紫晟煤业2-101工作面综合防灭火技术应用

胡亚琴

（霍州煤电集团职工培训教育中心，山西 霍州 031400）

0 引言

由于我国大多数煤层都具有自燃性，火灾已经成为矿井主要灾害之一。近年来，我国矿井也出现了几起大型火灾事故，如鸡西杏花煤矿“11·20”火灾事故造成22人遇难；辽宁本溪黑煤窑“7·4”火灾事故造成11人死亡；7台河市景有煤矿“11·29”火灾事故造成22人死亡等。这些事故都造成了巨大的人员伤亡和经济损失，给矿井的安全生产敲响了警钟。一些矿井火灾常常会引发煤尘、瓦斯爆炸，更进一步加大矿井所受灾害的程度［1-3］。矿井发生火灾是由内部因素（煤自燃倾向性）和外部因素（堆煤、氧气、外部聚热环境）共同作用的，其中外因是关键［4-6］，因此，对于矿井火灾事故的防治，主要从控制外部因素入手，避免出现堆煤，控制氧气含量从而抑制煤氧化自燃。通过对回采工作面综合防灭火技术的研究，建立工作面火灾预测指标体系，总结火灾的规律，从而制订防灭火措施，更有针对性地防治矿井火灾。

1 工作面概况

霍州煤电集团紫晟煤业2-101综采工作面位于一采区，地面标高+551～+600 m，井下标高+110～+141 m，盖山厚度430～482 m。工作面东侧、西侧无采掘活动，北侧为一采区系统巷道，南侧为井田边界。工作面走向长度568.3 m，倾斜长度168.7 m。2-101工作面煤层为缓倾斜单斜简单构造，煤层硬度f为2～3，属于稳定性煤层。矿井主采2#煤层，煤层厚度3.5 m，平均倾角3°。顶底板主要由泥岩和砂岩构成。对矿井的2#煤层进行了煤自燃倾向性鉴定，鉴定结果见表1。2#煤层有自燃倾向，Ⅱ级自燃，自然发火期为93 d。

表1 2#煤层自燃倾向性鉴定表

2 工作面火灾预测技术

2-101综采工作面建立了以束管监测为主、人工取样监测为辅的火灾预测系统。通过对工作面煤自燃指标气体和温度进行监测，实时预测工作面火灾发生状况，并根据监测数据对工作面重点发火区域（如：本工作面采空区及上覆、相邻工作面采空区等可能引发火灾区域）制订防灭火措施，从而避免工作面发生火灾。

2.1 束管监测系统

2-101综采工作面安装了一套JSG-7型16芯煤矿自然发火束管监测系统，在工作面共布置监测点3个，测点布置在工作面回风上隅角处和采空区内，测点间距为20 m，沿着工作面回风巷底板外帮依次布置。每个监测点设置一个装有保护套的测点采样器，用来采集各类检测气体，并通过安装在地面的抽气泵将收集的气体送入气体分析仪进行分析。随着工作面回采，设置的3个监测点依次进入采空区，当布置的最后一个监测点进入采空区20 m后，撤销第一个监测点，依次按照相邻20 m布置一个测点的规律重新布置，直到工作面回采结束后停止布置测点。当工作面回采到边界位置时，3个测点的位置分别距工作面液压支架5 m、15 m、25 m位置处。束管监测器测点布置示意图如图1所示。

图1 束管监测器测点布置示意图

在监测点采集O2、CO2、CO、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等气体送至地面进行分析，并通过煤自燃后的产物CO浓度对工作面火灾进行预警。当监测点CO浓度超过警戒值0.002 4%时，则立即停止作业，通知人员撤离，直到CO浓度低于0.002 4%时，方可恢复作业。

若2-101综采工作面发现异常情况，需利用人工取样的方法对束管监测系统加以校正和检验，气样采集后在24 h内必须送至气样分析室进行数据分析，如超过24 h，需重新取样，确保气体分析数据准确。同时，定期由专人用CO检测仪对采空区内和采面回风隅角检测CO浓度，能够在早期监测到自燃的临界点。

2.2 工作面自燃监控

为了做好2-101综采工作面自然发火预测预报工作，需要对工作面自燃进行监控。其具体措施为每周一次的采空区取样分析，分析CO浓度和烷烃比，可通过束管监测和人工取样两种方法。通过红外线遥感测温仪遥测采空区温度，及时掌握温度变化。通过束管监测探头监测工作面及回风隅角的自然发火情况。通过在回风顺槽设CO探头检测回风风流中的CO变化，监控工作面及巷道的自然发火情况。

3 工作面防灭火技术

3.1 注氮防灭火

注氮防灭火技术原理是指利用氮气作为惰性气体，在常温下基本不与其他物质发生反应［7-9］。而工作面氮气浓度越高，氧气浓度就会越低，当氧气的浓度降至3%以下时，可以完全抑制煤炭的自燃和复燃。

工作面注氮量：2-101综采工作面采用采空区铺设注浆管路进行防灭火，根据束管监测系统，当CO浓度超过警戒值时，启动注氮机进行工作面注氮防灭火。根据《MT/T 701—1997》标准可知，要想使工作面O2浓度降低至3%以下，则工作面注氮流量见式（1）。

式中：QN—2-101工作面注氮流量，m3/h；Q0—工作面采空区氧化带漏风量，取值10 m3/min；C1—工作面采空区氧化带平均O2浓度，取值13%；C2—工作面采空区惰化防火指标，取值7%；CN—工作面注氮浓度，取值98%；k—备用系数，取值1.2。

工作面注氮工艺：2-101综采工作面采空区采用随采随注的注氮工艺，沿着工作面进风顺槽埋设注氮管路，氮气释放口应高于底板，以90°弯管拐向采空区，与工作面保持平行，注意孔口不可向上，用石块或木垛等加以保护。工作面应同时保证3个释放口同时注氮，即通常第一个释放口设在开切眼位置，第二个释放口距切眼30 m，第三个释放口距切眼60 m，第四个释放口距切眼110 m。当布置第四个释放口时，停止1号释放口注氮，同时拆除，依次进行注氮。注氮工艺布置示意图如图2所示。

3.2 注浆防灭火

采用注浆防灭火主要有地面注浆和井下移动注浆两种方式［10-12］，考虑2-101综采工作面地质条件和经济效益，采用井下移动注浆的方式。防灭火注浆材料主要是黄土浆液，也可在黄土浆液中添加阻化剂等，通过注浆管路将注浆液喷洒在工作面采空区，避免工作面发生火灾。

图2 注氮工艺布置示意图

工作面回采的同时对采空区进行注浆防灭火。根据2-101综采工作面自燃“三带”的分布范围与煤层的自燃倾向性特点，采用踏步式埋管注浆的工艺对工作面进行注浆。由于工作面采空区进风侧氧气含量高，发生火灾的危险性较大，因此，在工作面进风巷依次埋设注浆管进行注浆。工作面使用两台移动式注浆机进行注浆，当埋设的注浆管进入采空区不低于15 m后开始进行注浆，注浆步距为40 m。注浆工艺示意图如图3所示。

图3 工作面注浆防灭火工艺示意图

若工作面回采中存在自燃隐患，也可以用回采后注浆的方式处理采空区火灾隐患。当工作面回采完毕后，在距离工作面停采线30 m、20 m位置密闭墙上部插注浆管对采空区进行灌浆。

3.3 堵漏风技术

控制漏风技术的防灭火机理是减少采空区供氧量，减少或杜绝松散煤体与氧气的结合，从而达到工作面防灭火的效果。2-101综采工作面回采前对工作面进行全面排查，对火灾发生危险区域采用黄土进行回填，从而切断煤与O2接触，抑制工作面煤体自燃。

工作面回采后在两巷端头分别施工一面黄土沙袋密闭墙，严密封堵工作面采空区进回风两侧。其中，进风巷端头施工密闭墙的作用是封堵工作面风流向采空区漏风；回风巷端头施工密闭墙的作用是增大工作面风流向采空区漏风阻力。工作面进回风端头密闭墙布置示意图如图4所示。工作面在进回风两巷端头布置密闭墙堵漏风的同时，将两巷端头处6架液压支架与采空区之间的空间采用黄土沙袋封堵压实，并悬挂风障，保证巷道上帮和工作面顶板之间无漏风空隙，减少工作面向采空区漏风。

图4 工作面两巷密闭墙布置示意图

工作面回采后由于动压作用可能会产生地表裂隙，对于地表裂隙要及时回填，避免出现地表风流进入工作面采空区。地表裂隙回填速度不应滞后工作面切眼100 m，由于采动影响，回填后也应当及时进行复查。

4 防灭火技术效果检验

2-101综采工作面采用注氮、注浆、堵漏风的综合防灭火措施后进行防灭火效果检验，在工作面回风隅角布置3路束管监测采空区各指标气体的含量，监测数据见表2。

表2 防灭火技术实施前后各指标气体含量

由表2监测结果可知，2-101综采工作面采用综合防灭火措施后，工作面漏风量明显减少，各煤自燃指标气体得到了有效的降低。监测结果表明，综合防灭火技术有效解决了工作面防火灾难题。

5 结论

（1）以2-101综采工作面为研究对象，分析了束管监测和自燃监控两种工作面的火灾预测技术。通过依次布置的3个束管测点收集煤自燃指标气体并送至地面进行分析，当监测点CO的浓度超过警戒值0.002 4%时，则立即停止作业，通知人员撤离，直到CO浓度低于0.002 4%后，方可恢复作业。对工作面煤自燃进行监控，分别通过红外线遥感测温仪遥测采空区温度、回风顺槽设CO探头检测回风风流中CO的变化，监控工作面及巷道的自然发火情况。

（2）提出采用注氮防灭火技术、注浆防灭火技术和堵漏风技术相结合的综合防灭火方法防治工作面火灾，分别分析了3种防灭火措施的施工工艺，并对工作面采用防灭火技术前后各指标气体含量进行分析，工作面漏风量明显减少，各煤自燃指标气体含量得到了有效降低。