四老沟矿特厚煤层综放工作面综合防灭火技术

陈勇波

(大同煤矿集团 马道头煤业有限责任公司，山西 大同 037100)

1 工程概况

大同煤矿集团四老沟矿C3～5号层8106综放工作面走向长1 060 m，倾向长189 m，煤厚10～12 m，自然发火期为1～3个月。工作面为三巷布置，即进风巷、回风巷、高抽巷，在掘进过程中揭露多条落差为1.5～4 m的断层，开采过程中因过断层割岩导致推进速度较慢，再加上工作面两端头后顶板冒落不好，漏风严重，致使采空区遗煤发生自燃，束管监测数据显示，在采空区30 m和60 m处束管监测CO气体体积分数为2.3×10-4，对生产安全造成严重威胁。根据煤层气体产物与温度的量化关系分析，采空区已经有剧烈氧化的高温煤炭，其温度已经达到了100℃左右，即将达到煤层自然发火的拐点，因此必须加强防火措施，防止采空区遗煤快速氧化[1-2]。

2 防火策略

依据气体监测化验数据，分析采空区的高温点位于采空区40 m以里的氧化带进风侧，已经存在剧烈氧化的浮煤，而且高温浮煤的位置位于采空区氧化带较深处，因此必须迅速将采空区氧化带的氧浓度降到7%以下，才能达到抑制采空区浮煤继续氧化的目的。为此，提出防火策略为：以减少采空区漏风和加大注氮流量为主，多措并举。

3 综合防灭火技术

3.1 端头堵漏

封堵工作面两端头以减少采空区漏风，其措施为每天在工作面上、下端头隅角区垒珍珠岩丝袋或粉煤灰丝袋形成堵漏墙体，本次采用珍珠岩丝袋垒墙，该材料优点较多，具体为：珍珠岩粉为轻型堵漏材料，每立方米仅重170 kg，在施工时1个工人可以手提两袋进行垒墙，减轻工人劳动强度；珍珠岩粉成本较低，每立方米不到200元，从运费和施工费综合计算，实际上比粉煤灰还便宜；施工较为容易，可大大缩短垒墙时间，利于安全作业。

3.2 弱负压通风

为了减少工作面采空区的漏风，从减少进回风压差入手，提出在工作面采取弱负压通风。具体措施为：从回风巷外的进风联巷设置2台2×30 kW的局部通风机，接好风筒沿回风巷拉至工作面尾超前距工作面3～5 m位置，用局部通风机向工作面回风巷供风，风量为200 m3/min，进风巷风量保持在800 m3/min左右即可，回风巷风量可达到1 000 m3/min。通过此办法不仅可减少工作面进风量及采空区的漏风，还可解决工作面上隅角低氧问题，为一线作业人员创造一个良好的作业环境。此外由于采空区瓦斯涌出量较低，采用一进两回的通风方法也会造成采空区漏风，根据国内其它煤矿的经验，回采有自然发火倾向的煤层，不宜采用瓦斯高抽巷，宜采用钻孔抽放、采空区埋管抽放防治瓦斯，因此可以封闭瓦斯高抽巷，实施一进一回的U型通风。

3.3 采空区注氮

3.3.1 氮气防灭火参数

《煤矿安全规程》规定：在采空区进行防火注氮的氮气纯度应大于97%，采空区氧化带防火要求为氧气浓度小于7%。根据理论计算和防灭火注氮实践经验共同来确定合理的注氮流量，根据氧含量计算防火注氮流量：

式中：Q0为采空区氧化带内漏风量，工作面风量为800 m3/min，取Q0为8 m3/min；C1为采空区内氧化带平均氧含量，取15%；C2为采空区氧化带防火惰化指标，取7%；Cn为注氮防火时氮气纯度，取98%；k为输氮管路损失系数，一般为1.1～1.2，取1.1；r为煤层自然发火期，1～3个月为1.1，故取1.1；e为防灭火用途，防火取1，抑制高温浮煤自燃取为3。

计算得：QN=2 787 m3/h。

根据计算，抑制采空区高温浮煤自燃所需注氮流量取2 800 m3/h。

3.3.2 注氮系统

注氮系统由制氮机、输氮管路和采空区埋管组成，矿井内有移动制氮机1台，流量为1 000 m3/h，实际产氮气流量为750 m3/h； 在地面有流量为2 300 m3/h地面制氮机2台，实际供氮能力为2 088 m3/h。地面制氮机和井下制氮机全运转，可向采空区注入2 800 m3/h流量氮气，满足工作面采空区抑制高温浮煤自燃的需要。

3.3.3 输氮管路及注氮地点

1) 输氮管路输氮管直径。输氮管直径按下式计算：

式中：D为注氮管路最小直径，mm；Q为最大输氮流量，地面取50 m3/min，井下取12.5 m3/min；V为管道内氮气允许流速，管内压力0.3～0.6 MPa，V取25 m/s。

计算得：D地面=205 mm；D井下=102 mm。

根据计算，矿井的地面输氮管路选直径为219 mm的无缝钢管；井下移动制氮机的输氮管路选直径为108 mm无缝钢管。

2) 注氮地点。氮气从工作面进风侧下隅角注入采空区氧化带，随进风风流向采空区扩散，隋化整个氧化带，不留死角，起到防火效果。但原来仅在下隅角以里40 m处的采空区内埋有注氮埋管，如果将2 800 m3/h的氮气全部从此处注入，则形成瓶径效应，导致注氮阻力太大，不能将全部氮气有效注入采空区。因此还必须增加采空区内的注氮气点，实行迈步式注氮，即工作面每推进20 m，都必须在下隅角埋设D108 mm钢管1趟，同时注氮的埋管为下隅角以里20 m、40 m、60 m，共布置3趟管路，同时注氮气，一直注到80 m时断掉此注氮埋管。

3.4 注阻化剂

考虑到工作面为上山开采，采空区标高低于工作面，提出在回风巷距离工作面一定距离向原已封闭的高抽巷打钻孔注入阻化剂，依靠重力使阻化剂自流至采空区内实现对遗煤的阻化。

3.5 加强气体监测

对工作面上隅角端头封堵墙以里、采空区埋设的束管和高抽巷密闭内每天取样化验气体浓度。由于注氮量较大会导致工作面上隅角氧浓度较低，必须加强监测氧浓度，在此设置压风喷雾以保障工人施工的安全。

3.6 其他保障性措施

在工作面准备好应急救援的相关物品设备，为现场作业人员配发大容量压缩氧自救器。在工作面进行封堵端头、断开注氮管路时，现场要有通风部门负责人带班，并安排专职瓦检员和救护队员陪同，随时观察气体浓度变化，以应对突发情况。

4 结 语

通过采取端头堵漏、弱负压通风、采空区注氮、注阻化剂、加强气体监测等一系列措施，成功解决了工作面采空区遗煤自燃问题，使工作面上隅角和回风流的CO气体体积分数降至2×10-5以内，有力地保证了工作面的安全回采。