采空區均壓防滅火技術在滕東煤礦的應用

李兆生 彭宗芹 許振宏

（1.國家礦山安全監察局山東局，山東 濟南 250031；2.棗莊礦業（集團）有限責任公司，山東 棗莊 277000）

滕東煤礦礦井通風方式為中央并列式，主井兼作回風井，采用抽出式通風，為沖擊地壓礦井，礦壓顯現明顯。目前采空區有密閉漏風現象，在不采取任何治理手段的條件下，采空區內氧氣濃度急速升高，可能產生自燃隱患，迫切需研究有效的采空區遺煤自燃防治技術手段，從根本上改善采空區環境。

采空區遺煤自燃防治措施[1-3]，目前主要有提高放頂煤回收率，增加漏風通道風阻，調節風壓；加強采空區頂板垮落管理，注水，注漿，注氮，上下隅角封堵等。采空區漏風[4-5]是引發遺煤自燃的重要原因，是煤礦生產必須解決的一個重要安全問題。采空區漏風是由于采空區內外氣壓不平衡所導致[6-8]。因此，開展采空區均壓防滅火技術研究，充分利用氣壓調整采空區內外壓差[9-11]，可以從根本上減少采空區的漏風量，減緩煤的氧化過程，降低采空區遺煤自燃的可能性。

1 均壓通風防滅火機理

根據眾多研究，造成采空區漏風的必要條件有2 個[12]：一是存在漏風通道，二是漏風通道兩端存在壓差。采用磚墻密封的采空區，通常密封效果較差，造成采空區與外部巷道存在漏風通道[13-14]。對于抽出式通風礦井，風機進風側至地表處于負壓區，相對壓力為負，即兩端存在壓差，采空區轉變為外部漏風點，外部空氣通過采空區漏風通道不受控狀態直接進入采空區內部。對于壓入式通風礦井，風機出風側至回風井口風路處于正壓區，相對壓力為正，同樣形成了兩端壓差，此時具有貫通通道的采空區將產生外部漏風點，風機送入井下的風流可能在未進入作業面前通過采空區直接排出地表[15-17]。正負壓漏風示意如圖1。

圖1 風路漏風示意圖（單位：Pa）

2 礦井概況

滕東煤礦位于滕州市鮑溝鎮境內，為沖擊地壓礦井，設主井、副井兩個井筒，主井深936.2 m，副井深950 m，井底車場標高-865 m，為魯南第一深井。礦井通風方式為中央并列式，主井兼作回風井，采用抽出式通風。礦井恒溫帶深度37.8 m，溫度為15.57 ℃，全井田平均地溫梯度為2.72 ℃/100 m，地溫隨深度增加而升高。該礦井設計能力45 萬t/a，核定生產能力45 萬t/a，服務年限59.5 a。2021年9 月停產重組。

滕東煤礦停產重組時，一采區及三采區開拓巷道已大范圍封閉（圖2）。

圖2 滕東煤礦三采區通風路線圖

未采工作面為3下115 面，該工作面2021 年7月31 日停采后于2021 年8 月29 日封閉。與3下115 采空區相鄰的有3下113 采空區，以上兩處采空區周邊密閉有4 處，分別為3下113 運聯密閉、3下115 運聯密閉、3下117 回風通道密閉及3下113 軌道巷密閉。

3 均壓防滅火方案設計

依據均壓防滅火原理，根據滕東煤礦的實際情況，從均壓氣室連接設計、均壓氣室設計兩個方面設計均壓防滅火方案。

3.1 氣室連接設計

如圖3 所示，4 個均壓氣室建設地點位于3下113 運聯密閉、3下115 運聯密閉、3下117 回風通道密閉及3下113 軌道巷密閉外側0.5～1.0 m 處。

圖3 氣室連接示意圖

均壓氣室施工期間在墻體預留連接管路（管路外徑89 mm），管壁四周與墻體間用混凝土填實不得漏風。以上均壓氣室施工完畢后用外徑89 mm 無縫鋼管沿北翼軌道大巷、北翼回風大巷經5#通道、6#通道雙回路與以上均壓氣室預留連接管相連，使4 處均壓氣室內空氣通過連接管相互連通達到氣壓均衡，避免采空區漏風引起自然發火的目的。

3.2 均壓氣室設計

建設均壓氣室前必須將原密閉墻體上開裂漿皮、噴涂附著物清理干凈，對原密閉墻重新用混凝土噴漿處理，確保密閉墻嚴密不漏風。

如圖4 所示，將原密閉墻“三孔”（即：措施孔、觀察孔、反水孔）用無縫鋼管連接后引到均壓氣室墻體外。以上“三孔”孔口分別用封堵蓋、“U”型壓差計及閥門連接，便于監測密閉內氣體、壓力情況。孔口連接處密封圈齊全、螺絲緊固，封堵嚴密不得漏風。

圖4 密閉墻處理正視圖

如圖5 所示，均壓氣室墻體用紅磚砌筑，墻體厚度500 mm，砌筑前將墻體四周破碎的浮煤、矸石清理干凈，掏槽至實頂、實幫和堅硬底板。磚縫用混凝土砂漿填滿（混凝土水泥、砂比例不低于1:3）。均壓氣室施工必須保證墻體平整，砌筑完畢后用同比例混凝土對墻體噴漿加固。

圖5 密閉墻處理側視圖

4 應用效果分析

在均壓防滅火方案應用前后分別對滕東煤礦井下3下113 運聯密閉、3下115 運聯密閉、3下117 回風通道密閉及3下113 軌道巷密閉內各氣體進行取樣檢測并記錄數據，將前后數據進行對比分析，驗證方案的有效性。

4.1 現場實測

為對比方案施工前后氣體的變化和密閉內外壓力的變化，分別在均壓防滅火實施前的2023 年3 月16 日和3 月23 日井下作業前，攜帶便攜式氣體檢測儀以及精密氣壓計對各測點進行逐點測定，監測對象包括一氧化碳、甲烷、氧氣以及測點壓力，并計算得到測點間的壓差關系。測定數據見表1 和表2。

表1 3 月16 日井下氣體分析表

表2 3 月23 日井下氣體分析表

在2023 年7 月22 日和7 月31 日井下采空區密閉實施均壓調節后，繼續利用便攜式氣體檢測儀以及精密氣壓計對各測點進行逐點測定，測定數據記錄見表3 和表4。

表3 7 月22 日井下氣體分析表

表4 7 月31 日井下氣體分析表

4.2 數據分析

從表3 和表4 可以看出，在均壓防滅火技術運用之前3下113 軌道巷閉內和3下117 回風通道閉內的CO 濃度一直維持在1.0×10-5～1.6×10-5，均壓防滅火技術運用之后，CO 含量降為0×10-6；均壓防滅火技術運用之前3下117 回風通道內的CO2濃度維持在3.23%～3.33%，3下113 軌道巷閉內CO2濃度維持在2.22%～2.50%，均壓防滅火技術運用之后，3下117 回風通道內的CO2濃度降到0.99%～1.62%，3下113 軌道巷閉內CO2濃度降到1.58%～1.60%。說明之前采空區內外存在壓差，采空區內部CO 和CO2沿著采空區漏風通道運移至回風巷道閉內，而均壓防滅火將采空區內外壓差基本維持在0 Pa，采空區內部氣體沒有向巷道內漏出。

7 月22 日的各密閉氣體取樣分析檢測中，氧氣的含量分別為3下113 軌道巷閉內18.05%、3下115運聯閉內19.53%、3下117 回風通道閉內19.56%、3下113 運聯閉內18.74%；在7 月31 日的各密閉體取樣分析檢測中，氧氣的含量分別為3下113 軌道巷閉內18.07%、3下115 運聯閉內18.77%、3下117 回風通道閉內18.67%、3下113 運聯閉內18.70%。通過上述數據可以看出，實施均壓防滅火技術之后氧氣濃度均有所下降。分析原因主要是采空區均壓防滅火技術之后，巷道氣體不再沿漏風通道向采空區內部泄漏。

根據上述數據分析結果可以看出均壓防滅火技術在滕東煤礦的使用效果較好，有效解決了采空區漏風供氧、遺煤自燃問題。該技術具有較好的社會效益、經濟效益和推廣應用價值。

5 結論

該文主要針對滕東煤礦進行了均壓防滅火技術的應用，在對滕東煤礦通風系統充分分析后，基于均壓通風原理，合理設計均壓防滅火施工方案，最后對應用結果進行對比分析，主要得出以下結論：

1）均壓防滅火技術的應用能夠將密閉內外壓差控制在0～20 Pa，使采空區密閉內外壓力達到均衡，阻止氣體的外逸。

2）均壓防滅火技術的應用，有效防止向采空區漏風供氧，從而防止采空區遺煤發生自燃。

3）推廣應用后，經測算每年產生直接經濟效益100 萬元，具有較好的社會效益和經濟效益。