3/min，則q二氧=2.57m3/min；

K采通——回采工作面CO2涌出不均勻的備用風(fēng)量系數(shù)，取1.2。

（3）按工作面人員數(shù)量計算：

式中：N——回采工作面交接班的最多人數(shù)，50人；

4——每人需風(fēng)量，4m3/min。

（4）按氣象條件計算：

式中：Qcf——回采工作面實(shí)際配要風(fēng)量，m3/min；

Vcf——回采工作面的風(fēng)速，取1.0m/s；

Scf——回采工作面平均有效斷面積，18.14m2；

Kch——回采工作面采高調(diào)整系數(shù)，1.2；

Kcl——回采工作面長度調(diào)整系數(shù)，1.2；

70%——有效通風(fēng)斷面系數(shù)；

60——單位換算產(chǎn)生的系數(shù)。

則：Qcf=60×70%×1.0×18.14×1.2×1.2=1047（m3/min）

（5）風(fēng)速驗(yàn)算：依照《煤礦安全規(guī)程》第136 條規(guī)定，90204 綜采工作面在采取采煤機(jī)噴霧降塵等綜合防塵措施后的最低風(fēng)速為0.25m/s，最高風(fēng)速不得高于5m/s，通過上面三種方法計算后，取最大值進(jìn)行驗(yàn)算。

驗(yàn)算最小風(fēng)量：

驗(yàn)算最大風(fēng)量：

式中：Scb——采煤工作面最大控頂有效斷面積，m2；

lcb——采煤工作面最大控頂距，5.76m；

hcf——采煤工作面實(shí)際采高，3.2m;

Scs——采煤工作面最小控頂有效斷面積，m2；

lcs——采煤工作面最小控頂距，5.06m；

0.25 ——采煤工作面允許的最小風(fēng)速，0.25m/s;

5.0 ——采煤工作面允許最大風(fēng)速，5.0m/s;

70%——有效通風(fēng)斷面系數(shù)。

通過驗(yàn)算，90204 采煤工作面實(shí)際需風(fēng)量1047m3/min，滿足工作面風(fēng)速要求。

（6）配風(fēng)量的確定：經(jīng)以上計算，90204綜采工作面配風(fēng)量取1047m3/min。

3.3.2 調(diào)節(jié)風(fēng)窗的阻力計算

當(dāng)S窗/S≤0.5時，調(diào)節(jié)風(fēng)窗面積的計算公式為：

式中：S窗——調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積，m2；

S——巷道的凈斷面積，m2，15m2；

Q——通過風(fēng)窗的風(fēng)量，m3/s，8.33 m3/s；

H——調(diào)節(jié)風(fēng)窗阻力，Pa。

當(dāng)調(diào)節(jié)風(fēng)窗的面積為1.2m2時，調(diào)節(jié)風(fēng)窗的阻力為60Pa，因此調(diào)節(jié)風(fēng)窗阻力最小值為60Pa。

3.2.4 局部通風(fēng)機(jī)

當(dāng)前礦井通風(fēng)的負(fù)壓為1860Pa，工作面入口側(cè)的負(fù)壓約為620Pa。當(dāng)工作面的風(fēng)量為約1000m3/min時，工作面區(qū)域的通風(fēng)阻力為約70Pa。確定局部通風(fēng)機(jī)的性能參數(shù)如下：風(fēng)量為850～1750m3/min，兩臺局部通風(fēng)機(jī)其中一臺為2×45kW 另一臺為2×30kW 的風(fēng)機(jī)一備一用。根據(jù)風(fēng)量要求，選擇風(fēng)機(jī)型號為FBD系列局部通風(fēng)機(jī)，風(fēng)量為810～1740m3/min，風(fēng)筒直徑為Φ800mm的阻燃風(fēng)筒。

3.2.5 均壓時應(yīng)注意事項(xiàng)

（1）必須保證兩個均壓風(fēng)門之間能夠自動聯(lián)鎖。

（2）加強(qiáng)堵漏巷道排水溝和風(fēng)道孔的工作。

（3）在進(jìn)入井之前，下放物料車時工作人員必須及時與礦調(diào)度室和運(yùn)輸主管部門溝通，嚴(yán)格按章作業(yè)。

（4）均壓風(fēng)門前后5m 內(nèi)的巷道得到良好支撐，沒有碎屑、淤泥和水。

（5）均壓風(fēng)門的建造完成后，監(jiān)控中心負(fù)責(zé)安裝風(fēng)門打開和停止傳感器。

（6）在井下運(yùn)輸笨重的物料時，運(yùn)輸物料的工作人員必須互相照顧，并且靠巷道兩側(cè)堆放的物料必須整齊，且不影響運(yùn)輸、行人和通風(fēng)。

（7）當(dāng)采用均壓通風(fēng)方式時，必須在運(yùn)輸和回風(fēng)通道的均壓通風(fēng)風(fēng)門上增加一個“U”型差壓計，并由專人負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)風(fēng)門并注意觀測“U”型差壓計數(shù)據(jù)，隨時測量工作面的風(fēng)量，將風(fēng)量控制在約1000m3/min，并進(jìn)行記錄。

（8）在工作面回風(fēng)順槽設(shè)置CO 氣體傳感器，通過礦井監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測工作面CO氣體濃度。

（9）瓦斯檢查員常規(guī)檢查，每班均檢查工作面上隅角、回風(fēng)流和支架上部CO氣體濃度和溫度。

4 均壓防滅火效果分析

黃白茨煤礦021005 綜采工作面的上隅角出現(xiàn)CO氣體后，該礦的領(lǐng)導(dǎo)們高度重視，并成立了以礦長為組長，總工程師為副組長的防滅火領(lǐng)導(dǎo)小組，并開始嘗試運(yùn)用均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)來進(jìn)行防滅火治理工作，收到了良好的治理效果。2019 年11 月2 日運(yùn)用均壓通風(fēng)防滅火后工作面進(jìn)風(fēng)順槽的風(fēng)量為1035～1079m3/min，回風(fēng)順槽風(fēng)量為1062～1084m3/min，有效地抑制了采空區(qū)CO 向上隅角和回風(fēng)順槽涌出，工作面上隅角CO 氣體濃度從22ppm 左右降到0ppm，確保了021005綜采工作面安全、高效地生產(chǎn)。