麻 強，梁建國，張亞波，杜志鐸

(1.霍州煤電集團 汾源煤業(yè)有限公司， 山西 忻州 035100； 2.晉能控股煤業(yè)集團 潞新公司, 新疆 哈密 839000；3.徐州安云礦業(yè)科技有限公司， 江蘇 徐州 221009； 4.朔州煤礦安全監(jiān)察局， 山西 朔州 036006)

我國具有自然發(fā)火危險的煤礦所占比例大、覆蓋面廣[1]. 其中大傾角、特厚煤層綜放工作面在開采過程中，受煤層賦存條件、過斷層等因素影響，造成上行通風阻力大，增大了采空區(qū)漏風，且因綜放開采遺煤較為破碎，共同加劇了采空區(qū)自然發(fā)火的幾率。因此，如何預防類似開采條件下的采空區(qū)遺煤自然發(fā)火成為很多煤礦所面臨的問題[2].

汾源煤業(yè)5-101工作面開采5#煤層，煤塵有爆炸危險性，且為Ⅱ類自燃煤層。受特厚煤層綜放大傾角開采(平均35°)、頂板管理困難等綜合因素影響，回采速度十分緩慢，可能導致工作面初采、緩慢推采及末采收作期間采空區(qū)存在極大的自然發(fā)火隱患，嚴重影響礦井的安全生產(chǎn)。由于工作面傾角較大，直管注氮不能保證氮氣均勻分布在采空區(qū)，導致注氮效果下降；同時傾角過大也會對灌漿效果造成不利影響，出現(xiàn)擴散范圍有限、漿液沖刷地面形成溝壑致使治理效果不佳、黃泥漿流入工作面區(qū)域影響生產(chǎn)、無法治理高位火源等問題。鑒于此，通過建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)，提出“L”型注氮防滅火技術(shù)與注兩相泡沫防滅火技術(shù)相結(jié)合的綜合防滅火措施來解決5-101綜放工作面所面臨的采空區(qū)遺煤自燃問題，保證工作面的安全生產(chǎn)。

1 工作面概況

礦井現(xiàn)開采5-101綜放工作面，煤層傾角平均35°；工作面傾向長度105 m； 5#煤層厚度為8～12 m，平均厚度為10.5 m. 采用U型后退式通風系統(tǒng)，5-1011巷進風，5-1012巷回風，采用上行通風，配風量870 m3/min. 根據(jù)5#煤層的鑒定結(jié)果可知，煤塵有爆炸危險性，煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為57 d.

2 建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)

2.1 礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安裝一套KJ70X型安全監(jiān)控系統(tǒng)，對井下環(huán)境以及主要設(shè)備運行狀態(tài)進行24 h實時數(shù)據(jù)監(jiān)測，實現(xiàn)對CO、溫度、煙霧等礦井火災參數(shù)的動態(tài)監(jiān)控，覆蓋礦井各點。

2.2 束管監(jiān)測系統(tǒng)

礦井安設(shè)型號為JSG8束管監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)具備循環(huán)監(jiān)測、自動化取氣的優(yōu)點，能夠?qū)虏煽諈^(qū)內(nèi)的O2、CO、CO2、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6等氣體含量進行循環(huán)監(jiān)測。根據(jù)汾源煤業(yè)提供的采空區(qū)“三帶”研究劃分結(jié)果，在回風順槽上隅角沿采空區(qū)從開切眼開始，每隔30 m安設(shè)束管監(jiān)測點，見圖1.

圖1 采空區(qū)監(jiān)測束管布置示意圖

2.3 人工檢測和取樣分析

為了彌補束管循環(huán)監(jiān)測可靠性差的缺點，在建立以連續(xù)監(jiān)測為特征的束管監(jiān)測預測預報系統(tǒng)的同時，建立人工檢測預報制度。在工作面回采過程中每天對工作面采空區(qū)、上隅角、回風巷和異常地點的氣體進行采樣分析溫度探測。

3 綜放工作面綜合防滅火技術(shù)研究

3.1 “L”型注氮防滅火技術(shù)

“L”注氮防滅火技術(shù)的原理是利用氮氣的窒息和抑爆作用稀釋采空區(qū)內(nèi)的氧氣使其不發(fā)生自燃，并惰化采空區(qū)內(nèi)的氣體，使其失去可爆性[3].

3.1.1 “L”型注氮參數(shù)

注氮防滅火惰化指標：由于開采5#煤層為Ⅱ類自燃煤層，采空區(qū)防火惰化指標取7%，滅火惰化指標取3%. 采用開放式、連續(xù)性注氮方式，注氮量根據(jù)《煤炭礦井設(shè)計防火規(guī)范》(GB 51078—2015)計算,計算方式如下：

QN=60·Q0·(C1-C2)/(CN+C2-1)

式中,QN為注氮流量，m3/h；Q0為采空區(qū)氧化帶內(nèi)漏風量，m3/min，一般為5～20，取20；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)原始氧濃度，%，一般為10～15，取10；C2為采空區(qū)惰化防火指標，%，取7；CN為注入的氮氣濃度，%，取97. 計算得，QN=900 m3/h.

3.1.2 “L”型注氮管路布置方式

綜放工作面注氮管路采用工作面傾向邁步式“L”型預埋方法，具體管路布置方式如下：

1) 從綜放工作面進風巷每隔30 m沿工作面采空區(qū)傾向，在支架后部刮板輸送機后預埋16根d50 mm無縫鋼管連接的篩眼注氮管路，敷設(shè)管路在此處進行90°彎折。

2) 兩趟注氮管路間隔30 m交替埋設(shè)，每埋進30 m開始注氮，埋進60 m時切斷重新鋪設(shè)如此循環(huán)，直到工作面回采結(jié)束(圖2).

圖2 綜放工作面傾向邁步式預埋管路布置示意圖

3.2 注兩相泡沫防滅火技術(shù)

兩相泡沫是近些年興起的新型滅火材料，是由氣(氮氣或空氣)、液(水)相經(jīng)發(fā)泡而形成的具有一定分散體系的混合體。與注漿防滅火技術(shù)相比，其具有以下特點：1) 擴散性好，不會使?jié){液沖刷地面形成溝壑，不會大量流入工作面。2) 堆積性強，可治理高位火源[4].

3.2.1 兩相泡沫的參數(shù)

1) 兩相泡沫主要技術(shù)參數(shù)見表1.

表1 兩相泡沫主要技術(shù)參數(shù)表

2) 制備工序。利用汾源煤業(yè)已有靜壓水系統(tǒng)，在水管路上通過定量添加泵將發(fā)泡劑壓入漿液中與其充分混合，同時，在距離工作面一定距離處注漿管路上接入一臺泡沫發(fā)生裝置，將氮氣接入發(fā)泡裝置，隨后便可產(chǎn)生均勻穩(wěn)定的兩相泡沫。

3) 灌注方式。每隔3天白班灌注8 h，灌注量計算方式如下：

Qs=λHLDK/8

式中，Qs為回采工作面灌兩相泡沫量，m3/h；λ為注水耗損系數(shù)，取1.44；H為工作面平均遺煤厚度，m，取1.78；L為工作面長度，m，取105；D為3天的平均推進距離，m，取7.2；K為采空區(qū)垮落后孔隙率，取0.31. 計算得，Qs=600 m3/h.

4) 當工作面出現(xiàn)以下任何一種情況時，說明工作面采空區(qū)已出現(xiàn)煤自然發(fā)火征兆，必須進行階段性灌注兩相泡沫，直至工作面或下隅角出現(xiàn)兩相泡沫外漏時停止灌注：a) 上隅角CO濃度≥24×10-6，呈連續(xù)上升趨勢。b) 采空區(qū)CO濃度≥50×10-6，呈連續(xù)上升趨勢。c) 出現(xiàn)C2H4或C2H2. d)采空區(qū)溫度T≥35℃[5].

3.2.2 注兩相泡沫管路布置方式

綜放工作面注兩相泡沫管路采用邁步式預埋方法，具體管路布置方式如下：

1) 在綜放工作面回風巷預埋2趟d89 mm灌漿管路，邁步間距36 m. 當?shù)?根埋入采空區(qū)36 m后，埋入第2根；當?shù)?根埋入采空區(qū)36 m后，切斷第1根并重新埋設(shè)，如此循環(huán)，直至工作面回采結(jié)束，見圖3.

圖3 5-101工作面邁步式預埋灌漿管路布置示意圖

2) 灌漿釋放口應高于巷道底板300 mm，與巷道保持平行。

3) 在工作面100 m的灌漿主管路上預留一個接口，便于安設(shè)泡沫發(fā)生裝置。

4 綜合防滅火技術(shù)應用效果

通過整理束管監(jiān)測5-101工作面回采期間所收集的數(shù)據(jù)可知，自然發(fā)火指標性氣體C2H2、C2H4從未出現(xiàn)，整理CO濃度數(shù)據(jù)可得圖4.

圖4 回采期間CO濃度變化曲線圖

由圖4可知，6月26日采取“L”型注氮防滅火技術(shù)和注兩相泡沫防滅火技術(shù)后，CO濃度一直為0，對比自然發(fā)火指標氣體檢測報告結(jié)論可知，在工作面正常回采期至回采結(jié)束期間，5-101綜放工作面采空區(qū)未出現(xiàn)煤自然發(fā)火的征兆。

5 結(jié) 論

通過建立煤自燃監(jiān)測與早期預報系統(tǒng)，提出“L”型注氮防滅火技術(shù)與注兩相泡沫防滅火技術(shù)相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)體系來防治工作面火災。根據(jù)回采期間的監(jiān)測結(jié)果分析得出，采空區(qū)內(nèi)遺煤未發(fā)生自然發(fā)火，證明“L”注氮防滅火技術(shù)與注兩相泡沫防滅火技術(shù)相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)能有效保障工作面的安全回采。