均壓防滅火技術(shù)在黃白茨煤礦的實踐與應(yīng)用

徐中瑤

（國家能源集團烏海能源有限責任公司黃白茨煤礦，內(nèi)蒙古烏海016000）

煤礦火災(zāi)事故是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要礦井災(zāi)害之一，例如2013 年2 月28 日19 時43 分，河北省冀中能源張礦集團懷來艾家溝礦業(yè)有限公司井下發(fā)生一起重大火災(zāi)事故，造成13 人死亡，直接經(jīng)濟損失1425.08萬元[1]。在所有煤礦火災(zāi)事故中內(nèi)因火災(zāi)高達90%左右，外因火災(zāi)占10%左右[2]。因此我們必須加大煤礦火災(zāi)事故的防控力度，力爭做到防患于未然。采空區(qū)自燃發(fā)火是煤礦內(nèi)因火災(zāi)的主要表現(xiàn)形式，造成采空區(qū)自燃發(fā)火主要原因是采空區(qū)內(nèi)遺留的大量的煤炭，這些遺留的煤炭有自燃發(fā)火傾向時在進入采空區(qū)的氧氣與之發(fā)生氧化反應(yīng)產(chǎn)生大量的熱量，當這些熱量有散不出去時就會使得遺留的煤炭升溫，當溫度達到其燃點的時候就會發(fā)生自燃[3]。通常防治采空區(qū)自燃的方法有均壓防滅火法、采空區(qū)注漿法、采空區(qū)注氮法、采空區(qū)注液態(tài)CO2法等方法，其中均壓防滅火技術(shù)是一種比較常用的防滅火方法，該方法作為一種比較成熟的防滅火技術(shù)在國內(nèi)外得到了廣泛地應(yīng)用。使用局部通風機、風窗和調(diào)壓氣室等調(diào)壓設(shè)備來改變漏風區(qū)域的壓力分布，減小漏風的壓差，并減少空氣泄漏，從而抑制了煤的自燃并惰化了火區(qū)和熄滅火源是均壓通風防滅火技術(shù)的實質(zhì)[4]。波蘭學者Han Bestron 于20 世紀1950年代提出了均壓防滅火的概念。在1960年代，一些煤炭開采技術(shù)發(fā)達的國家爭相采用了該技術(shù)進行了現(xiàn)場的防滅火工作，并成功地應(yīng)用了很多次[5]。早在20 世紀80 年代，波蘭和我國合作，對大同礦區(qū)煤峪口礦大面積火區(qū)實施均壓通風，取得成功，均壓通風便在我國得到全面推廣應(yīng)用[6]。煤科院重慶分院對新疆六道灣煤礦淺埋藏放頂煤工作面實施均壓通風防火，也取得了成功，并經(jīng)專家鑒定，成了煤科院的科研成果[7]。近幾年我國開采淺埋藏煤層的同煤集團四臺礦、大斗溝礦、同忻煤礦，新疆的韋湖梁礦、寧煤集團白芨溝礦和羊場灣礦、阜新孫家灣礦、汾西煤業(yè)的新陽礦、內(nèi)蒙的東辰礦[8]。該技術(shù)僅用于加速封閉火區(qū)火源的熄滅，后來用于抑制非封閉區(qū)域內(nèi)煤炭的自燃發(fā)火，且為工作面的安全高效地回采提供了重要的技術(shù)保障[9]。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

黃白茨煤礦隸屬于國家能源集團烏海能源有限公司管轄，位于烏海市烏達區(qū)南部，南面與五虎山煤礦相鄰，西面和北面與蘇海圖煤礦以礦界保安煤柱接壤，東以烏達逆斷層為界。黃白茨煤礦的井田面積6.33km2，其中東西寬1.606km，南北長3.94km。黃白茨煤礦通風方式為中央分列式，礦井進風井由主井、行人斜井、副井、10#風井四個井筒組成，總回風井為11#回風井，機械抽出式是主要通風機的工作方式。礦井核定生產(chǎn)能力為200×104t/a。該礦煤層均屬自燃煤層，自燃發(fā)火等級均為Ⅱ類，煤塵均有爆炸危險性。目前礦井10#煤層布置1 個綜采工作面、2 個掘進工作面；12#煤層布置1個綜采工作面、1 個掘進工作面。礦井采掘工作100%的實現(xiàn)了機械化。

1.2 工作面概況

021005 工作面位于922 采區(qū)南翼區(qū)域內(nèi)，距地表垂深約195～206m，西部為已回采完畢的021003 工作面，東部為021007 回風巷，南部為五虎山井田邊界，北部為922 軌道下山等巷道。021005 工作面煤層厚度2.3m，煤層傾角3°～13°，平均傾角為7°，工作面切眼長度為216m，工作面走向長度為1150m。021005工作面采用走向長壁式采煤法，全部垮落法控制頂板，綜放采煤工藝。

2 問題的提出

2.1 問題的提出

2019 年10 月份以來黃白茨煤礦021005 工作面回采過程中出現(xiàn)了CO氣體，該工作面上隅角CO氣體濃度為16ppm 左右。經(jīng)過對工作面和地表的調(diào)查，對礦井的自然發(fā)火狀況分析如下：工作面采空區(qū)浮煤已經(jīng)開始低溫氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空區(qū)浮煤低溫氧化的原因如下：

（1）黃白茨煤礦所采的長焰煤為易自然發(fā)火煤層，其最短發(fā)火期為40～50d，當采空區(qū)浮煤長期氧化時，易產(chǎn)生CO氣體。

（2）工作面的采空區(qū)內(nèi)留有一定數(shù)量的遺煤，而且遺煤呈立體分布，位置較高，不管是灑阻化劑，還是黃泥灌漿，均順底板流走，不易包裹這些遺煤，這些遺煤長期氧化，易自然發(fā)火。

（3）礦井為近距離特厚煤層開采，采空區(qū)的上部有9#煤層采空區(qū)，兩層采空區(qū)層間距僅3.5m左右，在開采10#煤層的021005 工作面時，形成了地表→9#煤層90201 采空區(qū)→10#煤層021005 采空區(qū)→021005 工作面回風流的漏風。這個漏風通道在021005工作面的強大負壓作用下長期漏風，使采空區(qū)浮煤易自然發(fā)火。

3 均壓防滅火技術(shù)的實踐與應(yīng)用

3.1 均壓防滅火技術(shù)的工作原理

使用風窗、風機和調(diào)壓氣室等調(diào)壓設(shè)備和裝置來改變漏風區(qū)域的壓力分布來達到防滅火的目的是均壓防滅火的工作原理，這樣可以抑制遺留在采空區(qū)的煤炭的自燃，其目的是撲滅火源[4]。

特點：進風順槽一側(cè)的風流壓力增加，回風順槽一側(cè)通風阻力增加和風量減??；本質(zhì)是：減少風量，增加阻力，改變調(diào)壓風路上的壓力分布，達到調(diào)壓的目的[10]。

3.2 均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用

021005 工作面采用“U”形通風方式，均壓通風設(shè)計采用調(diào)壓局部通風機和調(diào)節(jié)風窗的組合均壓方式。即將風門安裝在021005 工作面的膠運順槽中，并將調(diào)壓局部通風機的風筒放置在風門的外部。調(diào)壓局部通風機產(chǎn)生的增壓效果改變了采空區(qū)中的壓力分布，減少了漏氣，并與注氮技術(shù)配合使用，達到了抑制遺留在采空區(qū)的煤炭自燃的目的。

3.2.1 風門位置

在021005 工作面的進風順槽進口處設(shè)置2 道風門，用1 臺2×45kW 局扇和1 臺2×30kW 局扇通風，?800mm 兩趟風筒穿過均壓風門接到離工作面約200m 處，在回順出口處設(shè)置2 道調(diào)節(jié)風門，風門上設(shè)置調(diào)節(jié)風窗。在進風順槽均壓風門和回風順槽均壓風門上分別設(shè)置水柱計和傳感器。

將工作面壓力增加約25mm 水柱，工作面回風順槽的風流量約為1000m3/min。必須減少從地面到工作面采空區(qū)的空氣泄漏，并減少均壓局部通風機向采空區(qū)的氣流。在進行均壓通風防滅火的過程中，必須保持工作面均壓通風系統(tǒng)的穩(wěn)定性。均壓通風各風門、風機設(shè)置位置如圖1所示。

圖1 021005工作面均壓通風防滅火布置圖

3.2.2 工作面風量計算

（1）按瓦斯涌出量計算（根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》采煤工作面回風流中瓦斯或二氧化碳濃度不超過1.0%的要求計算）：

式中：Q采——回采工作面實際配要的風量，m3/min；

100——按采煤工作面回風流中瓦斯的濃度不應(yīng)超過1%的換算系數(shù)，黃白茨煤礦瓦斯?jié)舛劝?.8%進行管理，換算系數(shù)為125；

q瓦采——回采工作面回風巷風流中平均絕對CH4涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量鑒定報告9#煤層綜采工作面絕對CH4涌出量為0.56m3/min，則q瓦采=0.56m3/min；

K采通——回采工作面瓦斯涌出不均勻的備用風量系數(shù)，取1.4。

（2）按二氧化碳涌出量計算：

式中：Q采——回采工作面實際配要的風量，m3/min；

67——按采煤工作面回風流中CO2的濃度不應(yīng)超過1.5%的換算系數(shù)；

q二氧——回采工作面回風巷風流中平均絕對CO2涌出量，根據(jù)瓦斯涌出量鑒定報告9#煤層綜采工作面絕對CO2涌出量為2.57m3/min，則q二氧=2.57m3/min；

K采通——回采工作面CO2涌出不均勻的備用風量系數(shù)，取1.2。

（3）按工作面人員數(shù)量計算：

式中：N——回采工作面交接班的最多人數(shù)，50人；

4——每人需風量，4m3/min。

（4）按氣象條件計算：

式中：Qcf——回采工作面實際配要風量，m3/min；

Vcf——回采工作面的風速，取1.0m/s；

Scf——回采工作面平均有效斷面積，18.14m2；

Kch——回采工作面采高調(diào)整系數(shù)，1.2；

Kcl——回采工作面長度調(diào)整系數(shù)，1.2；

70%——有效通風斷面系數(shù)；

60——單位換算產(chǎn)生的系數(shù)。

則：Qcf=60×70%×1.0×18.14×1.2×1.2=1047（m3/min）

（5）風速驗算：依照《煤礦安全規(guī)程》第136 條規(guī)定，90204 綜采工作面在采取采煤機噴霧降塵等綜合防塵措施后的最低風速為0.25m/s，最高風速不得高于5m/s，通過上面三種方法計算后，取最大值進行驗算。

驗算最小風量：

驗算最大風量：

式中：Scb——采煤工作面最大控頂有效斷面積，m2；

lcb——采煤工作面最大控頂距，5.76m；

hcf——采煤工作面實際采高，3.2m;

Scs——采煤工作面最小控頂有效斷面積，m2；

lcs——采煤工作面最小控頂距，5.06m；

0.25 ——采煤工作面允許的最小風速，0.25m/s;

5.0 ——采煤工作面允許最大風速，5.0m/s;

70%——有效通風斷面系數(shù)。

通過驗算，90204 采煤工作面實際需風量1047m3/min，滿足工作面風速要求。

（6）配風量的確定：經(jīng)以上計算，90204綜采工作面配風量取1047m3/min。

3.3.2 調(diào)節(jié)風窗的阻力計算

當S窗/S≤0.5時，調(diào)節(jié)風窗面積的計算公式為：

式中：S窗——調(diào)節(jié)風窗的面積，m2；

S——巷道的凈斷面積，m2，15m2；

Q——通過風窗的風量，m3/s，8.33 m3/s；

H——調(diào)節(jié)風窗阻力，Pa。

當調(diào)節(jié)風窗的面積為1.2m2時，調(diào)節(jié)風窗的阻力為60Pa，因此調(diào)節(jié)風窗阻力最小值為60Pa。

3.2.4 局部通風機

當前礦井通風的負壓為1860Pa，工作面入口側(cè)的負壓約為620Pa。當工作面的風量為約1000m3/min時，工作面區(qū)域的通風阻力為約70Pa。確定局部通風機的性能參數(shù)如下：風量為850～1750m3/min，兩臺局部通風機其中一臺為2×45kW 另一臺為2×30kW 的風機一備一用。根據(jù)風量要求，選擇風機型號為FBD系列局部通風機，風量為810～1740m3/min，風筒直徑為Φ800mm的阻燃風筒。

3.2.5 均壓時應(yīng)注意事項

（1）必須保證兩個均壓風門之間能夠自動聯(lián)鎖。

（2）加強堵漏巷道排水溝和風道孔的工作。

（3）在進入井之前，下放物料車時工作人員必須及時與礦調(diào)度室和運輸主管部門溝通，嚴格按章作業(yè)。

（4）均壓風門前后5m 內(nèi)的巷道得到良好支撐，沒有碎屑、淤泥和水。

（5）均壓風門的建造完成后，監(jiān)控中心負責安裝風門打開和停止傳感器。

（6）在井下運輸笨重的物料時，運輸物料的工作人員必須互相照顧，并且靠巷道兩側(cè)堆放的物料必須整齊，且不影響運輸、行人和通風。

（7）當采用均壓通風方式時，必須在運輸和回風通道的均壓通風風門上增加一個“U”型差壓計，并由專人負責調(diào)節(jié)風門并注意觀測“U”型差壓計數(shù)據(jù)，隨時測量工作面的風量，將風量控制在約1000m3/min，并進行記錄。

（8）在工作面回風順槽設(shè)置CO 氣體傳感器，通過礦井監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測工作面CO氣體濃度。

（9）瓦斯檢查員常規(guī)檢查，每班均檢查工作面上隅角、回風流和支架上部CO氣體濃度和溫度。

4 均壓防滅火效果分析

黃白茨煤礦021005 綜采工作面的上隅角出現(xiàn)CO氣體后，該礦的領(lǐng)導們高度重視，并成立了以礦長為組長，總工程師為副組長的防滅火領(lǐng)導小組，并開始嘗試運用均壓通風防滅火技術(shù)來進行防滅火治理工作，收到了良好的治理效果。2019 年11 月2 日運用均壓通風防滅火后工作面進風順槽的風量為1035～1079m3/min，回風順槽風量為1062～1084m3/min，有效地抑制了采空區(qū)CO 向上隅角和回風順槽涌出，工作面上隅角CO 氣體濃度從22ppm 左右降到0ppm，確保了021005綜采工作面安全、高效地生產(chǎn)。