9#煤和15#煤联合开采防灭火技术研究

潘小波

（山西晋煤集团沁秀公司岳城煤矿，山西 晋城 048006）

1 引言

15#煤层由于硫分高，一直是井下煤层自燃火灾的防范重点。目前井下常用的防灭火技术有注浆防灭火、阻化剂防灭火以及惰性气体防灭火等。注浆防灭火技术是通过浆液隔离煤氧接触，工艺成熟简单，但高位火点效果差，覆盖不均匀，易跑浆脱浆，影响煤质。阻化剂防灭火是通过惰化煤体表面活性结构，阻止煤炭氧化吸热降温，但该技术工艺复杂，对设备有很大腐蚀性，不易长期保持防灭火效果。惰性气体防灭火技术通过注氮方式降低氧浓度，阻止煤氧复合，环境影响小，但降温效果不佳，灭火周期长，火区易复燃，且对现场密闭性要求高。因此需要对三种技术综合应用，保证最佳灭火效果。束管监测系统是煤矿常用的防灭火监测系统，能够对不同煤层、不同区域的煤体温度、CO等指标气体浓度及环境因素进行实时监测传输，实现数据的初步处理和现场响应。采用“束管监测+综合防灭火技术”相结合，已成为井下防灭火工作的一个重要手段。

2 现场概况

岳城煤矿为晋煤集团下属矿井，生产能力1.5Mt/a，目前正在开采9#、15#煤层。9#煤与15#煤层间距28m，工作面采空区易连通。9#煤瓦斯成分中甲烷含量占到88.78%～97.43%，全部处于甲烷带，经测定瓦斯含量为4.25～11.31m3/t，残存瓦斯含量为3.72m3/t，煤层自然发火倾向性为自燃。15#煤瓦斯成份中CH4占75.05～86.25%，全部处于甲烷带；15#煤瓦斯含量为6.71～10.91m3/t，残存瓦斯含量为4.60m3/t，煤层自然发火倾向性为自燃。综合以上数据可知，该矿煤层有自燃倾向，采空区和尾巷是防火重点。因此非常有必要开展9#煤、15#煤联合开采防灭火技术研究，确保防患于未“燃”。

3 研究内容

确定以CO作为自然发火的气体指标体系，提出采用“以煤层自然发火光谱束管监测预报为依托，9#、15#本煤层开采时以黄土封堵煤柱与采空区喷洒阻化剂为主，上覆9#采空区封闭注氮为辅”的自然发火防治总体技术方案，并结合现场实测数据进行对比验证。

结合试验模拟数据可知，煤样自燃过程中共计产生CO、C2H4、C2H6等多种气体，其中CO产生的临界温度为60℃，C2H4产生的临界温度为170℃，C2H6为200℃。拟采用CO作为标志气体，其他炔烃类气体为辅助指标，来预测煤自然发火特征。

3.1 束管铺设方案

束管监测系统即通过多路束管在指定区域抽采气体，并汇总后经气相色谱进行分析，实现抽采气体的定量检测和在线预警。如图1所示。

图1 束管监测系统配置图

研究项目涉及9#、15#两层煤，对97306工作面、153302工作面采空区实行束管监测。针对监测工作面的布置特点，本项目选择使用同一套光谱束管监测系统进行布置。如图2所示。

井下光谱分析仪安置于15#煤一五三盘区变电所，153302综采工作面监测束管由153103巷沿153302工作面顺槽布置于采空区；9#煤97306工作面监测束管可由9#-15#煤间通过钻孔穿束管的形式或沿南翼倾巷实现9#煤采空区束管引入15#煤一五三盘区变电所，接入井下光谱分析仪，然后接入光纤通往地面监测室，实现一台设备同时监测两层煤的效果。分析系统井下安装在15#煤三盘区变电所，距153302工作面最远监测点1600m左右（布置一趟2000m，PE-ZkW/10×4型束管），距97306工作面最远监测点2200m左右（布置一趟3000m，PE-ZkW/10×4型束管）。

图2 光谱束管系统联合布置方式

4 现场监测

在每个工作面设置3个采样监测点，如图3所示。

图3 监测地点示意图

如图3所示，在回风巷距切眼150m处布置监测点，间距30m，并对监测点采用钢管保护，待进入采空区后采用三通将探头与底板保持在1m距离。其测点的保护方式如图4所示。

图4 保护套管测点处设置图

当1#采空区束管监测点埋入采空区15m后，即开始进行持续束管监测。当工作面推过2#点约20m时，如1#点氧气浓度已低于5%，则断开，如仍大于5%，则应继续使用直至氧气浓度低于5%。或3#监测点埋入采空区15m后，再断开1#点，然后重新布点，依次循环，直至工作面推采至距离停采线30m前都采用此种方式布置。

5 联合防灭火

5.1 煤柱遗煤封堵

鉴于9#、15#煤形成的独特的遗煤方式，采空区遗煤自燃的防火重点在于9#煤煤柱遗煤在二次受力垮落过程中封堵及15#煤本层开采时煤柱遗煤破碎自燃。研究中拟采用黄泥封堵，即在9#、15#煤开采过程中在工作面后方沿煤柱堆铺黄泥，与采空区内喷洒阻化剂相结合。当煤柱破碎后与黄土融合，特别是当15#煤采过，9#煤煤柱下行垮落时会随同黄土一起下沉15#采空区，这样就会在9#煤柱周围形成黄土包裹，阻隔氧气，达到防火目的。如图5所示。

图5 工作面煤柱帮背黄土示意图

5.2 采空区汽雾阻化

汽雾阻化是对液态阻化剂进行加压雾化，使雾化的阻化剂最大面积的覆盖到采空区的漏风面，从而隔绝空气达到灭火的目的。如图6所示。

图6 工作面喷洒阻化剂工艺示意图

如图6，将阻化剂储液箱和阻化泵安装在进风巷，通过管路与采空区的雾化器相连，雾化器喷头安装自动过滤装置防止煤尘堵塞喷孔。首先对工作面采空区进行风阻测定，根据漏风量和漏风方向确定雾化器引射风量，然后将阻化泵压力调制2.5MPa左右，产生的阻化汽雾经自然风流进入采空区，达到灭火的目的。

5.3 采空区封闭注氮

该项目采用封闭注氮，即当9#煤工作面开采结束后，构筑防火密闭封闭采空区，预留观窗孔和注氮孔，并敷设注氮管路，向采空区进行注氮。注氮量要根据防灭火惰化指标、15#煤开采时上隅角空气质量共同确定。

6 效果分析

本项目2017年4月开始在岳城矿南回风大巷进行了现场试验，对1#、2#两个束管系统监测点的CO浓度数据进行了整理分析（3#数据为0，不参与分析），得曲线如图7所示。

图7 采空区CO浓度变化曲线图

由图7可知，采用煤柱遗煤封堵、汽雾阻化和封闭注氮综合防灭火工艺后，采空区CO浓度开始上升。这是由于喷洒阻化剂和注入氮气后，CO的体积空间缩小，造成单位区域内浓度瞬时增加，随着时间增加CO逐渐排出，曲线变缓。经过一个月的试验，采空区内1#测点CO浓度由1185×10-6变成181×10-6，2#测点CO浓度由833×10-6降至0，说明该工艺能够有效降低采空区CO浓度并长时间保持采空区密闭。

7 结论

（1）CO产生的临界温度值为60℃，可作为自然发火的标志气体；C2H4产生的临界温度为170℃，C3H6为200℃，可采用炔烃类气体作为辅助指标，来预测煤自然发火特征。

（2）提出采用“以煤层自然发火光谱束管监测预报为依托，9#、15#本煤层开采时以黄土封堵煤柱与采空区喷洒阻化剂为主，上覆9#采空区封闭注氮为辅”的综合防灭火措施。经过现场检验，采空区内CO浓度能够显著降低并保持在200×10-6以下，满足矿井防灭火的相关要求。