礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)及灌漿防滅火技術(shù)應(yīng)用

張松寧

（晉能集團(tuán)首陽(yáng)煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前，我國(guó)有自然發(fā)火危險(xiǎn)性的礦井占比高達(dá)60%以上[1-2]。礦井火災(zāi)可嚴(yán)重干擾正常生產(chǎn)秩序，威脅井下人員和設(shè)備的安全，嚴(yán)重時(shí)，甚至造成不可估量的損失[3]。可見(jiàn)，有必要對(duì)礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)和防滅火技術(shù)進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，以最大限度的抑制井下火災(zāi)的發(fā)生，保證煤礦生產(chǎn)安全[4-5]。

1 工程概況

山西煤炭運(yùn)銷(xiāo)集團(tuán)首陽(yáng)煤業(yè)有限公司行政隸屬山西省高平市，根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳綜合測(cè)試中心于2019年3月提供的鑒定報(bào)告，首陽(yáng)煤業(yè)15#煤層吸氧量為0.87 cm3/g，自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ類(lèi)，自燃煤層。15#煤層最短自然發(fā)火期天數(shù)為81天。故生產(chǎn)中必須加強(qiáng)通風(fēng)，防止煤的自燃發(fā)生，同時(shí)應(yīng)建立煤層自然發(fā)火監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并設(shè)計(jì)可靠的防滅火技術(shù)，保證首陽(yáng)煤業(yè)作業(yè)安全。

2 火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 束管監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系

一般來(lái)說(shuō)，自燃煤層發(fā)生自燃需經(jīng)歷三個(gè)氧化階段，即緩慢氧化、加速氧化和激烈氧化。不同氧化階段，產(chǎn)生的氣體種類(lèi)和氣體濃度不同。可用來(lái)對(duì)煤層自燃和火災(zāi)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的氣體包括：CO、CO2、C1-C4烷烴、C2-C3烯烴及C2H2等。根據(jù)首陽(yáng)煤業(yè)15#煤層自燃傾向檢測(cè)報(bào)告，決定采用CO、C2H4、C2H2作為煤礦火災(zāi)檢測(cè)的主要標(biāo)志性氣體，其中CO作為溫度在30℃～160℃內(nèi)的標(biāo)志性氣體。C2H4、C2H2作為溫度在160℃～300℃之間的標(biāo)志性氣體。C2H6和C3H8作為15#煤層自然發(fā)火的輔助指標(biāo)。

（1）CO氣體濃度演化規(guī)律

CO存在于煤層自燃的整個(gè)過(guò)程中，且是自燃過(guò)程中出現(xiàn)最早的氣體產(chǎn)物。CO濃度與煤層溫度之間的關(guān)系見(jiàn)圖1。CO濃度隨著煤層溫度的升高而升高，當(dāng)煤層溫度達(dá)到約60℃時(shí)便開(kāi)始產(chǎn)生CO；當(dāng)煤層溫度在60℃～200℃之間，CO濃度隨煤層溫度的增長(zhǎng)較為緩慢； 煤層溫度在200℃～260℃時(shí)，CO濃度與煤層溫度之間呈現(xiàn)指數(shù)型增長(zhǎng)關(guān)系；當(dāng)煤層溫度大于260℃時(shí)，CO濃度與煤層溫度之間呈現(xiàn)近似線性增長(zhǎng)的關(guān)系。

圖1 升溫氧化過(guò)程中CO隨溫度變化關(guān)系

（2）烯烴、烷烴氣體產(chǎn)生規(guī)律

煤層自燃過(guò)程中產(chǎn)生的烯烴（C2H2、C2H4和C3H6）和烷烴氣體（C2H6、C3H8）等，其總的濃度變化趨勢(shì)是隨煤溫的升高而逐漸增大。

2.2 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選型

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是通過(guò)對(duì)井下特定地點(diǎn)O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、H2等氣體含量的監(jiān)測(cè)分析，實(shí)現(xiàn)礦井自燃火災(zāi)的預(yù)報(bào)預(yù)警。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可分為地面固定式和井下移動(dòng)式。地面固定式是在地面設(shè)置分析室，通過(guò)束管將氣體輸送到地面進(jìn)行分析檢測(cè)。井下移動(dòng)式是在井下設(shè)置采樣基站，人工采樣后送至地面進(jìn)行分析。由于地面移動(dòng)式可實(shí)現(xiàn)24h不間斷監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠穩(wěn)定。因此，本文結(jié)合首陽(yáng)煤業(yè)實(shí)際情況決定采用KSS-200型火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，見(jiàn)圖2。

圖2 KSS-200束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

（1）工作原理

KSS-200型礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理見(jiàn)圖3。

圖3中系統(tǒng)工作時(shí)，先根據(jù)預(yù)埋束管采樣地點(diǎn)氣體的編號(hào)打開(kāi)氣體采樣控制柜相應(yīng)的進(jìn)口控制開(kāi)關(guān)，啟動(dòng)采樣抽氣泵使束管內(nèi)形成負(fù)壓，讓井下被測(cè)地點(diǎn)的氣體進(jìn)入束管后，經(jīng)氣水分離器后進(jìn)入采樣柜取氣口以供分析。系統(tǒng)操作步驟為：①打開(kāi)控制柜和抽氣泵組開(kāi)關(guān)；②打開(kāi)氫氣發(fā)生器和空氣發(fā)生器，等壓力升到標(biāo)準(zhǔn)后，打開(kāi)色譜儀開(kāi)關(guān)；③打開(kāi)電腦，設(shè)定各種參數(shù)，待色譜儀達(dá)到設(shè)定溫度后，進(jìn)行校正監(jiān)測(cè)；④色譜儀校正好后在電腦上打開(kāi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行束管循環(huán)監(jiān)測(cè)。

（2）系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

系統(tǒng)容量：8路（可擴(kuò)充至32路）；分析氣體：H2、O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等； 系統(tǒng)精度：≤1.5%。；供電電源：220V，功率5 kVA（最大功率，含真空泵組）。

（3）采樣系統(tǒng)的布置

以15202采煤工作面為例束管監(jiān)測(cè)采樣系統(tǒng)布置如下：

①回采工作面采樣管路布置

圖3 KSS-200型礦井自燃火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作原理

主管路：一趟8芯束管由地面檢測(cè)室的控制柜出發(fā)，經(jīng)副斜井敷設(shè)至集中輔助運(yùn)輸大巷，8芯束管總長(zhǎng)度約900 m（不含地面）。支管路：在集中輔助運(yùn)輸大巷設(shè)置1處束管分路箱，將束管線分為8路1芯管。其中4路1芯束管沿一采區(qū)輔助運(yùn)輸大巷分別進(jìn)入15101工作面回風(fēng)側(cè)防火密閉、15102工作面回風(fēng)側(cè)防火密閉內(nèi)、15103工作面回風(fēng)側(cè)防火密閉內(nèi)和15104工作面回風(fēng)側(cè)防火密閉內(nèi)?，F(xiàn)二采區(qū)輔運(yùn)巷530 m處新增一處束管控制箱，由第一處束管控制箱引出4路與第二處束管控制箱內(nèi)束管連接，4路1芯束管沿15202回風(fēng)順槽進(jìn)入綜采工作面，1路布置于上隅角、3路深入采空區(qū)內(nèi)部150 m范圍，50 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，待測(cè)點(diǎn)超過(guò)工作面150 m后，即可停止觀測(cè)。

②工作面正常封閉后采樣管路布置

工作面在回采結(jié)束后45天內(nèi)進(jìn)行封閉，正常封閉后，在工作面回風(fēng)密閉內(nèi)布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3 灌漿防滅火技術(shù)

灌漿防滅火技術(shù)是將水和漿材制成的漿液，輸送至井下防滅火地點(diǎn)，通過(guò)鉆孔向自燃煤層灌注，達(dá)到防滅火的目的。灌漿防滅火的主要作用有兩點(diǎn)：一是通過(guò)漿液封閉煤層裂隙、孔隙，隔絕氧氣防止煤層進(jìn)一步氧化；二是漿液中包含的水分可降低煤層溫度，增加煤層濕度，抑制煤層的自燃。

3.1 灌漿系統(tǒng)選擇

根據(jù)我國(guó)各礦區(qū)使用的灌漿系統(tǒng)，基本上可歸為地面固定式集中灌漿系統(tǒng)和井下移動(dòng)式灌漿系統(tǒng)兩類(lèi)，其特點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 兩種灌漿系統(tǒng)的比較

根據(jù)表1中灌漿系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合首陽(yáng)煤業(yè)開(kāi)采深度較深，井下采區(qū)較為集中，灌漿量大的特點(diǎn)，決定在首陽(yáng)煤業(yè)選擇地面固定式集中灌漿系統(tǒng)。

3.2 灌漿工藝

（1）灌漿系統(tǒng)

地面固定式集中灌漿系統(tǒng)主要由制漿機(jī)、注漿池、供水管路及灌漿管路組成。灌漿前由人工或機(jī)械取土（也可用粉煤灰或其它漿料），經(jīng)皮帶運(yùn)輸至制漿機(jī)中集中制備泥漿，經(jīng)回風(fēng)立井→集中回風(fēng)大巷→一采區(qū)膠帶巷→工作面灌漿管路→采空區(qū)，把泥漿送到灌漿點(diǎn)，進(jìn)行灌漿。

（2）灌漿參數(shù)

為保證注漿得到應(yīng)有的防滅火效果，根據(jù)15#煤層的地質(zhì)力學(xué)數(shù)，裂隙、節(jié)理發(fā)育程度，地面制漿站與采空區(qū)的距離，漿液與管道之間的阻力，工作面和采空區(qū)的空間尺寸，工作面的生產(chǎn)作業(yè)制度等來(lái)確定注漿參數(shù)，具體參數(shù)如下：

①灌漿材料

常用的井下灌漿材料主要有：粉煤灰、黃土、矸石粉、尾礦等。粉煤灰由于具有灰質(zhì)輕、流動(dòng)性好等特點(diǎn)，常作為注漿材料的首選。但由于首陽(yáng)煤業(yè)礦區(qū)內(nèi)粉煤灰材料少，費(fèi)用高，且礦區(qū)附近黃土儲(chǔ)量豐富，是進(jìn)行黃泥灌漿的有利條件。因此，采用礦井附近地表黃土作為注漿材料。需要注意的是礦井取土?xí)r盡可能過(guò)篩或使用較好的黃土，以保證灌漿工作的連續(xù)性。

②土水比

土水比是灌漿漿液的重要指標(biāo)，土水比過(guò)大則漿液濃度大，輸送阻力大，流速低，難以輸送至所需地點(diǎn)。土水比過(guò)小則灌漿效果不好，常用的土水比為1:2～1:5，根據(jù)首陽(yáng)煤業(yè)的地質(zhì)情況，選用土水比為1:4。

③單次灌漿量

首陽(yáng)煤業(yè)灌漿方式為采后灌漿，灌漿期間，每天二班進(jìn)行灌漿，制漿機(jī)能力為60 m3/h，單次灌漿量采用以下方式計(jì)算：

式中：QW為礦井灌漿量，m3/h；G為累計(jì)產(chǎn)量，t；W為工作面灌漿寬度，工作面灌漿寬度W取值可按照工作面寬度小于100 m時(shí)取工作面寬度，大于100 m時(shí)取100 m；h為灌漿材料覆蓋厚度，取0.05 m；ρc為煤的密度，取1.52，t/m3；δ為土水比的倒數(shù)，取4；M為漿液制成率，取0.9；H為工作面回采高度，取4.40 m；L為工作面長(zhǎng)度，取194 m；N為灌漿添加劑防滅火效率因子，取1 m；D為灌漿天數(shù)；t為礦井日灌漿時(shí)間，每天二班灌漿，每班8 h，共計(jì)16 h。

4 結(jié)語(yǔ)

1）分析了煤礦火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)指標(biāo)體系，決定在首陽(yáng)煤業(yè)采用CO、C2H4、C2H2作為火災(zāi)檢測(cè)的主要標(biāo)志性氣體，C2H6和C3H8作為15#煤層自然發(fā)火的輔助指標(biāo)，結(jié)合首陽(yáng)煤業(yè)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用KSS-200型火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，闡述了束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理、系統(tǒng)參數(shù)及布置方式等。

2）在首陽(yáng)煤業(yè)設(shè)計(jì)采用地面固定式集中灌漿防滅火系統(tǒng)，采用礦井附近地表黃土作為注漿材料，土水比為1:4，并對(duì)單次灌漿量進(jìn)行了計(jì)算分析，應(yīng)用效果表明，灌漿防滅火可有效抑制采空區(qū)煤層自然發(fā)火，保證了井下的作業(yè)安全。