沁裕煤矿综采工作面综合防灭火技术研究

李 晋

(兰花集团 沁裕煤矿有限公司，山西 晋城 048212)

1 工程概况

兰花集团沁裕煤矿井田内主要含煤地层为二叠系下统山西组(P1s)和石炭系上统太原组(C3t)，山西组主要可采煤层为2号煤层，太原组可采煤层为15号煤层。目前，井田内的2号煤基本采掘殆尽，15号煤层回采工作面已逐渐投入生产，15号煤层厚度0.93～5.80 m，平均2.24 m，煤层稳定，赋存区可采。2号、15号煤层均采用综采一次采全高采煤法。结合15号煤层赋存条件，考虑井型、工作面产量等因素确定回采工作面长度取180 m，工作面采用“四六”工作制，采煤机截深0.8 m，循环进度0.8 m，日进度7.2 m，通过对本井田15号煤层自燃倾向性取样测试表明，煤的吸氧量为0.69 cm3/g，自燃等级为Ⅱ类，结果为自燃煤层。为避免15号煤层采空区发生自燃现象，本文以15103工作面为背景，对工作面综合防灭火技术进行研究，以期为矿井的安全生产提供指导。

2 采空区日常防灭火措施

2.1 利用高抽巷减少采空区漏风量

沁裕煤矿15号煤层采用综采一次采全高采煤法，全部垮落法管理顶板，容易发生自燃的区域为工作面“两线—两道”[1]，即工作面开采线、停采线，进风道与回风道。工作面投产初期，工作面推进距离短，采空区顶板岩层垮落不充分，漏风严重，工作面采出率低，采空区内遗煤量较大，此时通过增大高抽巷抽采流量，加快采空区热量的散失，减小采空区漏风，达到降低采空区温度及氧气浓度的目的。高抽巷布置见图1。

图1 高抽巷布置示意

2.2 采空区灌浆防灭火

采空区灌浆防灭火技术在我国各个地区的矿井取得了良好的应用效果[2]，浆液灌注于采空区内，可降低采空区温度，浆液包裹采空区遗煤，减少采空区遗煤与空气的接触，减缓遗煤的氧化反应，且浆液能够填充采空区垮落矸石间的空隙，增强采空区的密闭性，减小漏风量。黄土取土方便，节约成本，粉煤灰相对成本较高，运输相对困难，故本次设计矿井注浆材料为黄土。地面固定式集中灌浆系统是在地面工业场地或风井场地设立集中灌浆站，为全矿服务，虽然初期投资较大、管路较长、占地较大，但具有灌浆量大、工作集中、管理方便、效率高等优点。因此，选择在回风井场地内布置地面固定式多功能集中灌浆系统。15103工作面采用地面固定式灌浆站集中灌浆，系统组成如图2(a)所示，工作面开始后，在液压支架后方工作面长度方向放置一趟DN100 mm钢管，钢管上部每隔30 m安装一根长度1 m的花管，注浆管路在上隅角与DN100 mm钢管连接，管路铺设如图2(b)所示，灌浆流量为50 m3/h，灌浆时间为12 h，工作面每推进50 m进行一次灌浆。

图2 采空区灌浆工艺示意

2.3 封堵工作面上、下隅角

采煤工作面上隅角和下隅角风流压差是造成采空区漏风的重要原因，工作面上、下隅角为采空区倾向边界，顶板不能充分垮落，为采空区漏风提供良好的通道，因此采取措施封堵上、下隅角，可有效减小采空区漏风量，减小采空区氧化带的宽度。15103工作面在上、下隅角堆砌袋子墙进行封堵，工作面每推进50 m设置1道袋子墙。

2.4 阻化剂防火系统

根据我国其他矿区采用阻化剂经验，因氯化钙阻化率较高，阻化效果好，价格便宜且储运方便，设计15103工作面采用氯化钙(CaCl2)作为阻化剂。在15103工作面配备一套移动式阻化剂防火系统向采空区的遗煤喷洒阻化剂，在南翼补回风巷内适当位置(尽量靠近工作面中部)放置两个水箱作为阻化剂药箱，交换使用，按需浓度(20%)将工业CaCl2倒入储液箱内，用临时供水管路按比例加足清水，配成溶液搅拌均匀后，用高压泵(置于平板车上)将阻化液沿巷道和刮板输送机电缆槽下方铺设(每20 m安一三通和高压球阀)的D25 mm高压胶管压至工作面，与D13 mm的胶管和雾化器相连。一台泵配一支喷枪，由专人手持喷枪，从支架间隙向采空区喷洒，每间隔5组支架喷一次，每次喷洒至少6 min，流量不小于35 L/min。正常回采期间每班喷洒一次，如遇停产、过断层、收尾等情况时，须对采空区加大喷洒频率。

图3 阻化剂喷洒系统示意

3 采空区注氮灭火措施

采空区注氮系统为沁裕煤矿采煤工作面采空区灭火方法，预防火灾时不使用，根据矿井束管监测系统测定，CO为测试煤自然发火的标志性气体；CO出现表明测试煤已经开始氧化；其出现临界温度为37.2～46.8 ℃，检出浓度为30 ×10-6，此时要求开始封闭工作面进行注氮。井下移动式制氮设备安置于距需要防火的就近处，该系统不需铺设专用输氮管路，但制氮设备产氮能力较小。地面固定式和地面移动式制氮设备生产的氮气，经井上、下输氮管路送达采空区内，防灭火效果好，结合本矿特点，设计选用地面固定式制氮注氮设备。

根据国内外的经验每吨煤需5 m3氮气量，本矿井15号煤层厚度平均2.24 m，属中厚煤层，回采率取95%。注氮量计算如下[3-4]：

式中：QN为注氮流量，m3/h；A为年产量，取90万t/a；K为工作面回采率，取95%；t为每年矿井生产的时间，取330 d。

通过上式计算得到注氮流量为539.8 m3/h，结合沁裕煤矿具体情况考虑1.5的富余系数，确定注氮流量850 m3/h。15103工作面回采期间，采空区注氮管铺设：地面制氮站—回风斜井—15煤层回风巷—15煤层西翼回风大巷—15103工作面回风巷—工作面采空区。采用埋管注氮工艺，在工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。当埋入一定深度后开始注氮，同时埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移动步距通过考察确定)。当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路的注氮，并重新埋设注氮管路，如此循环。当工作面采空区内温度超过35 ℃，工作面上尾巷内一氧化碳浓度超过30×10-6时，采取开放式、间歇式注氮方式，注氮时间每天不小于16 h，直到采煤工作面采空区温度降至35 ℃以下，一氧化碳气体为零时，停止注氮，注氮管路的铺设如图4所示。

图4 工作面注氮管路铺设示意

4 防治措施效果分析

4.1 工作面防灭火措施效果评估

沁裕煤矿15103工作面正常回采期间，采空区内CO浓度保持在20×10-6以下，采空区无自然发火的可能，防治效果良好。2019年2月份15103工作面临时停产，停产期间束管监测系统监测表明，采空区内CO浓度异常，呈现明显上升趋势，一氧化碳浓度超过30×10-6，因此采取注氮灭火措施，采取开放式、连续性注氮方式，每天灌注量约10 000 m3，该期间对深入采空区45 m处(氧化带内)的氧气和一氧化碳浓度进行监测，浓度变化如图5所示。

图5 采空区气体浓度变化

由图5可以看出，深入采空区45 m处，氧气浓度充足，位于氧化带内，CO浓度达到58×10-6，存在自然发火的迹象，通过灌注液态氮气后，一氧化碳浓度迅速降低，由58×10-6降至20×10-6以下，氧气浓度变化不明显，灭火效果明显。综上可知，采空区注氮可显著降低CO浓度，减缓采空区遗煤的氧化的速度，抑制采空区遗煤自燃现象。

4.2 停采后采空区防治效果评估

2020年2月份15103工作面回采完毕，在距胶带巷(回风巷)开口10 m处，采用袋子墙进行密闭，束管监测采空区内CO浓度变化如图6所示。

图6 采空区内CO浓度变化规律

由图6可以看出，15103工作面采空区密封后，采空区内CO浓度逐渐降低，胶带巷侧CO浓度由24.5×10-6逐渐降低至5×10-6，并最终稳定在10×10-6以下；回风巷侧CO浓度由21.5×10-6逐渐降低至2.3×10-6，并最终稳定在4 ×10-6以下，采空区内CO浓度低于24 ×10-6，且稳定，由此说明，采用袋子墙密闭性良好，采空区无自燃的危险。

5 结 语

根据沁裕煤矿15103工作面具体的开采技术条件，设计采用增大高抽巷抽采流量、埋管灌注黄泥浆、封堵工作面上(下)隅角、喷洒阻燃剂等作为日常防火措施，当采空区出现自然发火的迹象时，采用注氮防灭火措施，工作面回采完成后，采用袋子墙封堵采空区。通过束管监测采空区内CO气体浓度变化验证防治效果，结果表明，设计的防灭火措施可行、有效，实现了工作面的安全回采，可为类似工作面的煤自燃灾害防治提供参考依据。