徐莊煤礦7311工作面綜合防滅火技術應用

李廣軍

（上海大屯能源股份有限公司，江蘇 徐州 221000）

礦井火災作為礦井主要災害，一旦發生，將造成嚴重的人員傷亡和巨大的財產損失。在礦井火災防治過程中要結合礦井地質條件，采煤工藝以及其他災害疊加的機理和規律，采用合理的防滅火方法[1-3]，才能使礦井火災得到有效的治理，確保煤礦的安全生產。

1 工作面概況

上海大屯能源股份有限公司徐莊煤礦核定生產能力1.8 Mt/a。礦井通風方式為混合式，主、副井進風，南風井、西風井回風，通風方法為抽出式通風；瓦斯鑒定等級為低瓦斯礦井，7#煤層自燃傾向性為Ⅱ類，最短自然發火期為 57 d；煤塵具有爆炸危險性。7311工作面為綜采放頂煤工作面，走向長度1265 m，傾向長度74～230 m，平均煤層傾角27.2°，平均采高4.8 m。

2 工作面火情概述

7311工作面存在三條主要斷層橫穿該工作面，斷層落差均大于3 m、小于10 m。該工作面不規則布置，即回采至中段會出現大、小面對接的情況。同時，回采期間，通過7215廢放水巷與上部老空區多條巷道聯通，存在許多漏風通道。

由于推進速度緩慢，造成了采空區遺煤氧化速度增加、煤溫上升，導致了采空區深部遺煤氧化產生的CO氣體運移、外溢至回風隅角處，實測下隅角切頂線處CO氣體濃度（1.2～1.4）×10-4。

3 工作面自燃危險區域判定

3.1 半導體測溫與束管取樣分析

工作面共布置5個測點，平均間隔約50 m。每個測點埋設一用一備2個溫度傳感器和2根束管。溫度傳感器采用AD590集成半導體溫度傳感器；束管為內徑6～8 mm的聚氯乙烯塑料管。每日早班采集一次溫度和氣樣，并記錄推進速度。

圖1 測溫取樣測點布置示意圖

3.2 采空區“三帶”分布分析

3.2.1 用自燃氧化溫升速率K劃分“三帶”

溫升速率K是指每一天溫度上升值℃/d，通常認為K≥1 ℃/d就進入自燃帶。據此，劃分“三帶”見表1。

表1 依溫升速率K劃分采空區“三帶”分布表

3.2.2 用氧氣濃度大小劃分“三帶”

利用氧氣濃度劃分采空區自燃“三帶”，采用的劃分依據一般為：散熱帶的氧氣濃度＞19%，自燃帶的氧氣濃度在8%～19%之間，窒息帶的氧氣濃度＜8%。據此，劃分“三帶”見表2。

表2 依氧氣濃度大小劃分采空區“三帶”分布表

3.2.3 基于CFD模型的自燃危險區域模擬

CFD模型是采用商業化計算流體力學軟件Fluent來模擬采空區氣體的移動規律。根據7311工作面的物理特征建立CFD模型，采空區氧氣濃度分布如圖2，反映了采空區高氧區域呈典型的“U”型分布。由此可知，煤自然發火的威脅通常大多來自于上、下兩道處遺煤，此應是防滅火工作的重點區域。

圖2 采空區氧氣濃度分布云圖

4 綜合防滅火技術應用

4.1 均壓防滅火技術

均壓防滅火技術的一個特點就是控制采空區漏風通道進、回風側兩端的風壓差，以控制漏風、控制風流交換、控制有害氣體的涌出。

4.1.1 均壓防滅火技術方案

全井共布置相關壓能測點55個，通過壓能測定與現狀分析，確定方案：撤除7311溜子道出口47～48點之間的調節風門，于7311材料道出口（43～44點之間）構筑2道均壓調節風門，分別構筑在Ⅱ⑴采區通風上山一甩道、Ⅱ⑴采區軌道上山一甩道的兩處巷道內。

4.1.2 均壓防滅火效果分析

7311工作面實施均壓通風以后，上隅角與7215廢舊放水巷墻外之間的壓能差由861.03 Pa減小到482.47 Pa；上、下隅角之間的壓能差由44.79 Pa減小到11.25 Pa＜20 Pa，減少了往采空區、老空區的漏風量，達到了窒息惰化或抑制遺煤自然發火的良好效果。7311工作面均壓前后壓能變化圖如圖3。

圖3 7311工作面通風系統壓能圖

4.2 CO2防滅火技術

4.2.1 CO2防滅火原理簡述

采空區氧化自燃帶被CO2惰化時，注入該自燃帶的CO2由于其密度大于O2和N2，便占據自燃帶上方空間的下部，形成了CO2惰化帶，破壞了遺煤的氧化燃燒反應所需的供氧條件，使煤的氧化燃燒反應得以迅速停止。

4.2.2 CO2注氣量計算

7311工作面采用開放式注入方式，實施“邊采、邊注、邊防治采空區發火”的方法。據此，防滅火用CO2體積注入量，其計算過程如下：

（1）氧化自燃帶氣體置換總量為：

V=L1×L2×L3×K1×K2

式中：V為氧化自燃帶需要由CO2置換的體積總量，m3；L1為氧化自燃帶走向寬度，83.1 m；L2為工作面傾斜長度，230 m；L3為工作面采高（采高加放頂煤高度），4.8 m；K1為氧化自燃帶氣體置換系數，取2.5；K2為由頂板巖石冒落松散引起的采空區空間體積縮小系數，取0.85。

相應的，所需的液態CO2質量（設CO2由液態換算成氣態的膨脹率為500 m3/t）為：m=V/500=390 t。

（2）氧化自燃帶氣體置換時間為：

式中：t為置換時間，h；V為由惰氣置換的體積總量，m3；QDm為初始注入量即裝備提供的最大注入量，礦備有2000 m3/h型CO2氣化裝備一臺。

（3）日常注入量為：

式中：QD為日常惰氣注入量，m3/h；Q漏為采空區氧化自燃帶漏風量，16 m3/min；C1為采空區氧化自燃帶內原始平均O2濃度，一般取15%；C2為氧化自燃帶惰化防火所需的O2濃度指標，一般取10%；CD為惰氣純度，CO2純度取99%以上；K為CO2注入量備用系數，取1.2～1.5。

4.2.3 CO2防滅火效果分析

煤對CO2的吸附能力，是N2的6倍，進而使煤被CO2包裹，并隔離O2，阻止采空區遺煤的氧化反應，防滅火效果更為顯著。N2和CO2兩種惰氣的性質及其阻燃、阻爆性能對比分析數據見表3。

表3 N2和CO2性質及其阻燃、阻爆性能對比表

圖4 7311工作面壓注二氧化碳示意圖

4.3 凝膠泡沫防滅火技術

4.3.1 凝膠泡沫防滅火材料特性及技術參數

灌注凝膠泡沫防滅火材料具有含水率高、保水降溫性好、凝結黏附性強、封堵隔氧效果優、易于擴散等性能，同時含有多種離子和分子，能夠于煤體表面可提供電子的活性結構發生化學吸附而形成絡合物，從而使煤表面活性結構失去活性。普瑞特Ⅰ型凝膠泡沫防滅火材料技術參數見表4。

表4 普瑞特Ⅰ型凝膠泡沫技術參數表

4.3.2 凝膠泡沫防滅火技術方案

根據氣體檢測結果確定7311工作面下部切眼處80 m長度范圍的架后深部遺煤區為重點治理區域。技術方案：工作面措施性停采后，通過架間布置高位配合鉆孔通過注氮管路向重點滅火區域灌注凝膠泡沫防滅火材料。

高位配合鉆孔布置設計：在工作面下部50架液壓支架長度80 m范圍內，每隔3臺支架在架間布置一組鉆孔，每組鉆孔由3個配合鉆孔組成，開孔位置一般控制架間前后立柱中間位置，終孔位置分別控制到架后15 m、20 m、30 m位置，煤層頂板之上2～3 m的高度范圍。

圖5 工作面架間鉆孔布置示意圖

4.3.3 凝膠泡沫防滅火效果分析

凝膠泡沫中的氣體采用氮氣，注入在采空區的氮氣被封裝在泡沫之中，當泡沫破滅后，氮氣充斥在采空區中，降低了采空區的氧氣濃度。因此，持續的注凝膠泡沫，能有效地將采空區氧氣濃度控制在5%以下，長時間地保持采空區的惰化狀態，使煤的自燃因缺氧而窒息，從而抑制煤體的自燃。普瑞特Ⅰ制備工藝流程如圖6。

圖6 普瑞特Ⅰ制備工藝流程圖

5 結論

在7311工作面開采過程中，通過劃分工作面采空區自燃“三帶”，采用均壓防滅火、CO2防滅火、凝膠泡沫防滅火等綜合防滅火技術，使采空區遺煤自燃得到快速治理，確保了工作面的安全回采。