大傾角易燃特厚煤層傾斜分層開采礦井綜合防滅火技術

［摘要］東峽煤礦煤層屬大傾角特厚煤層，礦井火災防治是東峽煤礦“一通三防”管理的重點和難點，本文著重從化學物理方法防治礦井內(nèi)因火災方面，介紹了東峽煤礦特定自然生產(chǎn)條件下綜合防滅火技術的應用情況。

［關鍵詞］大傾角；易燃煤層；綜合防滅火

1 概述

東峽煤礦開拓方式為片盤斜井，煤層屬大傾角特厚煤層，煤層厚度主采煤層煤6—1m，煤6—2，煤層傾角28～42°。目前礦井采用走向長壁傾斜分層全部跨落法采煤，炮采工作面使用荊芭假項，留設0.5～0.8m厚的煤皮回采，無黃泥再生項板。

礦井為低沼氣礦井，沼氣絕對涌出量1.64m3／min，相對涌出量為1.93m3/t。煤質屬于低灰、低硫、高揮發(fā)份長焰煤，揮發(fā)份高達43.5％，煤塵具有強爆炸性，煤層易自燃發(fā)火，自燃發(fā)火期3～6個月，最短為37d，采用綜合防滅火技術防治自燃發(fā)火.

礦井通風方式為中央并列式，總進風量為2070m3／min，總回風量為2170m3／min，使用BD-II-6NO.16型高效節(jié)能對旋式軸流風機，配套電機75*2kw，礦井負壓42mmH2O，有效風量率89.4％。回采工作面采用一源一匯的U型通風方式。

2 礦井自燃發(fā)火情況

東峽煤礦自燃發(fā)火情況十分嚴重，自礦井投產(chǎn)后10年，每年有8～10次自燃發(fā)火，近10年因采煤方法的改革和綜合防滅火技術的深入開展，礦井百萬噸發(fā)火率明顯減小，平均每年有1～2次的內(nèi)因火災。

3防滅火技術

礦井內(nèi)因火災的防治方法，按其原理來分，有化學物理方法和技術物理方法兩種，前者即利用化學阻化與填充劑，減弱煤的化學活性或阻止氧與煤作用，減少反應面，降低氧化能力，抑制氧化反應進行，如阻化劑防火，灌漿和注水防滅火等。而后者則是應用礦井開采技術知識，在礦井設計、建井和生產(chǎn)管理的各個環(huán)節(jié)中，采取一系列有效的技術措施，來控制自燃因素的產(chǎn)生和發(fā)展，以達到增加礦井先天性的防火能力，如提高回采率和應用無煤柱開采技術減少自燃的物質基礎；采用先進的工藝流程和技術管理，提高回采速度，減少采空區(qū)自燃帶穩(wěn)定時間等。

東峽煤礦在積極采取開采技術防滅火措施的同時，依據(jù)礦井自然條件和開采條件，深入開展了化學物理方法進行礦井火災防治，取得了較好的效果。

3.1灌漿防滅火

灌漿防滅火是東峽煤礦綜合防滅火的一項主要技術，在礦井生產(chǎn)過程中，無論是防火還是滅火，都發(fā)揮了積極作用。

3.1.1灌漿防火

東峽煤礦屬急傾斜特厚煤層傾斜分層開采，因煤層項底板較堅硬，無需灌漿生成再生頂板，加之回采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火不是特別嚴重，同時，因大傾角工作面采空區(qū)注漿時，漿液在采空區(qū)內(nèi)流動情況難以控制，特別是在煤層底板，有起伏變化時，漿液在采空區(qū)分布不均勻；當工作面傾斜長度大時，灌漿效果差，并常常發(fā)生泥漿或廢水泄出，流入工作面，使工作面溜子道變?yōu)椤傲魉馈?。因此，東峽煤礦灌漿形式采用采后封閉灌漿，即在工作面回采跨過上下部進回風1周內(nèi)，對石門進行永久封閉，并預埋好注漿管，當工作面推進距石門50～70m時，及時向回風石門沿傾斜方向對采空區(qū)進行灌漿，使其形成沿走向的泥漿帶。如圖1所示：

圖1對采空區(qū)進行灌漿示意圖

3.1.2灌漿滅火

巷道發(fā)火是東峽煤礦礦井主要發(fā)火地點，占總發(fā)火數(shù)的50％以上，而巷道發(fā)火尤以回采工作面進風石門端頭及石門端頭口以里20m范圍的運輸溜子道最為嚴重，如圖2所示：

圖2石門端頭及溜子道發(fā)火點示意圖

當石門端頭或以里溜子道已經(jīng)出現(xiàn)高溫，冒煙等發(fā)火征兆及形成火區(qū)時，采用封閉火區(qū)反灌漿法進行滅火，如圖3所示，在石門端頭做一道密閉，然后根據(jù)火區(qū)位置及范圍，在運輸機石門適當位置打鉆注漿。這種滅火方法只要找準火區(qū)位置，滅火速度相當快，大大縮短了影響生產(chǎn)的時間。

圖3封閉火區(qū)反灌漿滅火

3.2阻化劑預防采空區(qū)自燃發(fā)火

阻化劑是國內(nèi)普遍采用的一種防滅火材料，對其阻化效果的評價主要有兩個指標，一是阻化率，二是阻化壽命。東峽煤礦煤質屬長焰低硫煤，自燃發(fā)火期3～6個月，最短37d，因此阻化劑選用氯化鎂。

東峽煤礦工作面長度較長，一般為85～110m，因工作面中段頂板跨落程度好，而上下老塘15m范圍內(nèi)頂板跨落不及時，空頂距離大，且該地點也是工作面采空區(qū)漏風源及漏風點，因此其發(fā)火的機率較大，為了提高阻化劑預防采空區(qū)自燃發(fā)火的效果和做好重點區(qū)域防范，將移動式汽霧阻化設備安裝在工作面下巷，利用漏風將霧化的阻化劑霧氣送入采空區(qū)。其優(yōu)點是，阻化劑的霧粒能隨漏風深入采空區(qū)內(nèi)部，在漏風范圍內(nèi)阻化劑分布均勻，能夠使采空區(qū)在較長時間保持空氣溫度，因而具有較好的阻化效果；同時噴霧點在下老塘，沉落的大量阻化劑對工作面下老塘的自燃發(fā)火做到了重點防范。

東峽煤礦這種工藝方法施工組織簡單，防滅火成本低，突出重點，防滅火效果良好。

3.3注氮防滅火

東峽煤礦由于防滅火方法和手段比較單一，防滅火裝備相對落后，并受灌漿土源不足的限制，工作面跨石門灌漿防滅火在一定程度上受到限制，加之礦井開采規(guī)模的不斷擴大，工作面的接替速度相當快，給工作面分層開采防治自燃發(fā)火帶來更大的困難。此外，由于礦井綜采放項煤開采方法的實現(xiàn)，必將為礦井防滅火提出更高的要求，所以東峽煤礦建立了注氮防滅火系統(tǒng)。

東峽煤礦通過對目前國內(nèi)各種注氮設備技術性能參數(shù)比較分析，結合開采水平下移速度快的特點，選用井下移動式變壓吸符碳分子篩注氮機。

3.3.1采空區(qū)注氮防火

工作面采空區(qū)注氮防火的關鍵技術在于準確測定工作面采空區(qū)“三帶”分布，合理確定注氮參數(shù)和注氮工藝，及時掌握注氮時機，將采空區(qū)自燃發(fā)火消除在萌芽狀態(tài)。

東峽煤礦注氮方式選用非連續(xù)性注氮，即待采空區(qū)出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆后再向采空區(qū)注氮。這主要源于東峽煤礦火災柬管監(jiān)測系統(tǒng)性能穩(wěn)定，可靠，能及時、準確地進行自燃早期預報，根據(jù)歷年發(fā)火統(tǒng)計情況來看，回采工作面采空區(qū)發(fā)火率較小，綜采面推進速度較快，因此采用非連續(xù)性注氮方式。

（1）注氮參數(shù)選擇 ①注氮方法根據(jù)巷道布置方式，回采工作面采空區(qū)采用鉆孔注氮的局限性較大，不易實現(xiàn)，故采用壓管注氮方法，即注氮管口由進風順槽壓埋在采空區(qū)，借助漏風將注入的氮氣散布在采空區(qū)內(nèi)。 ②注氮口的位置注氮口位置選擇至關重要，依據(jù)對綜采面特定條件下的采區(qū)“三帶”測定結果，采空區(qū)漏風帶寬度為40m，因此注氮口位置選擇在氧化帶的中部最為合理，即選在距工作面煤壁30m處。 ③埋管布置、移動方式工作面注氮管路布置如圖4所示。
圖4工作面注氮管路布置由注氮方式、注氮方法的選擇確定：注氮管由工作面進風順槽接至采空區(qū)25m深處，采空區(qū)外露出的鋼管為15m并隨工作面的前移，在鋼管的進氣口端焊上拉鉤，用進風順槽的回柱絞車將采空區(qū)埋管拖動前移，始終保持鋼管出氣口距工作面煤壁25m，保證注氮口位于采空區(qū)氧化帶中心部位，待注氮時機成熟時，接通注氮管路向采空區(qū)注入氮氣進行滅火。由于拖管壓在采空區(qū)的深度較長，用回柱絞車拉動拖管時，因壓力較大，很可能拉斷拖管。因此拖管需采用厚壁優(yōu)質無縫鋼管，考慮到氮氣輸送速度，可用φ89mm，壁厚為10mm的無縫鋼管，其連接處為便于拖動，采取直接焊接，不可用法蘭盤連接。 ④注氮強度按采空區(qū)防火時氧化帶惰化氧含量計算，為326.4m3/h。

（2）防火注氮時機

綜采注氮防滅火系統(tǒng)的建立，為礦井火災防治提供有力的物質保障，而非連續(xù)性注氮防滅火的關鍵是注氮時機的準確判斷，即如何及時準確的預測，預報采空區(qū)自燃發(fā)火的信息，盡早實施注氮防滅火措施，把火災消除在萌芽狀態(tài)。

在火災的預測預報方面有著較為先進的設備和成熟的經(jīng)驗，特別是火災束管監(jiān)測系統(tǒng)在火災防治方面發(fā)揮了巨大作用。因此對該系統(tǒng)進行了進一步改造完善，充分利用該系統(tǒng)監(jiān)測回采工作面及采空區(qū)等地點的氣體成分等，特別是一些火災指標氣體，進行注氮時機成熟與否的判斷。根據(jù)煤層自燃發(fā)火的特點及火災預測預報的經(jīng)驗，確定以下防火注氮時機：

①人體生理感覺。主要指嗅覺、視覺和感覺。 ②指標氣體。一當工作面下隅角和回風流出現(xiàn)CO氣體，其含量向上遞增，達到60PPm時，必須立即注氮。 ③當工作面在回采過程中，未達到正常每天少于2.4推進速度時，必須及時注氮，直到推進速度正常。 ④工作面測溫地點溫度高于進風風流溫度5～10℃；放煤溫度高于30℃時必須立即注氮。

（3）注氮終結

按氧化帶氧含量惰化指標為7％，最大注氮量400m3/h計算，則最少注氮時間按下式計算：

Qn=QC1/C2—Q

式中Qn為惰化采空區(qū)氧化帶的注氮量；C1為采空區(qū)氧化帶平均氧含量，取15％；C2為采空區(qū)氧化帶防火惰化指標，為7％；Q為氧化帶體積。

Q=氧化帶寬度×工作面長度×采高×采空區(qū)密實系數(shù)

=30×100×3.4×0.7=7140m3

則QN=8160m3

制氮機最大流量為400m3/h，則每次惰化采空區(qū)氧化帶至少需要時間t=Qn/Qmax=8160／400=21h。

3.3.2注氮滅火

礦井火災的發(fā)生是一個復雜的過程，火災發(fā)生的原因不同，地點不同，發(fā)火嚴重程度不同，注氮滅火的方法也不同。

結合礦井自燃發(fā)火的特點及國內(nèi)注氮滅火技術，注氮滅火采取以下幾種方法。

（1）巷道目標注氮滅火

當工作面巷道在掘進過程中有穿層穿入上分層采空區(qū)，或在回采過程中形成高冒區(qū)而形成自燃發(fā)火時，若火源位置能夠準確判定，為了不影響生產(chǎn)，可以不進行封閉巷道，直接向火源打鉆注氮，氮氣釋放口離火源目標的距離不超過5m，注氮量為200～400m3/h，注氮時間一般為1～3d。

（2）巷道封閉注氮

根據(jù)多年來自燃發(fā)火情況統(tǒng)計來看，巷道發(fā)火占發(fā)火次數(shù)的60％以上，而石門端頭自燃發(fā)火則占巷道發(fā)火的90％以上。因此當石門端頭出現(xiàn)自燃發(fā)火時，可采用封閉注氮的方法滅火。即在石門端頭做一道磚密閉，在墻體中上部預插注氮管，在上部插好氣體監(jiān)測管和水柱計，以便進行注氮后火區(qū)氣體的檢測分析，判明火區(qū)是否熄滅。

（3）回采工作面封閉注氮

當回采工作面采空區(qū)發(fā)生火災時，在采取措施不能消除，且采空區(qū)火勢有擴大到工作面的趨勢，必須立即對回采工作面進行臨時封閉，進行注氮滅火。即在超前工作面5m處的上下順槽，分別做一座磚密閉或板密閉。(并用黃泥抹面，減少漏風)封閉工作面，再利用采空區(qū)防火埋管以最大流量向工作面采空區(qū)注氮，迅速降低火勢，窒熄明火，大流量注氮一般為2～3d，然后降低流量，以250～400m3／h的流量維持注氮。當火區(qū)CO含量降低0.001％以下，回風密閉O2含量降低5％以下，溫度為常溫時，可停止觀察2d，如無變化，則可打開密閉恢復生產(chǎn)，加快推進速度，邊生產(chǎn)邊利用埋管繼續(xù)注氮，將火源點甩到窒熄帶。

注氮滅火因其發(fā)生地點不同，火勢大小不一，注氮參數(shù)的選擇也會因此發(fā)生變化。因而，在采取注氮滅火時，必須根據(jù)現(xiàn)場實際情況，制定滅火措施，明確注氮參數(shù)，選擇注氮方式、方法、注氮強度、注氮口位置、注氮終結時間等。

4 結語

礦井防滅火是一項系統(tǒng)工程，它需要從礦井開拓開采技術、工作面回采工藝、采區(qū)通風系統(tǒng)及防滅火方式方法等多方面著手，采取綜合防治措施，方可確保礦井防滅火需要。同時，礦井火災防治工作，必須緊跟科技進步，不斷引進新技術、新設備、新材料和新工藝，增加礦井防滅火管理的技術含量。東峽煤礦自開展綜合防滅火技術以來，礦井自燃發(fā)火率明顯下降，確保了礦井安全和正常生產(chǎn)，自礦井投產(chǎn)以來，未發(fā)生火災事故，保障了職工生命安全，維護了企業(yè)良好的社會形象。

［作者簡介］楊明、（1966--）男，甘肅定西人，高級工程師，現(xiàn)任甘肅華亭煤電份公司東峽煤礦副礦長，總工程師。