煤礦綜采工作面綜合防滅火技術的應用研究

＊肖劍 張露

（1.棗莊礦業（集團）有限責任公司濱湖煤礦 山東 277500 2.棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦 山東 277500）

伴隨著我國綜合實力的持續增強，煤炭開采已經成為了國家進步和發展的主要基石，并且得到了國家和社會各方面的日益重視。然而，根據我國煤炭企業的總體發展狀況，由于火災引發的程度不一的安全事故時有發生，這不但給施工人員的生命財產帶來了巨大的威脅，還對煤炭企業的自身發展產生了一定的影響。煤礦的五大災難中，自燃火災是其中的一種，如果這種情況出現，將有可能使得礦山的煤炭資源及生產設施受損，進而導致工作區域及整個礦山的停止運營，同時也可能觸發如瓦斯和煤塵的爆炸等嚴重的安全問題，這將對社會的穩定及企業的健康發展帶來巨大的威脅。為此，應積極進行綜采工作面綜合防火技術的應用研究，以降低煤礦安全事故的發生幾率。

1.煤自燃的原理及危害

根據有關的調查和研究，煤炭的自燃屬性是導致煤礦發生火災的首要因素。煤的自燃現象是由于其在被粉碎后，由于持續的氧氣供應，其產生的熱量超過了消耗的熱量。這使得粉碎后煤層積累的熱量達到了其燃燒的最高點，從而引發了煤的自燃。在圖1中給出了煤炭自燃的具體條件。

圖1 煤發生自燃現象的條件

2.綜采工作面防滅火技術的種類

（1）液態CO2防滅火技術。在綜采面上，液態CO2通常不會與煤炭等其他物質發生反應。通過將液體CO2注入到綜采工作面，使其吸附于煤層表面，滲透到工作面的裂縫中，大大降低了與煤層表面接觸的氧氣。液體CO2能將空氣中的氧氣排出，實現降低氧氣濃度的目的。此外，CO2的液態也具備吸取部分熱量的功能，這樣可以降低煤層的溫度和氧化速度，進而有效地管理煤層的氧化自燃，從而降低火災的風險。

液態CO2防滅火系統分為兩大類，一是生產系統，二是附屬系統。生產系統由二氧化碳儲存槽及防爆橡膠管道組成，附屬系統有自動升壓裝置、自熱式氣化爐及防爆氣凝膠管道組成。在火災區用液態CO2進行滅火時，需要做如下幾個步驟：①首先用液體二氧化碳清洗輸送管線，保證管線中沒有殘留氧氣。②斷開綜采工作面一切電氣設備，撤離現場。③采用液體二氧化碳滅火系統時，必須對采掘面上的瓦斯含量及組分進行實時監控，以了解采掘面上的煤層自燃狀況。

（2）注液氮防滅火技術。N2屬于一種無助燃效果的無毒氣體，其有效地分隔了易燃物質和氧，并有效地遏止燃燒現象。因此，使用液態氮進行滅火處理，其依據就是N2在正常環境下，無法與煤炭產生化學反應。通過液態氮在氣化階段吸取周邊環境大部分熱量，這樣就有效地降低了采空區內的氧氣濃度，進一步實現了對整個開采過程中煤炭自身燃燒的控制。在真實的操作過程中，首要考慮的是預防性的開放式注氮方法。如果工作區域的CO濃度不斷增加并且溫度有所提升，這可能是煤炭自燃的跡象，那么就應該采取封閉式注氮的方法來進行滅火。

在初采初放期間、綜采期間和收尾期間，要及時地調整注氮的方式和方法，科學地運用注氮技術，注液氮的安全防范措施如下幾點：

①利用氣體濃度與成本監測系統，對整個采礦過程中的N2、O2、CO等氣體的含量進行實時跟蹤。如果發現高溫或者有毒有害氣體的含量超標，應立即增加液態氮的供給。②如果增加了液氮的注入量，但毒氣的數量并沒有降低，那么就應該立即撤離操作員，并對其進行狀況分析，找出潛在的故障隱患。③在第一次注入液氮或在停止注入氮氣后，再次進行注入液氮的作業，首先要用液氮來清洗管路，避免被注入的部位存在空氣。

（3）均壓通風防滅火技術。所謂的均壓通風防滅火技術，就是運用如風窗、風機、連接管道、調壓空間等各種通風調控工具，來改變泄露空間的壓力分布，并且能夠有效地抑制泄露空間的壓差，從而達到阻止煤炭自燃、消除靜態火源、消除火源的效果，確保礦山的順利運作。此外，這種技術還能被進一步劃分為如風窗和風機聯合均壓法、正壓通風法等。

①風窗與風機聯合均壓法。這種均壓式的通風方法有兩種：A.當采空區后方有漏風時，在綜采工作面的進風巷中，安裝與之相匹配的移動風門，并在回風巷中，安裝與之相匹配的調整風窗，將工作框架拆下，并在該位置放置木垛。拆除支架時，需加強進風側的防滅火。B.在進風巷中，局部通風設備設置在離回風巷較近的地方。當回風巷中安裝了調風孔后，運輸巷必須進行封閉。②邊眼暢通均壓法。為了便于采煤過程中的煤炭運輸，大部分礦井都會在綜采工作面上設置邊眼。開采結束后，拆除邊孔內的控氣裝置，對采場進行封閉，降低運輸巷和運料巷口的壓差，防止漏風造成的煤層氧化，降低煤層的自燃能力。③預埋管路導風均壓防火法。進風巷、停采線和回風巷的交界點安裝一條開放式的消防通道，同時，在通道的連接點建立一堵嚴密的防火隔離墻。在煤炭的裂縫里，泄露的空氣會被引導到消防管道，從而減少了采礦區域周圍的大氣壓。

3.煤礦綜采工作面綜合防滅火技術的實際應用

(1)工作面概況

礦井南側的某煤礦綜采工作面，其右側有三個主要的巷道：材料巷、皮帶巷及回風巷。寺塔礦位于采場的南部和西部，與同煤集團毗鄰；2-104采場位于北部，1采場巷道位于東部。經過區內批準的可開采煤系為山西組2#煤，其存在狀況相對穩定，2#煤系的自燃傾向為II級，屬于自燃煤層類型。雖然平均傾斜角度為2°，平均厚度可達5.2m，但是某些煤層的厚度并不一致，其中包含0～2層的夾矸，這些夾矸的厚度大約是0.1m。該煤礦是一個高瓦斯的礦井，自2015年5月12日起，它的綜合采掘區域已經進行了抽取，據估算，在整個采掘過程中，其絕對的瓦斯排放量大概在5.094m3/t左右。

(2)工作面綜合防滅火技術

①埋管注氮技術。針對綜采工作面煤層自燃和采礦技術特征，采用了埋管注氮技術。其施工方法是：沿著采空區，在工作面進風側埋置2條氮氣輸送管線，分別為1#、2#管線，并與進風巷中的主要氮氣輸送管線對接；由于采空區的氧化區域為20～60m，所以在管線埋進老塘30m時，就可以進行氮氣注入，在氮氣注入管口埋進老塘60m時，就可以停止注入，切斷氮氣注入管，然后從30m處再次打開氮氣注入，這樣就可以一直進行下去，直到工作面停采。按照礦通風區防火設計，在氮氣注入過程中，每小時至少要注入500Nm3。

②阻化劑防滅火系統。設備列車內部安裝了這個系統的關鍵部分，并與工作區域的噴水泵站建立了連接，隨后進行了移動。工作面采用“四六”系統，每天進行兩次采集，每次進行四個輪次，噴灑任務由固定的檢查班次完成。當工作面向前推進50m時，向采空區噴灑一次，然后在300m的間隔內再次噴灑，噴灑量不能少于2t，如此循環。

A.噴灑壓注工藝及設備。采用電動噴灑壓注系統，每個采礦作業區都需要一套噴灑泵。下面是詳細的操作流程：首先，將50mm的輸送膠管連接到噴射泵，接著啟動電機，利用噴射泵進行壓注。然后，將溶液通過75mm的鐵管和50mm的輸送膠管傳送至作業區，并執行噴灑任務。大部分噴灑區域位于采礦作業面的上、下端口及底板（頂）易燃煤的區域。

B.阻化劑材料選擇。根據阻化劑的選擇標準，選擇了具有優秀阻化性能且易于保存和運輸的工業氯化鈣。阻化劑溶液質量分數為15%～20%。根據2-105工作面煤層的自然發火特點，采用濃度為1.05t/m3的阻化劑溶液進行了試驗研究。

③通風防滅火技術。工作面的推進率應保持恒定，每月推進率不得低于90m，并應合理分布，風量應保持在913m3/min。在該綜采工作面前后兩端設置“L”形風墻，可使采空區氣流分布發生變化，降低氣體向采空區的滲透率，使采空區的第三階段著火區域減小，從而減少工作面內的撲救難度。

④氣體束管監測。在考慮到礦區通風設施的防火需求后，束管監控系統能夠連續24h地進行觀察，采用KSS-200型多參數氣相色譜監測系統，完整、精確、即時地跟蹤和掌握工作場所和采空區的氣體濃度的變動。

A.束管監測系統選型及主要指標氣體種類。這個系統通過使用束管進行取樣，并配備了地面上的抽氣泵、各類分析設備和微型計算機等，對礦井巷道、采空區和封閉區域中的CO、O2、C4H10、SF6、H2、N2、CO2、CH4、C2H2等多種氣體成分的含量進行了連續的測量。同時，還運用GC技術對煤層自燃上升階段的各類氣體成分進行了分析。本系統以CO、C2H4為主要指示性氣體，在這些指示性氣體接近臨界值時，應立即向采空區或易發生自燃的部位注入漿液或膠凝。

B.束管采樣系統的布置。在輔助坑道附近設地表束流監控中心，以回采工作面采空區和封閉式采空區為主要監控點。將30根主要的管線放置于地面的監測系統中，然后穿過副平巷，直達2#煤層201盤區，同時還會在盤區周圍布置井底的分流器。

a.工作面封閉前測點布置。在工作場所的入口、出口及排水溝道內，根據特定的距離，各自安裝3個束管采集器和4個束管采集器，以便對采空區域進行檢查。在150m的范圍內，每40m就安排1個檢查站，并且要同時監控上下排水溝道。工作面的測點分布見圖2。

圖2 工作面封閉前測點布置

b.工作面封閉后測點布置。一旦工作區域被完全封鎖，需要在入口和出口的密封環境中各設立一個檢測點，同時將束管和封閉的觀察孔管道連接起來。此外，在與火源區域相連的封閉墻壁上，也需要設立適當的檢測點，以便于對其進行監控。工作面的測點分布見圖3。

圖3 工作面封閉后測點布置

c.人工檢測和取樣分析。在日常工作中，按現場條件選取測點，特別注意CO、C2H4、O2的溫度，每個班次都會進行兩次檢測。一旦CO的含量或者溫度發生變化，就需要立即提高每個班次的監控頻率。

4.結語

綜上所述，在綜合煤炭開采的過程中，由于采空區的間距較大，頂板的滑落高度也相當高，因此容易在這個區域形成大量的松散煤塊。本文主要討論的是2#煤層在某煤礦的綜合開采中容易產生的自燃問題，對其實施綜合防滅火技術。通過埋管注氮、電動噴灑阻化劑等技術，同時利用氣體束管進行持續的觀察和控制，使煤層的自燃幾率大大降低。在進行工作面的回收過程中，回風流量監測區CO含量始終維持在（0～1.8）×10-6之間，且無C2H4含量，有效降低了煤層自燃風險，保障了煤礦安全生產。