保德煤礦防滅火設(shè)計(jì)研究

李健威，羅伙根，張?jiān)鲚x

(神華神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 保德 036600)

保德煤礦是神東煤炭集團(tuán)所屬的大型石炭二疊紀(jì)出口煤配煤基地，井田南北走向長(zhǎng)平均12.3 km，東西傾向?qū)捚骄?.7 km，井田面積55.9068 km2，煤層傾角3°～9°，總體上為平緩的單斜構(gòu)造形態(tài)。區(qū)內(nèi)可采煤層共4層，分別為二疊系山西組8#煤層(目前正開(kāi)采)和石炭系太原組 10#、11#、13#煤層，其中8#、11#煤層全區(qū)可采，10#、13#煤層局部可采。根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院沈陽(yáng)研究院鑒定，8#煤層屬II類自燃煤層，發(fā)火期為4～6個(gè)月，且煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

1 井下自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

火災(zāi)的早期發(fā)現(xiàn)和監(jiān)測(cè)是礦井火災(zāi)防治的前提，根據(jù)《礦井防滅火規(guī)范》規(guī)定:一、二級(jí)自燃礦井應(yīng)建立火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。目前礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)最常用的是礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由束管取樣系統(tǒng)和地面氣體分析中心組成，通過(guò)束管將監(jiān)測(cè)點(diǎn)氣體取樣到地面，利用氣相色譜分析儀連續(xù)分析氣體組分濃度，通過(guò)各組分濃度的變化對(duì)煤層氧化自燃過(guò)程進(jìn)行判斷分析，并進(jìn)行煤自燃發(fā)火的早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

針對(duì)保德煤礦井下生產(chǎn)實(shí)際布局，確定建立地面型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工采集氣體進(jìn)行綜合預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。二盤(pán)區(qū)和三盤(pán)區(qū)可采用地面束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行自燃發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào);五盤(pán)區(qū)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，確定采用簡(jiǎn)易束管采樣系統(tǒng)和人工采集氣體綜合進(jìn)行分析觀測(cè)［1］。

1.1 地面型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

束管管路布置:束管布置由地面監(jiān)測(cè)室開(kāi)始沿輔平峒—措施巷—一號(hào)主運(yùn)大巷—三盤(pán)區(qū)措施巷—二號(hào)輔運(yùn)大巷—聯(lián)巷—81305二號(hào)回風(fēng)順槽—聯(lián)巷密閉—采空區(qū)。從地面監(jiān)測(cè)室至三盤(pán)區(qū)口敷設(shè)12芯束管2500 m，三盤(pán)區(qū)口至81305二號(hào)回風(fēng)敷設(shè)3000 m三芯束管至聯(lián)巷密閉，三盤(pán)區(qū)口至一號(hào)回風(fēng)巷敷設(shè)3000 m單芯束管至工作面上隅角。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)分為固定點(diǎn)、移動(dòng)點(diǎn)和臨時(shí)觀測(cè)點(diǎn)。觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在能采集到觀測(cè)區(qū)內(nèi)有代表性的氣體的地點(diǎn)。尤其固定觀測(cè)點(diǎn)、移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，應(yīng)盡量設(shè)置在巷道周圍壓力較小，支架完整，沒(méi)有拐彎，斷面沒(méi)有突然擴(kuò)大或縮小的地點(diǎn)。預(yù)留2路，其余10路通過(guò)平硐下放至各監(jiān)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)上述要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)主要布置在以下地點(diǎn):

1)工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)1個(gè)，布置在工作面上隅角，隨工作面開(kāi)采而移動(dòng)。

2)采空區(qū)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置在工作面回風(fēng)順槽遠(yuǎn)離工作面?zhèn)?，隨工作面推進(jìn)埋入采空區(qū)，一個(gè)工作面布置3個(gè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距100 m。當(dāng)測(cè)點(diǎn)采空區(qū)氧濃度降到5%后，斷開(kāi)該測(cè)點(diǎn)，重新布置采樣探頭。采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 工作面采空區(qū)束管埋設(shè)示意圖

布置兩條回風(fēng)巷的工作面可按圖1(a)所示進(jìn)行鋪設(shè)。布置一條回風(fēng)巷的工作面可按圖1(b)所示進(jìn)行埋設(shè)，埋入采空區(qū)的束管要用DN25～50 mm的鋼管加以保護(hù)，保護(hù)套管埋入采空區(qū)不回收。

通過(guò)束管取樣，利用安裝在地面的抽氣泵，將所采樣的氣體送入分析儀進(jìn)行分析。對(duì)井下任意地點(diǎn)的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等氣體含量實(shí)行24 h連續(xù)循環(huán)監(jiān)測(cè)，經(jīng)過(guò)對(duì)自燃火災(zāi)標(biāo)志氣體的確定和分析，及時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)火點(diǎn)的自燃進(jìn)程變化，為煤礦自燃火災(zāi)和礦井瓦斯事故的防治工作提供科學(xué)依據(jù)。

1.2 建立人工采樣分析系統(tǒng)

沒(méi)有布置束管采樣點(diǎn)或采樣束管不能到達(dá)，同時(shí)又需要進(jìn)行氣體分析的地點(diǎn)，可人工利用取氣囊進(jìn)行取樣。氣體分析則由氣相色譜儀完成。取樣時(shí)間可每天或根據(jù)需要定期取樣，取樣前必須用取樣地點(diǎn)氣體對(duì)取氣囊進(jìn)行2～3次沖洗。氣樣采集后12 h內(nèi)必須送至氣樣分析室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如超過(guò)12 h，氣樣應(yīng)舍棄不用，重新取樣，以保證分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

對(duì)于五盤(pán)區(qū)工作面采空區(qū)的氣體觀測(cè)，可建立簡(jiǎn)易束管采樣系統(tǒng)。簡(jiǎn)易束管采樣系統(tǒng)由束管管纜、氣囊、小型真空泵(2X－4G)、手動(dòng)取樣器、保護(hù)套管和采樣探頭組成，觀測(cè)范圍200～300 m。簡(jiǎn)易束管采樣系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。

2 自燃防治措施

據(jù)歷史資料統(tǒng)計(jì)表明，保德礦及周邊礦井從開(kāi)采至今，8#煤層未發(fā)生過(guò)煤自燃發(fā)火事故。隨著不斷開(kāi)采，使得采空區(qū)的范圍越來(lái)越大，由此形成的密閉也會(huì)更多，并且隨著井下風(fēng)量和負(fù)壓的進(jìn)一步增大，造成遺煤更多與空氣進(jìn)行接觸，極易形成煤自燃發(fā)火隱患?！邦A(yù)防為主、綜合治理”是礦井火災(zāi)防治工作的指導(dǎo)方針，目前，防治自燃火災(zāi)的技術(shù)主要包括堵漏、注漿、噴灑阻化劑、注惰氣、注凝膠和泡沫材料等。根據(jù)《煤礦建設(shè)項(xiàng)目安全設(shè)施設(shè)計(jì)審查和竣工驗(yàn)收規(guī)范》(AQ1055－2008)規(guī)定，開(kāi)采容易自燃或采用放頂煤開(kāi)采自燃煤層的礦井，必須設(shè)計(jì)以灌漿為主的兩種以上綜合防滅火措施。結(jié)合保德煤礦實(shí)際生產(chǎn)情況，確定選擇以灌漿、注氮為主的綜合防火措施。

圖2 簡(jiǎn)易束管采樣系統(tǒng)示意圖

2.1 灌漿防滅火

保德煤礦礦井上、下高差小(工業(yè)廣場(chǎng)至工作面的高差為70～270 m)，井田面積大(55.9 km2)，輸送距離遠(yuǎn)(最遠(yuǎn)可達(dá)13 km)，地面灌漿輸送倍線明顯不夠，如式(1)。采用地面分區(qū)注漿站受到山區(qū)地表等條件限制，可行性小。而且保德煤礦大多為大采高工作面，采空區(qū)為高頂高冒狀態(tài)，灌入低濃度漿液會(huì)沉淀拉溝，達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)［2］。

保德礦注漿管的倍線為:

式中:

N—輸漿倍線，一般控制在3～8之間;

L—漿液自地面管路的入口至灌漿區(qū)管路的出口管線總長(zhǎng)度，m;

H—漿液入出口之間的高差，m。

所以保德礦注漿倍線太大，不利于漿液輸送，故不能采用地面集中灌漿系統(tǒng)。因此，采用井下移動(dòng)灌漿系統(tǒng)，向采空區(qū)灌注高濃度泥漿或化學(xué)漿液，應(yīng)是首選方案。

根據(jù)礦井防火注漿量，每個(gè)工作面配備1臺(tái)注漿裝置，因此，設(shè)計(jì)選用3臺(tái)ZHJ－1.2/12型井下移動(dòng)式防滅火注漿裝置(2用1備)。泥漿輸送采用專用管路，為使注漿裝置達(dá)到更好的工作狀態(tài)，注漿裝置安放地點(diǎn)距離灌漿點(diǎn)距離盡量近些(小于500 m)。輸漿管路選用直徑為DN75 mm的無(wú)縫鋼管，沿工作面回風(fēng)巷底板鋪設(shè)［3］。

依據(jù)煤的自燃傾向性和采煤方法，灌漿方法采用踏步式埋管灌漿，即隨著回采工作面推進(jìn)，向采空區(qū)內(nèi)埋設(shè)管道進(jìn)行注漿(出漿口距工作面的距離應(yīng)不小于30 m，由高位向低位注漿)，以充填采空區(qū)空隙，覆蓋采空區(qū)遺煤，防止采空區(qū)發(fā)生自燃。注漿步距確定為50 m。在工作面回采過(guò)程中，當(dāng)推進(jìn)速度大于防火最小推進(jìn)度時(shí)，可不采取注漿防火措施。如出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆(CO濃度呈上升趨勢(shì)或出現(xiàn)C2H4、C2H2自燃發(fā)火標(biāo)志氣體)，及時(shí)向采空區(qū)注漿防滅火，直至自燃發(fā)火征兆消除為止。對(duì)布置一條回風(fēng)巷的工作面注漿工藝見(jiàn)圖3(a)，布置兩條回風(fēng)巷的工作面注漿工藝見(jiàn)圖3(b)。

圖3 埋管注漿工藝示意圖

當(dāng)工作面采空區(qū)存在高溫點(diǎn)時(shí)，可在回風(fēng)巷(或進(jìn)風(fēng)巷)靠工作面一側(cè)煤體內(nèi)開(kāi)辟鉆場(chǎng)，向采空區(qū)內(nèi)打鉆，壓注阻化泥漿或膠體泥漿，見(jiàn)圖4。注漿鉆孔，鉆孔開(kāi)孔孔徑應(yīng)不小于d108 mm，終孔孔徑應(yīng)不小于d89 mm，封孔要嚴(yán)密，鉆孔與輸漿管路的連接要牢固，并能承受最大的注漿壓力。鉆孔的布置必須能將火源包圍，能控制火源的發(fā)展以利于滅火。

圖4 鉆孔注漿工藝示意圖

火災(zāi)區(qū)密閉后采用密閉墻插管注漿，從密閉墻上方的注漿管插到采空區(qū)，向采空區(qū)注漿，見(jiàn)圖5。此時(shí)，密閉墻的強(qiáng)度應(yīng)滿足注漿的要求，注漿時(shí)應(yīng)派專人監(jiān)護(hù)，一旦發(fā)現(xiàn)有潰漿征兆時(shí)，應(yīng)立即停止注漿。

圖5 插管注漿工藝示意圖

2.2 注氮防滅火

保德煤礦大多為綜放工作面開(kāi)采，采空區(qū)為高頂高冒、丟煤多、空間大，單獨(dú)采用注漿措施難以達(dá)到防火效果，需要采用注氮的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行全方位惰化，抑制高頂高冒區(qū)的氧化自燃。因此，同時(shí)選擇注氮防火方案，作為綜放面采空區(qū)防火的另一主要方案。綜合考慮保德煤礦井下工作面實(shí)際布局情況，如建立地面固定式注氮防滅火系統(tǒng)，由于輸送管道系統(tǒng)較長(zhǎng)(最大距離13 km)，注氮系統(tǒng)的管路出口壓力難以滿足大于0.2 MPa的要求，并且在日常管理上的難度較大，因此，選擇建立靈活機(jī)動(dòng)的井下移動(dòng)式注氮防滅火系統(tǒng)［4］。

注氮防滅火惰化指標(biāo):

1)采空區(qū)防火惰化氧濃度指標(biāo)不大于煤自燃臨界氧濃度，根據(jù)8#煤層煤樣的臨界氧濃度鑒定結(jié)果表明，采空區(qū)防火惰化指標(biāo)以7%作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

2)惰化滅火氧濃度指標(biāo)不大于3%。

3)惰化抑制瓦斯爆炸氧濃度指標(biāo)小于12%。

根據(jù)礦井防火注氮量，選用2臺(tái)MD－1000型井下移動(dòng)式膜分離制氮機(jī)。輸?shù)苈愤x用DN100無(wú)縫鋼管，長(zhǎng)度約為3400 m。管口末端壓力為0.2 MPa的情況下，制氮設(shè)備的供氮壓力只需0.45 MPa。輸?shù)€路:移動(dòng)式制氮機(jī)→工作面回撤通道→聯(lián)巷→輔運(yùn)順槽→聯(lián)巷密閉→采空區(qū)，輸?shù)苈凡贾脠D見(jiàn)圖6。

圖6 注氮系統(tǒng)示意圖

2.2.1 注氮防滅火工藝

注氮方式從空間上分為開(kāi)放式注氮和封閉式注氮;從時(shí)間上分為連續(xù)性注氮和間斷性注氮。工作面開(kāi)采初期和停采撤架期間，或因遇地質(zhì)破碎帶、機(jī)電設(shè)備等原因造成工作面推進(jìn)緩慢，宜采用連續(xù)性注氮;工作面正常回采期間，可采用間斷性注氮，如出現(xiàn)自燃發(fā)火征兆，及時(shí)向采空區(qū)注氮防火，直至自燃發(fā)火征兆消除為止［5］。

1)開(kāi)放式注氮。當(dāng)自燃發(fā)火危險(xiǎn)主要來(lái)自回采工作面的后部采空區(qū)時(shí)，應(yīng)該采取向本工作面后部采空區(qū)埋管注入氮?dú)獾姆阑鸱椒?。具體方法如下:在工作面輔運(yùn)順槽內(nèi)鋪設(shè)一條注氮管路。當(dāng)工作面回采一定長(zhǎng)度(30 m)，聯(lián)巷打好密閉后開(kāi)始注氮。當(dāng)?shù)诙烂荛]打好后，工作面向前推進(jìn)20～30 m，此時(shí)關(guān)閉第一道密閉注氮管，同時(shí)開(kāi)啟第二道密閉注氮管。

注氮管的埋設(shè)及氮?dú)忉尫趴诘脑O(shè)置應(yīng)符合如下要求:

a)保德煤礦綜放面采用兩進(jìn)一回型通風(fēng)，將注氮管鋪設(shè)在輔運(yùn)順槽中，注氮釋放口設(shè)在聯(lián)巷密閉內(nèi)，見(jiàn)圖7。

圖7 注氮管埋設(shè)及釋放口位置示意圖

b)氮?dú)忉尫趴趹?yīng)高于底板，位于聯(lián)巷密閉頂部，與工作面保持平行。

c)氮?dú)忉尫趴谥g的距離，應(yīng)根據(jù)采空區(qū)“三帶”寬度、注氮方式和注氮強(qiáng)度、氮?dú)庥行U(kuò)散半徑、工作面通風(fēng)量、自燃發(fā)火期、工作面推進(jìn)度以及采空區(qū)冒落情況等因素綜合確定。由于保德煤礦無(wú)采空區(qū)“三帶”寬度數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)第一個(gè)釋放口設(shè)在起采線位置，其它釋放口間距為50 m。

2)封閉式注氮。封閉式注氮主要用已封閉的采空區(qū)進(jìn)行防滅火，其注氮方法有以下三種:

a)鉆孔注氮。施注地點(diǎn)附近巷道向井下火區(qū)或火災(zāi)隱患區(qū)域打鉆孔，通過(guò)鉆孔將氮?dú)庾⑷牖饏^(qū)。

b)插管注氮。工作面起采線、停采線、或巷道高冒頂火災(zāi)，可采用向火源點(diǎn)直接插管進(jìn)行注氮。

c)墻內(nèi)注氮。利用防火墻上預(yù)留的注氮管向火區(qū)或火災(zāi)隱患的區(qū)域?qū)嵤┳⒌?/p>

2.2.2 防止采空區(qū)氮?dú)庑孤┑拇胧?/p>

采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)決定了氮?dú)庠诓煽諈^(qū)內(nèi)的滯留時(shí)間，同時(shí)也決定著間歇式注氮時(shí)的注氮周期。采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度越小，兩次注氮的間歇時(shí)間就越長(zhǎng)，此時(shí)的注氮效果好且比較經(jīng)濟(jì)。因此，采取措施減少采空區(qū)氮?dú)庑孤┮彩翘岣卟煽諈^(qū)注氮效果的有效途徑［6］。

1)直接堵漏措施。采空區(qū)直接堵漏措施是每隔50 m在采空區(qū)上、下隅角壘砂袋、注粉煤灰或噴涂聚氨脂等。

2)均壓措施。利用開(kāi)區(qū)均壓的原理，降低工作面兩端(即進(jìn)、回風(fēng)側(cè))壓差，從而減少漏風(fēng)，起到防止或減少采空區(qū)氮?dú)庑孤┑淖饔谩?/p>

2.3 其它綜合防滅火措施的選擇

保德礦綜放工作面防火采用以灌漿和采空區(qū)注氮為主的防滅火措施。針對(duì)不同情況、不同地點(diǎn)還應(yīng)采取以下輔助措施:

1)針對(duì)工作面回采異常時(shí)，除采用注漿、注氮外，還可以采用工作面調(diào)壓、上下隅角建立封堵墻等綜合防火措施。

2)對(duì)煤巷、聯(lián)絡(luò)巷、開(kāi)切眼、停采線、煤柱等裂隙存在自燃發(fā)火危險(xiǎn)時(shí)，可采用壓注阻化劑、化學(xué)凝膠等方法進(jìn)行局部處理。

3)對(duì)采空區(qū)密閉加強(qiáng)管理，對(duì)可能存在漏風(fēng)通道的地方進(jìn)行漏風(fēng)觀測(cè)，對(duì)易發(fā)生煤自燃征兆的采空區(qū)，采取加強(qiáng)封閉采空區(qū)措施。

3 結(jié)論

1)結(jié)合保德煤礦井下實(shí)際生產(chǎn)情況，針對(duì)性的設(shè)計(jì)出了井下自燃火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和煤炭自燃防治防滅火措施。

2)通過(guò)束管抽取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣樣，利用氣相色譜分析儀分析氣樣中標(biāo)志性氣體組分濃度，并根據(jù)各組分濃度的變化對(duì)煤層氧化自燃過(guò)程進(jìn)行判斷分析，從而及時(shí)有效地對(duì)煤炭自燃發(fā)火進(jìn)行早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

3)根據(jù)保德煤礦采用綜采放頂煤開(kāi)采易發(fā)生自燃煤層的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出采用以灌漿、注氮為主，以調(diào)壓、建立封堵墻、注阻化劑、注凝膠、封閉采空區(qū)為輔的綜合防滅火措施，有效地解決了保德礦煤炭自燃的難題，取得了較好的效果。

［1］徐愛(ài)建，馬同福.束管自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)自燃火災(zāi)［G］//安全生產(chǎn)與可持續(xù)發(fā)展論文選編.濟(jì)南:山東省科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)，2004:179－180.

［2］冀致森，喬雙樹(shù)，白常春.關(guān)于防滅火灌漿系統(tǒng)的研究［J］.山西焦煤科技，2008(7):18－19.

［3］王 菲.灌漿防滅火法及其應(yīng)用［J］.山東煤炭科技，2012(2):21－22.

［4］蘭中田.綜放工作面注氮防滅火技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2007，26(7):63－64.

［5］馬文瑞.淺析注氮防滅火技術(shù)在綜放工作面的應(yīng)用［J］.科學(xué)之友，2007(B):25，27.

［6］俞學(xué)平，高正強(qiáng)，湯曉東，等.提高注氮防滅火效果的技術(shù)應(yīng)用研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34(2):31－32.