大倾角特厚煤层综放工作面综合防灭火技术

麻 强，梁建国，张亚波，杜志铎

(1.霍州煤电集团 汾源煤业有限公司， 山西 忻州 035100； 2.晋能控股煤业集团 潞新公司, 新疆 哈密 839000；3.徐州安云矿业科技有限公司， 江苏 徐州 221009； 4.朔州煤矿安全监察局， 山西 朔州 036006)

我国具有自然发火危险的煤矿所占比例大、覆盖面广[1]. 其中大倾角、特厚煤层综放工作面在开采过程中，受煤层赋存条件、过断层等因素影响，造成上行通风阻力大，增大了采空区漏风，且因综放开采遗煤较为破碎，共同加剧了采空区自然发火的几率。因此，如何预防类似开采条件下的采空区遗煤自然发火成为很多煤矿所面临的问题[2].

汾源煤业5-101工作面开采5#煤层，煤尘有爆炸危险性，且为Ⅱ类自燃煤层。受特厚煤层综放大倾角开采(平均35°)、顶板管理困难等综合因素影响，回采速度十分缓慢，可能导致工作面初采、缓慢推采及末采收作期间采空区存在极大的自然发火隐患，严重影响矿井的安全生产。由于工作面倾角较大，直管注氮不能保证氮气均匀分布在采空区，导致注氮效果下降；同时倾角过大也会对灌浆效果造成不利影响，出现扩散范围有限、浆液冲刷地面形成沟壑致使治理效果不佳、黄泥浆流入工作面区域影响生产、无法治理高位火源等问题。鉴于此，通过建立煤自燃监测与早期预报系统，提出“L”型注氮防灭火技术与注两相泡沫防灭火技术相结合的综合防灭火措施来解决5-101综放工作面所面临的采空区遗煤自燃问题，保证工作面的安全生产。

1 工作面概况

矿井现开采5-101综放工作面，煤层倾角平均35°；工作面倾向长度105 m； 5#煤层厚度为8～12 m，平均厚度为10.5 m. 采用U型后退式通风系统，5-1011巷进风，5-1012巷回风，采用上行通风，配风量870 m3/min. 根据5#煤层的鉴定结果可知，煤尘有爆炸危险性，煤层属于Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为57 d.

2 建立煤自燃监测与早期预报系统

2.1 矿井安全监控系统

矿井安装一套KJ70X型安全监控系统，对井下环境以及主要设备运行状态进行24 h实时数据监测，实现对CO、温度、烟雾等矿井火灾参数的动态监控，覆盖矿井各点。

2.2 束管监测系统

矿井安设型号为JSG8束管监测系统，该系统具备循环监测、自动化取气的优点，能够对井下采空区内的O2、CO、CO2、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等气体含量进行循环监测。根据汾源煤业提供的采空区“三带”研究划分结果，在回风顺槽上隅角沿采空区从开切眼开始，每隔30 m安设束管监测点，见图1.

图1 采空区监测束管布置示意图

2.3 人工检测和取样分析

为了弥补束管循环监测可靠性差的缺点，在建立以连续监测为特征的束管监测预测预报系统的同时，建立人工检测预报制度。在工作面回采过程中每天对工作面采空区、上隅角、回风巷和异常地点的气体进行采样分析温度探测。

3 综放工作面综合防灭火技术研究

3.1 “L”型注氮防灭火技术

“L”注氮防灭火技术的原理是利用氮气的窒息和抑爆作用稀释采空区内的氧气使其不发生自燃，并惰化采空区内的气体，使其失去可爆性[3].

3.1.1 “L”型注氮参数

注氮防灭火惰化指标：由于开采5#煤层为Ⅱ类自燃煤层，采空区防火惰化指标取7%，灭火惰化指标取3%. 采用开放式、连续性注氮方式，注氮量根据《煤炭矿井设计防火规范》(GB 51078—2015)计算,计算方式如下：

QN=60·Q0·(C1-C2)/(CN+C2-1)

式中,QN为注氮流量，m3/h；Q0为采空区氧化带内漏风量，m3/min，一般为5～20，取20；C1为采空区氧化带内原始氧浓度，%，一般为10～15，取10；C2为采空区惰化防火指标，%，取7；CN为注入的氮气浓度，%，取97. 计算得，QN=900 m3/h.

3.1.2 “L”型注氮管路布置方式

综放工作面注氮管路采用工作面倾向迈步式“L”型预埋方法，具体管路布置方式如下：

1) 从综放工作面进风巷每隔30 m沿工作面采空区倾向，在支架后部刮板输送机后预埋16根d50 mm无缝钢管连接的筛眼注氮管路，敷设管路在此处进行90°弯折。

2) 两趟注氮管路间隔30 m交替埋设，每埋进30 m开始注氮，埋进60 m时切断重新铺设如此循环，直到工作面回采结束(图2).

图2 综放工作面倾向迈步式预埋管路布置示意图

3.2 注两相泡沫防灭火技术

两相泡沫是近些年兴起的新型灭火材料，是由气(氮气或空气)、液(水)相经发泡而形成的具有一定分散体系的混合体。与注浆防灭火技术相比，其具有以下特点：1) 扩散性好，不会使浆液冲刷地面形成沟壑，不会大量流入工作面。2) 堆积性强，可治理高位火源[4].

3.2.1 两相泡沫的参数

1) 两相泡沫主要技术参数见表1.

表1 两相泡沫主要技术参数表

2) 制备工序。利用汾源煤业已有静压水系统，在水管路上通过定量添加泵将发泡剂压入浆液中与其充分混合，同时，在距离工作面一定距离处注浆管路上接入一台泡沫发生装置，将氮气接入发泡装置，随后便可产生均匀稳定的两相泡沫。

3) 灌注方式。每隔3天白班灌注8 h，灌注量计算方式如下：

Qs=λHLDK/8

式中，Qs为回采工作面灌两相泡沫量，m3/h；λ为注水耗损系数，取1.44；H为工作面平均遗煤厚度，m，取1.78；L为工作面长度，m，取105；D为3天的平均推进距离，m，取7.2；K为采空区垮落后孔隙率，取0.31. 计算得，Qs=600 m3/h.

4) 当工作面出现以下任何一种情况时，说明工作面采空区已出现煤自然发火征兆，必须进行阶段性灌注两相泡沫，直至工作面或下隅角出现两相泡沫外漏时停止灌注：a) 上隅角CO浓度≥24×10-6，呈连续上升趋势。b) 采空区CO浓度≥50×10-6，呈连续上升趋势。c) 出现C2H4或C2H2. d)采空区温度T≥35℃[5].

3.2.2 注两相泡沫管路布置方式

综放工作面注两相泡沫管路采用迈步式预埋方法，具体管路布置方式如下：

1) 在综放工作面回风巷预埋2趟d89 mm灌浆管路，迈步间距36 m. 当第1根埋入采空区36 m后，埋入第2根；当第2根埋入采空区36 m后，切断第1根并重新埋设，如此循环，直至工作面回采结束，见图3.

图3 5-101工作面迈步式预埋灌浆管路布置示意图

2) 灌浆释放口应高于巷道底板300 mm，与巷道保持平行。

3) 在工作面100 m的灌浆主管路上预留一个接口，便于安设泡沫发生装置。

4 综合防灭火技术应用效果

通过整理束管监测5-101工作面回采期间所收集的数据可知，自然发火指标性气体C2H2、C2H4从未出现，整理CO浓度数据可得图4.

图4 回采期间CO浓度变化曲线图

由图4可知，6月26日采取“L”型注氮防灭火技术和注两相泡沫防灭火技术后，CO浓度一直为0，对比自然发火指标气体检测报告结论可知，在工作面正常回采期至回采结束期间，5-101综放工作面采空区未出现煤自然发火的征兆。

5 结 论

通过建立煤自燃监测与早期预报系统，提出“L”型注氮防灭火技术与注两相泡沫防灭火技术相结合的综合防灭火技术体系来防治工作面火灾。根据回采期间的监测结果分析得出，采空区内遗煤未发生自然发火，证明“L”注氮防灭火技术与注两相泡沫防灭火技术相结合的综合防灭火技术能有效保障工作面的安全回采。