徐庄煤矿7311工作面综合防灭火技术应用

李广军

（上海大屯能源股份有限公司，江苏 徐州 221000）

矿井火灾作为矿井主要灾害，一旦发生，将造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。在矿井火灾防治过程中要结合矿井地质条件，采煤工艺以及其他灾害叠加的机理和规律，采用合理的防灭火方法[1-3]，才能使矿井火灾得到有效的治理，确保煤矿的安全生产。

1 工作面概况

上海大屯能源股份有限公司徐庄煤矿核定生产能力1.8 Mt/a。矿井通风方式为混合式，主、副井进风，南风井、西风井回风，通风方法为抽出式通风；瓦斯鉴定等级为低瓦斯矿井，7#煤层自燃倾向性为Ⅱ类，最短自然发火期为 57 d；煤尘具有爆炸危险性。7311工作面为综采放顶煤工作面，走向长度1265 m，倾向长度74～230 m，平均煤层倾角27.2°，平均采高4.8 m。

2 工作面火情概述

7311工作面存在三条主要断层横穿该工作面，断层落差均大于3 m、小于10 m。该工作面不规则布置，即回采至中段会出现大、小面对接的情况。同时，回采期间，通过7215废放水巷与上部老空区多条巷道联通，存在许多漏风通道。

由于推进速度缓慢，造成了采空区遗煤氧化速度增加、煤温上升，导致了采空区深部遗煤氧化产生的CO气体运移、外溢至回风隅角处，实测下隅角切顶线处CO气体浓度（1.2～1.4）×10-4。

3 工作面自燃危险区域判定

3.1 半导体测温与束管取样分析

工作面共布置5个测点，平均间隔约50 m。每个测点埋设一用一备2个温度传感器和2根束管。温度传感器采用AD590集成半导体温度传感器；束管为内径6～8 mm的聚氯乙烯塑料管。每日早班采集一次温度和气样，并记录推进速度。

图1 测温取样测点布置示意图

3.2 采空区“三带”分布分析

3.2.1 用自燃氧化温升速率K划分“三带”

温升速率K是指每一天温度上升值℃/d，通常认为K≥1 ℃/d就进入自燃带。据此，划分“三带”见表1。

表1 依温升速率K划分采空区“三带”分布表

3.2.2 用氧气浓度大小划分“三带”

利用氧气浓度划分采空区自燃“三带”，采用的划分依据一般为：散热带的氧气浓度＞19%，自燃带的氧气浓度在8%～19%之间，窒息带的氧气浓度＜8%。据此，划分“三带”见表2。

表2 依氧气浓度大小划分采空区“三带”分布表

3.2.3 基于CFD模型的自燃危险区域模拟

CFD模型是采用商业化计算流体力学软件Fluent来模拟采空区气体的移动规律。根据7311工作面的物理特征建立CFD模型，采空区氧气浓度分布如图2，反映了采空区高氧区域呈典型的“U”型分布。由此可知，煤自然发火的威胁通常大多来自于上、下两道处遗煤，此应是防灭火工作的重点区域。

图2 采空区氧气浓度分布云图

4 综合防灭火技术应用

4.1 均压防灭火技术

均压防灭火技术的一个特点就是控制采空区漏风通道进、回风侧两端的风压差，以控制漏风、控制风流交换、控制有害气体的涌出。

4.1.1 均压防灭火技术方案

全井共布置相关压能测点55个，通过压能测定与现状分析，确定方案：撤除7311溜子道出口47～48点之间的调节风门，于7311材料道出口（43～44点之间）构筑2道均压调节风门，分别构筑在Ⅱ⑴采区通风上山一甩道、Ⅱ⑴采区轨道上山一甩道的两处巷道内。

4.1.2 均压防灭火效果分析

7311工作面实施均压通风以后，上隅角与7215废旧放水巷墙外之间的压能差由861.03 Pa减小到482.47 Pa；上、下隅角之间的压能差由44.79 Pa减小到11.25 Pa＜20 Pa，减少了往采空区、老空区的漏风量，达到了窒息惰化或抑制遗煤自然发火的良好效果。7311工作面均压前后压能变化图如图3。

图3 7311工作面通风系统压能图

4.2 CO2防灭火技术

4.2.1 CO2防灭火原理简述

采空区氧化自燃带被CO2惰化时，注入该自燃带的CO2由于其密度大于O2和N2，便占据自燃带上方空间的下部，形成了CO2惰化带，破坏了遗煤的氧化燃烧反应所需的供氧条件，使煤的氧化燃烧反应得以迅速停止。

4.2.2 CO2注气量计算

7311工作面采用开放式注入方式，实施“边采、边注、边防治采空区发火”的方法。据此，防灭火用CO2体积注入量，其计算过程如下：

（1）氧化自燃带气体置换总量为：

V=L1×L2×L3×K1×K2

式中：V为氧化自燃带需要由CO2置换的体积总量，m3；L1为氧化自燃带走向宽度，83.1 m；L2为工作面倾斜长度，230 m；L3为工作面采高（采高加放顶煤高度），4.8 m；K1为氧化自燃带气体置换系数，取2.5；K2为由顶板岩石冒落松散引起的采空区空间体积缩小系数，取0.85。

相应的，所需的液态CO2质量（设CO2由液态换算成气态的膨胀率为500 m3/t）为：m=V/500=390 t。

（2）氧化自燃带气体置换时间为：

式中：t为置换时间，h；V为由惰气置换的体积总量，m3；QDm为初始注入量即装备提供的最大注入量，矿备有2000 m3/h型CO2气化装备一台。

（3）日常注入量为：

式中：QD为日常惰气注入量，m3/h；Q漏为采空区氧化自燃带漏风量，16 m3/min；C1为采空区氧化自燃带内原始平均O2浓度，一般取15%；C2为氧化自燃带惰化防火所需的O2浓度指标，一般取10%；CD为惰气纯度，CO2纯度取99%以上；K为CO2注入量备用系数，取1.2～1.5。

4.2.3 CO2防灭火效果分析

煤对CO2的吸附能力，是N2的6倍，进而使煤被CO2包裹，并隔离O2，阻止采空区遗煤的氧化反应，防灭火效果更为显著。N2和CO2两种惰气的性质及其阻燃、阻爆性能对比分析数据见表3。

表3 N2和CO2性质及其阻燃、阻爆性能对比表

图4 7311工作面压注二氧化碳示意图

4.3 凝胶泡沫防灭火技术

4.3.1 凝胶泡沫防灭火材料特性及技术参数

灌注凝胶泡沫防灭火材料具有含水率高、保水降温性好、凝结黏附性强、封堵隔氧效果优、易于扩散等性能，同时含有多种离子和分子，能够于煤体表面可提供电子的活性结构发生化学吸附而形成络合物，从而使煤表面活性结构失去活性。普瑞特Ⅰ型凝胶泡沫防灭火材料技术参数见表4。

表4 普瑞特Ⅰ型凝胶泡沫技术参数表

4.3.2 凝胶泡沫防灭火技术方案

根据气体检测结果确定7311工作面下部切眼处80 m长度范围的架后深部遗煤区为重点治理区域。技术方案：工作面措施性停采后，通过架间布置高位配合钻孔通过注氮管路向重点灭火区域灌注凝胶泡沫防灭火材料。

高位配合钻孔布置设计：在工作面下部50架液压支架长度80 m范围内，每隔3台支架在架间布置一组钻孔，每组钻孔由3个配合钻孔组成，开孔位置一般控制架间前后立柱中间位置，终孔位置分别控制到架后15 m、20 m、30 m位置，煤层顶板之上2～3 m的高度范围。

图5 工作面架间钻孔布置示意图

4.3.3 凝胶泡沫防灭火效果分析

凝胶泡沫中的气体采用氮气，注入在采空区的氮气被封装在泡沫之中，当泡沫破灭后，氮气充斥在采空区中，降低了采空区的氧气浓度。因此，持续的注凝胶泡沫，能有效地将采空区氧气浓度控制在5%以下，长时间地保持采空区的惰化状态，使煤的自燃因缺氧而窒息，从而抑制煤体的自燃。普瑞特Ⅰ制备工艺流程如图6。

图6 普瑞特Ⅰ制备工艺流程图

5 结论

在7311工作面开采过程中，通过划分工作面采空区自燃“三带”，采用均压防灭火、CO2防灭火、凝胶泡沫防灭火等综合防灭火技术，使采空区遗煤自燃得到快速治理，确保了工作面的安全回采。