15117 综采工作面综合防灭火技术应用

陈文波

（山西新村煤业有限公司，山西 长治 046000）

煤层自燃是煤矿井下开采过程中常见事故之一[1-2]。回采工作面火灾事故不仅会烧毁工作面设备，火灾产生的有毒有害气体还会造成人员伤亡，并能诱发其他次生灾害，给矿井安全生产带来严重威胁[3-4]。据统计，煤层自燃引起的火灾事故约占矿井火灾事故的60%以上，因此，预防煤层自燃是防治矿井火灾事故发生的重要措施[5-6]。

1 工程概况

山西新村煤矿15117 工作面位于该矿151 采区，工作面标高为+1 117～+1 094 m，走向平均长度329 m，倾斜长度130 m，工作面北为西胶带巷，南为旧飞马矿采掘区域，西为151 采区回风巷，东为15111 回采工作面。工作面主采15 号煤层，厚度4.69～5.69 m，平均5.2 m，煤层顶底板情况如表1 所示。工作面采用综采低位放顶煤采煤工艺。15 号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ级，属自燃煤层，煤层最短发火期为74 d。

表1 15117 工作面煤层顶底板情况

2 综合防灭火措施

根据相关规程、规定，针对15117 工作面实际，结合常用防灭火技术特点，设计采用灌浆、喷洒阻化剂以及监测监控体系相结合的综合防灭火技术措施。

2.1 灌浆防灭火技术

煤矿灌浆防灭火就是把黏土、粉煤灰、粉碎的矸石等不燃性材料与水按照一定的比例混合、搅拌制成一定浓度的悬浮液，通过输浆管路利用动压或静压方式将浆液输送到井下防灭火区域，使浆液包裹住煤体，隔绝煤体与氧气接触，从而达到阻止煤炭氧化或扑灭已燃烧煤体的目的。

（1）灌浆方法

15117 工作面采用迈步式埋管灌浆法对工作面进行灌浆进行防灭火。工作面回采过程中，在采空区内预埋输浆管路向采空区内注入浆液 （出浆口距工作面的距离应不小于15 m，由高位向低位注浆），浆液流入采空区后将采空区内的遗煤进行包裹覆盖，阻断煤体与氧气接触，防止其发生自燃。注浆步距根据采空区三带测试结果而定，设计注浆步距为30 m。如图1 所示。

图1 工作面迈步式埋管灌浆

（2）主要灌浆参数

①灌浆时间

矿井采用“三八”工作制，每天8：00～16：00检修期间组织对工作面采空区进行灌浆，灌浆时长为8 h/d，可根据实际情况进行调整，如发现漏浆、溃浆，即可停止灌浆。根据工作面现场实际开采情况，若回采过程中出现有顶板淋水现象时，可降低注浆量或暂停注浆，如发现自燃征兆时，应加大灌浆量并延长灌浆时间。

②灌浆量计算

工作面灌浆量按下式计算：

式中：QW为注浆量，m3／h；k 为灌浆系数，根据矿井灌浆经验取4.5%；G 为工作面日产煤量，根据工作面实际生产情况取2 727 t；δ 为土水比的倒数，参考范围为3～5，取值越小，浆液流动性越低，故本处取5；M 为浆液制成率，根据经验值取0.9；t为矿井日注浆时间，8 h；rc为煤的密度，取1.42 t／m3。将上述参数代入公式（1）计算得出15117 工作面灌浆量QW=58.33 m3/h。

③灌浆管道验证

选用直径为DN100×4 mm（φ108）的无缝钢管，沿工作面回风巷底板铺设，灌浆靠输浆泵作为动力。

工作面输浆管实际流速为：

式中：v 为输浆管内浆液实际工作流速，m/s；Q 为工作面每小时所需的灌浆量，58.33 m3/h；d 为管路内直径，0.100 m，代入计算得v =2.064 m/s。

查表可知，DN100×4 管道，轻亚粘土土水比为1∶5 情况下，临界速度v临=1.860 m/s。实际工作流速v＞v临，由此证明选取的管路能够满足灌浆需求。

在满足注浆参数条件下注浆支管路可选择与主管路相同型号或直径小于主管路的无缝钢管。

2.2 阻化剂防灭火措施

（1）阻化剂防火机理

将一种或几种阻化剂溶液利用喷洒设备将其喷洒或灌注到工作面采空区遗煤上，在煤体上形成一层抗氧化保护膜，使煤炭和氧的亲合力降低，阻止或减缓采空区遗煤的氧化速度，达到矿井防火的目的。

（2）阻化剂防火工艺

在工作面进风顺槽距工作面切眼约80～100 m位置安装两个存放阻化剂药液的药箱，随着工作面推进向外挪移，喷洒药液时交替使用。将20%浓度的阻化剂药液倒进矿车内后，按照设计的比例向矿车内加入清水，配制成溶剂并搅拌均匀，利用顺槽内安装的液压泵站将阻化剂溶液通过安装在巷道及运输机电缆槽下方的φ25 mm 高压胶管输送到工作面；在工作面高压胶管上每间隔20 m 安装一个三通截止阀，在截止阀上安装φ13 mm 的高压胶管，并在胶管上安装喷枪，喷洒药液时由专人负责使用喷枪向工作面采空区内进行喷洒。工作面每天喷洒一次阻化剂，回采过程中遇断层或停产、工作面收尾等特殊情况时，需根据现场情况增加工作面喷洒阻化剂频次。阻化剂溶液喷洒系统如图2 所示。

图2 工作面阻化剂喷洒系统

（3）阻化剂喷洒量

工作面每次喷洒药液用量可用公式（3）计算：

式中：V 为一次喷洒阻化剂用量，m3；Qy为吨煤用液量，0.04～0.06 m3/t，取0.05 m3/t；η 为工作面丢煤率，%，根据矿井经验值取20；ρc为煤的密度，取1.42 t/m3；L 为工作面长度，取13 0 m；H 为工作面回采高度，取2.6 m；S 为工作面日推进度，取2.4 m。

则15117 工作面日喷洒药液量为：V=11.52 m3。

2.3 预测预报技术

（1）预测预报指标

根据《煤层自然发火标志气体及临界值测定报告》：

①15 号煤层的自燃预测预报的标志性指标气体为CO、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6和C2H2，其中以CO、C2H6、C2H4、C3H8、C3H6和C2H2为主预测指标，并辅以CO、C2H4、和C2H2来掌握煤炭自燃情况。

②CO 的出现表明煤已经进入缓慢氧化阶段，煤温已经达到30℃以上，如果CO 浓度上升速率较慢，说明煤温还在70℃以下，否则在70℃（含）以上。

③15 号煤层测试煤样出现C2H6、C2H4、C3H8、C3H6的临界温度为150℃左右。当现场检测到其中一种或多种气体出现，则可证明此时煤体的温度已超过上述气体的临界温度值（150℃），存在火灾风险，应当快速采取相应的防治技术措施。

④当检测到C2H2时，表明工作面采空区内的煤炭温度已经达到233℃以上，进入激烈氧化阶段，采空区煤炭已出现自燃现象，需采取相应的防灭火措施。

（2）矿井火灾监测系统

束管监测。束管监测系统是一项早期预报内因火灾的有效装置。该系统通过将工作面采空区内的气样采集到地面并利用气体分析仪对气体成分进行分析，达到防灭火预测预报的目的。

新村煤矿15 号煤层采空区自燃三带的范围为：散热带＜28 m；氧化带28～76 m；窒息带＞76 m。因此，在工作面回风隅角布置1 个束管监测点（1#），该测点随着工作面向前推进而向外进行移动，监测气体组分和浓度；采空区内的监测点沿回风顺槽外帮铺设一趟束管，每隔40 m 左右安设一个束管采样头；共设4 个监测点。当工作面向前回采时，2#、3#束管采样头依次进入采空区内，可对采空区80 m 范围内的气体进行采集监测分析。当1#测点进入采空区40 m 后，将3#测点断开，重新布置测点，按照此方法依次进行循环到工作面回采结束，如图3 所示。

图3 采空区束管监测测点布置

（3）人工监测及采样

在工作面其他没有布置束管但需要进行气体检测的地点，如密闭、煤壁裂隙处等，可采用人工采样和测量的方法进行监测分析。分析气体成分及浓度时人工使用气相色谱仪进行监测，主要分析O2、CO、CO2、C2H6、C2H4、C2H2等自燃标志气体。

（4）安全监测监控系统

安全监控系统可以对工作面CO、O2、CO2等环境参数进行连续监测，根据这些气体参数的变化进行煤层火灾的预报。在有自燃倾向煤层的掘进工作面和回采工作面必须需设置CO 传感器和温度传感器对采空区或回风流中CO 和温度进行实时监测。同时配备一氧化碳检测器，派专人在工作面及其回风流中进行检测，每班检测1 次并做好记录，发现异常情况马上报告安全管理人员和矿技术负责人。

3 应用效果分析

15117 综放工作面采用综合防灭火技术对工作面采空区进行防治后，在工作面正常回采过程中采空区内的CO 浓度处于16×10-6以下，除CO外，未监测到其他煤层自燃产生的标志性气体，由此可判断出工作面回采过程中采空区未出现过自燃现象，说明防治效果达到预期效果。2022 年10月份15117 工作面因故停产，在工作面停产期间束管监测系统监测发现，工作面采空区内CO 浓度有逐步上升趋势，最高浓度达到64×10-6，说明采空区内遗煤发生氧化。根据工作面制定的综合防灭火措施，对工作面采空区进行注浆，每天注浆8小时，每天注浆量约467 m3。同时每天三班对采空区各喷洒一次阻化剂，每次喷洒药液量约12 m3。在工作面停产期间通过束管监测系统对采空区60 m 处（氧化带范围内）的CO 和O2浓度进行监测，结果如图4 所示。通过对采空区进行灌浆和喷洒阻化剂后，CO 浓度大幅度降低，由原来最高64×10-6降低到20×10-6以下，防治效果较为明显。

图4 15117 工作面采空区气体浓度变化

4 结语

针对山西新村煤矿15117 综放工作面回采过程中存在自然发火问题，结合工作面实际开采情况，制定了采空区灌浆、喷洒阻燃剂、预测预报等综合防灭火技术措施。在工作面正常回采期间CO 浓度处于16×10-6以下；工作面因故停产期间，采取综合防灭火措施后，工作面采空区CO 浓度由原来最高64×10-6降低到20×10-6以下，采空区未监测到其他煤层自燃的标志性气体，工作面回采及停产期间未发生煤层自燃现象，达到了工作面防灭火预期效果。该技术的成功应用为类似条件下采煤工作面自然发火防治提供了参考，具有推广应用价值。