综放工作面推进缓慢时期防灭火技术实践

高楠楠

（同煤集团四老沟矿,山西 大同 037028）

四老沟矿，设计能力为300万吨/年，属低瓦斯矿井。根据矿井煤层自然发火倾向性鉴定结果可知，四老沟矿首采的石炭二叠系3-5#煤层为自燃煤层，煤层自然发火期最短为85天。由于矿井采用综采低位放顶煤的综合机械化采煤工艺开采工作面，致使采空区留有大量的遗煤，存在遗煤自然发火隐患。四老沟矿3-5#层8106工作面设计长度904/1016 m，倾向长度200 m，平均煤层厚度为7.22 m，煤层倾角2°～9°。8106工作面因顶板较差、周期来压频繁和夹矸影响导致推进缓慢，工作面采空区CO浓度呈上升趋势，工作面采空区存在自然发火严重隐患，为控制采空区CO浓度上升趋势，四老沟矿制定了专项治理方案和措施，使采空区CO浓度上升的隐患得到有效控制。

1 自然发火原因分析

通过连续观察8106工作面回风流气体变化情况，比对采空区气体化验分析结果，发现8106工作面回风流一氧化碳气体浓度在2019年4月1日至5月2日期间逐渐上升，最大为29 ppm，采空区CO气体浓度在这个期间内同样逐渐升高，最大为237 ppm（见表1、图1）。根据煤层气体产物与温度的量化关系，可确定采空区遗煤已经发生剧烈氧化反应，其温度已经达到了100℃左右，即将达到煤层自然发火的拐点，因此必须采取措施抑制煤层的剧烈氧化。

四老沟矿8106工作面2019年3月份推进41 m，2019年4月份推进33 m，工作面顶板较差、周期来压频繁及夹矸影响导致工作面推进缓慢，同时采空区进、回风侧冒落不好，漏风严重，可以确定这是造成这次采空区自然发火的主要原因。

表1 四老沟矿8106工作面防灭火情况表（部分）

图1 8106工作面回风流及采空区CO浓度变化统计

2 防灭火策略

根据以上分析，采空区目前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，根据8106工作面进回风侧气体情况及采空区30 m和60 m处束管监测CO气体浓度数据析可确定采空区的高温点位于采空区40～60 m的氧化带，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的继续氧化的目的。所以，8106工作面采取的主要防火策略为：加强采空区的堵漏风；加大采空区氧化带进风侧注氮流量。

3 防灭火措施

3.1 加强采空区堵漏风

通过每天对采空区进行堵漏减少采空区的漏风，具体措施为：

（1）每天在工作面上、下隅角垒珍珠岩丝袋或粉煤灰丝袋，对工作面上、下隅角进行堵漏风。

（2）因8106工作面采空区的回风侧冒落不好，每天将采空区回风侧未冒落空间用珍珠岩丝袋充填，防止采空区回风侧的大量漏风。

在封堵过程中，根据现场实际情况发现了采用珍珠岩粉堵漏风效果最好，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。由于容易施工，可以大大缩短在采空区的垒墙时间，有利于施工安全。

3.2 调整通风方式及风量

通过调整工作面的通风方式及进、回风顺槽的风量来减少采空区的漏风，具体采取的措施为：

（1）减小8106工作面的风量，将8106工作面风量调整至正常风量的50%。

（2）目前工作面的一进两回的通风方式造成了工作面采空区的大量漏风，由于采空区瓦斯涌出量不大，因此可以封闭瓦斯排风巷，工作面实施一进一回的U型通风。

（3）通过减少工作面的进、回风压差来减少工作面采空区的漏风。工作面实施开区均压通风。在8106工作面回风顺槽附近的进风联络巷设置1台2×30 kW的局扇，将局扇风筒拉到工作面上隅角前2～5 m处，用局扇向8106工作面回风顺槽供风，保证风量为200 m3/min，进风顺槽风量保持在700 m3/min左右，回风顺槽风量可达到900 m3/min，这样可减少工作面的进风量，从而减少采空区的漏风（见图2）。采用这种通风方式还可以解决工作面下隅角缺氧，为工人创造一个好的作业环境。

图2 8106工作面开区均压通风系统

3.3 注氮防火

（1）注氮技术参数

a、氮气纯度及惰化指标

根据煤矿安全规程，采空区防火注氮的氮气纯度定为≥97%，采空区氧化带防火惰化指标为O2浓度为≤7%。

b、注氮流量

采空区合理的防灭火注氮流量根据理论计算和矿井工作面防灭火注氮实践考察而确定。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，取为15%；C2为采空区氧化带防火惰化指标，取为7%；Cn为注氮防火时氮气纯度，取为98%；k为输氮管路损失系数，为1.1～1.2，取为1.1r为煤层自然发火期，1～3个月为1.1故取为1.1；e为防灭火用途，防火取1，抑制高温浮煤自燃取为3。

根据氧含量计算四老沟矿防火注氮流量为2787 m3/h，抑制采空区高温浮煤自燃所需注氮流量取为2800 m3/h。

（2）氮气防灭火系统

矿井的氮气防灭火系统由制氮机、输氮管路和采空区埋管组成。目前矿井共有井下制氮机1台，流量为1000 m3/h，实际产氮气流量为750 m3/h；在地面有流量为2300 m3/h地面制氮机2台，实际供氮能力为2088 m3/h。地面制氮机和井下制氮机全运转，可向采空区注入2800 m3/h流量氮气，可以满足工作面采空区抑制高温浮煤自燃的需要。

（3）输氮管路及注氮地点

a、输氮管路

①矿井的地面输氮管路主管选取为Φ219 mm的无鏠钢管1趟。

②井下制氮机的输氮管路选直径为Φ108 mm无鏠钢管1趟。

b、注氮地点

氮气由采空区进风侧氧化带注入，可以由进风向回风扩散，隋化整个氧化带，不留死角，起到好的防火效果。目前矿井在采空区60 m处有注氮埋管1趟，如果将2800 m3/h的氮气全部从此处注入，则形成瓶径效应，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的注氮气地点，采取的方法为：工作面每推进20 m，都必须在下隅角埋设Φ108 mm钢管一趟，同时注氮的埋管为下隅角以里20 m、40 m、60 m处3趟管路同时注氮气，一直注到80 m时则断掉此注氮埋管。

3.4 阻化剂防火

为实现对采空区遗煤进行降温阻化，在进行汽雾阻化措施的基础上，对顶抽巷后方遗煤实施阻化剂溶液灌注。8106顶抽巷通向采空区方向为下山巷道，通过钻孔灌注使之自流进入采空区。

在回风顺槽里程340 m处施工钻孔并套管，钻孔直径为Φ50 mm，打通8106顶抽巷煤壁后将管路与钻孔之间间隙封严实，于钻孔处回风顺槽中设置阻化剂液箱和泵站，每天检修班对顶抽巷灌注阻化剂溶液，生产班对顶抽巷灌水。工作面顶抽巷每天阻化剂灌注剂量不低于650 kg（见图3）。

图3 8106工作面瓦斯排放巷阻化剂灌注系统

4 防灭火的效果

8106工作面在2019年5月1日开始实施上述措施，2019年5月16～20日连续5天对8106工作面采空区和回风流气体采样化验，采空区20～100 m处氧气浓度已降至5%以下，采空区一氧化碳浓度稳定在30 ppm以下，回风流一氧化碳浓度稳定在10 ppm以下，表明采空区一氧化碳上升的隐患得到有效控制。

5 结语

通过综合采取采空区堵漏风、改变工作面通风方式及风量、科学加大采空区注氮量、瓦斯排放巷钻孔注阻化剂等措施后，8106工作面采空区遗煤氧化自燃的隐患得到了有效控制，解决了工作面推进缓慢期间采空区遗煤自然发火问题，保障了正常生产，避免了因采空区自然发火而使工作面设备被封闭的损失，取得了极大的经济效益和社会效益，并为大同矿区石炭二叠系综放工作面的安全生产积累了宝贵经验，所以推广应用前景非常广阔。