综合防灭火技术在沿空留巷综采工作面的应用

文/焦世雄 王文才

目前，大同煤矿集团白洞矿业公司正在探索沿空留巷开采工艺，而所采山4#煤层为自燃煤层，最短自然发火期为84天。为了防止回采过程中由于推进缓慢、采空区漏风等因素导致采空区遗煤自燃，白洞矿业公司采用了注氮、喷洒阻化剂、临时灌浆等综合防灭火方法并取得了很好的效果，为沿空留巷综采工作面防灭火积累了经验。

一、矿井及沿空留巷综采工作面概况

白洞矿业公司位于大同煤田中东部，地处大同市西南约30km。

井田东西长10.4km，南北宽4.0～5.9km，面积为51.21km2。现正在开采山4#煤层，其中8305工作面为沿空留巷综采工作面。8305工作面位于矿井东盘区，北为8303采空区，南为补总回风大巷，西为补总回风大巷，东为三条盘区巷道，其上为侏罗系14-3煤层采空区8114、8116工作面，层间距约500m。工作面走向长度712m，可采长度625m，倾向长度为198m；煤层厚度为3.1～4.0m，平均厚度为3.6m；煤层倾角1°～3°，平均倾角为2°。

根据2018年煤层自燃倾向性鉴定报告可知：山4#煤层自燃倾向性为自燃，自燃倾向性等级为Ⅱ级，最短自然发火期为84天。

为有效预防8305工作面采空区遗煤自燃，结合8305工作面煤层赋存条件、巷道布置、回采工艺等实际情况，同时借鉴其他矿井山4#层工作面的防火经验，白洞矿业公司采用了采空区注氮、喷洒阻化剂、临时灌浆、采空区防灭火监测系统等综合防灭火方法。

二、注氮防灭火

1.制氮设备、安装地点及路线

在地面制氮机房内安装1 套KGZP-1500型碳分子筛制氮机，制氮能力为1500Nm3/h，纯度≥97%，出口压力≥0.8M Pa；1套DM-1000型膜分离制氮机，制氮能力为1000Nm3/h，纯度≥97%，出口压力≥0.8MPa。

注氮路线为：地面制氮车间→主斜井→措施巷→盘区皮带巷→2305皮带顺槽→采空区。

2.注氮工艺

采用迈步式埋管注氮工艺，具体工艺如下。

在2305进风顺槽沿采空区埋设2趟DN100mmPE管，第1趟与第2趟步距50m。第1趟管路埋入采空区50m时，开始第2趟管路注氮，第1趟管路仍保持连续注氮。当第1趟注氮管口埋入采空区100m时，断开第1趟注氮管路，开始第2趟管路注氮。

当第2趟注氮管口埋入采空区100m时，开始第1趟注氮管路的注氮。断开第2趟注氮管路。如此循环，直至工作面采完为止。

3.注氮防灭火惰化指标

（1）注氮防火惰化，即注氮后采空区内氧气浓度不得大于7%；

（2）注氮灭火惰化，即火区内氧气浓度不大于3%；

（3）注氮抑制瓦斯爆炸，其采空区氧气浓度指标小于12%。

4.注氮量计算

式中：QN—注氮流量，m3/h；

Qo—采空区氧化带内漏风量，m3/min，现取10m3/min；

C1—采空区氧化带内平均氧浓度，20%～10%，取10%；

C2—采空区惰化防火指标，取7%；

CN—注入氮气中的氮气浓度，98%；

K — 备 用 系 数，一 般 取1.2～1.5，这里取1.2。

经过计算，8305工作面注氮流为432m3/h，能够满足要求。

三、喷洒阻化剂防灭火

工作面正常推进时要及时喷洒阻化剂，使用气雾阻化系统防灭火。

1.阻化剂的选择

选用MgCl2、CaCl2阻化剂，能够侵入到煤的层理、节理和微小的裂缝中，在煤的表面形成液膜，由于其吸水性强，所以在一定温度下能保持一定水分。还可以黏附在煤的表面，形成稳定的抗氧化的液膜，阻止煤与氧接触，减少煤的氧化，起到隔氧阻化的作用。与同类产品相比，最大的特点是成本低，贮运方便。

2.喷、洒方式

回采期间，每个圆班对工作面采空区喷洒一次阻化剂，要求阻化剂喷洒均匀，能够覆盖工作面底板遗煤上。

在2305巷串车处稳装1台BH-160/12.5-G型的防灭火液压泵站，经由高压软管将20%的MgCl2溶液输送到雾发生器（喷咀数量暂确定为2个，即在工作面头部和中部各安设1个喷咀，加强头部的喷洒工作，可根据实际效果适当增减），雾发生器在高压（12.5MPa）作用下喷出阻化汽雾，85%的溶液被分散为直径30μm的雾粒，并由风流带向采空区内。为了防止雾发生器喷咀堵塞，在供液管路中装有自动过滤器。

3.阻化液的配比

根据厂家设计，阻化剂与水按照阻化剂溶液浓度为20%进行配比，阻化率为45%～60%。

4.喷洒量计算

喷雾量的大小与采空区丢煤量成正比。其计算公式如下：

T=KADLHS/R=0.02×0.05×1.48×198×3.2×4.8/0.85=5.30t

式中：T—日喷雾量，t；

R—雾化率，%，取85%；

K—吨煤用液量，t/t，取0.02t/t；

D—实体煤容重，t/m3，取1.48t/m3；

L—工作面长度，m，取198m；

H—工作面采高，m，取3.2m；

S—日进尺，m，取4.8m；

A—丢煤率，%。

四、临时灌浆系统

当注氮防灭火、喷洒阻化剂防灭火效果不理想，且工作面有发火征兆时，立即启用工作面临时灌浆系统对采空区进行灌浆。

根据地测科提供的标高资料可知，2305巷煤层底板标高约971m，5305巷煤层底板标高约965m，2305巷比5305巷高约6m。故设计在工作面2305串车前，建立工作面临时灌浆站，在工作面回采前将灌浆管路延接至2305巷端头支架以里采空区50m处，对采空区实施灌浆。为了防止灌浆管路被砸而毁坏，在管路前施工#字木垛。灌浆系统管路如图1所示。

1.日灌浆需土量计算

式中：Q1—日灌浆所需土量，m3/d；

K—灌浆系数，灌浆材料的固体体积与需要灌浆的采空区容积之比。在K值中考虑了冒落岩石的松散系数、泥浆收缩系数和跑浆系数等综合影响。该系数应根据各矿的实际情况确定（取值范围0.03～0.3）；

l—工作面日推进度，m/d；

m—煤层采高，m；

h—灌浆区的倾斜长度，m；

c—采煤回收率，%；g

2.日灌浆需水量计算

式中，Q 2—日灌浆需水量，m3/d；

δ—水土比，我国煤矿灌浆的泥浆水土比一般使用3：1～6：1，取5：1；

K1—冲洗管路防止堵塞用水量的备用系数，一般取1.10～1.25，取1.25。

五、防灭火监测系统

1.束管监测系统

矿井配置一套JSG8(A)型煤矿束管火灾监测系统，一次进样可以完成对CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、O2、N2等自然发火标志气体的全分析；束管总管由地面化验室开始从主斜井深入井下，进入盘区皮带巷。

（1）束管管路布置。2305皮带顺槽束管从盘区皮带巷总管分支，经皮带大巷→5305回风顺槽→工作面2305巷采空区→工作面5305巷采空区。

图1 8305工作面埋管灌浆示意图

（2）测点布置。束管线测气口布置在2305、5305顺槽采空区，每隔50米布置一个，随时可以采集8305采空区内的气体，束管线靠巷道上帮吊挂牢固。如果束管取样化验结果与采空区实际数值误差较大，不能准确反映采空区气体成分时，则必须采用取样泵，人工取样。

2.人工预测预报分析

（1）人工检测参数：CO、CH4、CO2、O2和温度。

（2）人工测点布置：8305工作面回采后，每班检查8305工作面、回风流和工作面中、尾气体。

（3）取样分析：8305工作面回风流、采空区每周取样2次，分析其气体成分。

3.传感器监测监控系统设置

（1）工作面回风流距回风口10m～15m处安装温度、一氧化碳传感器，并确保实时在线监测。

（2）工作面初采线起沿空留巷内采空区侧每隔150m安装1台一氧化碳传感器，并确保实时在线监测。

六、效果分析

白洞矿业公司通过采空区注氮、喷洒阻化剂、临时灌浆、采空区设置防灭火监测系统等综合防灭火方法，可以有效惰化采空区气体，减少采空区浮煤与空气的接触，降低采空区温度，从而有效防止沿空留巷综采工作面采空区浮煤自燃事故的发生。