81511工作面綜合防滅火技術(shù)應(yīng)用

王 昭

（晉能控股煤業(yè)集團安全督查大隊，山西 大同 037003）

1 問題的提出

虎龍溝礦81511 工作面開采5#煤層，平均厚度10.17 m，為自燃煤層，自然發(fā)火期56 d。采面采用綜放開采工藝，采放比為1:2.45。5#煤層頂?shù)装鍘r性如表1所示。由于81511 工作面開采厚度大，從而導(dǎo)致采動動壓顯現(xiàn)明顯。在采動動壓影響下，回采巷道巷幫煤體破碎、裂隙發(fā)育，導(dǎo)致采面漏風(fēng)量增加。同時由于采用綜放開采工藝，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)遺煤量較多，現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)平均遺煤厚度超過0.7 m。因此，如何防止采空區(qū)遺煤自燃成為確保采面安全高效回采的關(guān)鍵。

表1 5#煤頂?shù)装鍘r性

根據(jù)相關(guān)研究成果，并結(jié)合礦井其他采面防滅火成功經(jīng)驗[1-4]，本文提出采用注氮、噴灑阻化劑、灌漿等綜合措施進(jìn)行防滅火，采用束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測81511 工作面采空區(qū)自燃征兆，從而為采面安全高效生產(chǎn)創(chuàng)造良好條件。

2 綜合防滅火措施

2.1 注氮防滅火

（1）注氮工藝和方法

注氮管路布置為： 地面制氮機→回風(fēng)立井→總回風(fēng)巷→綜采工作面進(jìn)風(fēng)順槽→81511 工作面采空區(qū)，注氮管路規(guī)格為Φ100×4 mm 的無縫鋼管。

81511 工作面采用邁步式埋管注氮工藝，第一個釋放口設(shè)在開切眼位置，采面初采即開始進(jìn)行注氮；當(dāng)基本頂初次來壓后每隔50 m 埋入一趟注氮管路，距采面達(dá)50 m 后即停止該趟管路注氮，并開始利用下一趟管路注氮，如此循環(huán)，直到工作面推進(jìn)至停采線。81511 工作面初采、正?；夭?、停采等各個階段均24 h 不間斷注氮。

（2）采面注氮量的計算及注氮設(shè)備選取

①注氮量

采面注氮量可根據(jù)采面年產(chǎn)量、 噸煤注氮量計算求得，并取兩者中的大值。

a.依據(jù)采面產(chǎn)量確定注氮量[5]

QN=[A /（1 440ρtn1n2）] ×（c1/c2-1）

式中：QN為注氮量，m3/min；A 為采面年產(chǎn)量，t；t 為生產(chǎn)時間，d；ρ 為5#煤密度，t/m3；n1為輸?shù)苈沸剩?；n2為注氮效率，%；c1為氧氣濃度，%；c2為采空區(qū)防火惰化指標(biāo)，%。

根據(jù)虎老溝礦實際情況，取A=1.2 Mt；t=330 d；ρ=1.43 t/m3；n1=90%；n2=90%；c1=20.8%；c2=7%。代入公式（1）計算求得QN=4.3 m3/min。

b.依據(jù)噸煤注氮量計算[6]

根據(jù)國內(nèi)外防滅火經(jīng)驗，每噸煤需5 m3氮氣量，可通過下述公式計算注氮量：

QN=5AK/（1 440 t）

式中：A 為采面年產(chǎn)，t；K 為工作面回收率，%；t 為生產(chǎn)時間，d。

?。篈=1.2 Mt；K=92%；t=330 d。計算得到QN=11.74 m3/min。

根據(jù)上述計算結(jié)果，取其中大值，即：QN=11.74 m3/min?？紤]1.5 的安全備用系數(shù)，工作面注氮流量最終確定為17.61 m3/min。

②注氮設(shè)備選取

選用兩套型號FDA-2300-98 的制氮裝置，一用一備。FDA-2300-98 型制氮裝置產(chǎn)氣量Q =33.3 m3/min、裝機功率Q=4×160 kW、出口壓力P =0.6 MPa、電壓V=380 V。

2.2 灌漿防滅火系統(tǒng)

從回風(fēng)立井井口灌漿時，5 號煤層?xùn)|、 西盤區(qū)輸漿倍線值介于2～7 之間，故工業(yè)廣場設(shè)集中灌漿站，81511 工作面灌漿管路系統(tǒng)為： 黃土→貯土場→灌漿站→鉆孔→5 號層軌道大巷→5 號煤層?xùn)|部盤區(qū)→81511 采煤工作面。

在回風(fēng)井、 主回風(fēng)巷等位置鋪設(shè)的灌漿主管路為Φ150 mm 無縫鋼管；81511 采煤工作面內(nèi)鋪設(shè)的灌漿支管路為Φ100 mm 無縫鋼管；采空區(qū)灌漿通過高壓膠管實現(xiàn)。

2.3 阻化劑防滅火

（1）阻化劑類型

81511 工作面回采期間噴灑阻化劑作為輔助防滅火技術(shù)措施，降低或者延遲采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃風(fēng)險，為其他防滅火技術(shù)措施發(fā)揮作用贏取時間或者將有發(fā)火征兆的遺煤區(qū)域甩至采空區(qū)窒息帶內(nèi)[7]。

選用的阻化劑材質(zhì)為工業(yè)氯化鈣 （CaCl2·5H2O），溶液濃度介于15%～20%。

（2）工作面一次噴灑量

81511 工作面回采時控頂距在4.75～5.75 m，噴灑阻化劑按照4.7 m 噴灑寬度確定。

①工作面底板浮煤噴灑量

工作面底板浮煤噴灑阻化劑量可通過下述公式計算[8]：

G1=K1K2LBh1A1ρ

式中：G1為按重量計算底板浮煤一次噴灑，kg；K1為一次噴灑加量系數(shù)；K2為松散煤（浮煤）的密度，t/m3；L 為工作面斜長，m；B 為一次噴灑寬度，m；h1為底板浮煤厚度，m，取0.02 m；A1為浮煤吸藥液量，kg/t；ρ 阻化劑濃度，%。

根據(jù)81511 工作面情況，取K1=1.2、K2=1.0 t/m3、L=180 m、B=4.7 m、h1=0.02 m、A1=47 kg/t、ρ=20%，計算得到G1=190.86 kg。

②護(hù)頂煤噴灑量

工作面護(hù)頂煤噴灑阻化劑量可通過下述公式計算[8]：

G2=K3LBh2A2ρ

式中：G2為按重量計算護(hù)頂煤一次噴灑，kg；K3為護(hù)頂煤的密度，t/m3；h 為頂板浮煤厚度，m；A2為護(hù)頂煤的吸藥液量，kg/t。

根據(jù)81511 工作面情況，取K3=1.0 t/m3、h=0.002 m、A2=11 kg/t、ρ=20%，計算得到G2=3.72 kg

③順槽煤壁的噴灑量

工作面順槽煤壁噴灑阻化劑量可通過下述公式計算[8]：

G3=2KL0A0ρ

式中：G3為噴灑范圍內(nèi)巷道所需溶液的噴灑量，kg；K 為噴灑加量系數(shù)，取1.2；L0為噴灑巷道的長度，取1 400 m；A0為巷道單位長度的吸液量，kg/m，取2 kg/m；

取K=1.2、L0=1 400、A0=2 kg/m，計算得到G3=1 344 kg。

采用理論公式計算得到工作面浮煤、 護(hù)頂煤以及回采順槽阻化劑噴灑量分別為190.86 kg、3.72 kg、1344 kg。

3 束管監(jiān)測系統(tǒng)

81511 工作面采用的JSG-7 型束管監(jiān)測系統(tǒng)，可對采空區(qū)內(nèi)O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、H2等氣體組分濃度進(jìn)行監(jiān)測，并依據(jù)監(jiān)測結(jié)果判定采空區(qū)遺煤是否出現(xiàn)自燃征兆。當(dāng)標(biāo)志性氣體一氧化碳、乙烷、乙烯、丙烷（CO、C2H6、C2H4、C3H8）濃度接近或者超過規(guī)定時，束管監(jiān)測系統(tǒng)會發(fā)出預(yù)警。

在81511 工作面進(jìn)、 回風(fēng)順槽側(cè)各布置3 個取樣點，間距為25 m，取樣點距采面最大距離為75 m。監(jiān)測點布置如圖1所示。

圖1 81511 工作面束管監(jiān)測點布置

4 防滅火效果分析

通過束管監(jiān)測系統(tǒng)對81511 綜放面自燃標(biāo)志性氣體進(jìn)行連續(xù)檢測，從而實時掌握采面是否出現(xiàn)發(fā)火征兆，防滅火綜合措施應(yīng)用前、后的采空區(qū)遺煤自燃標(biāo)志性氣體濃度變化情況如表2所示。

表2 綜合防滅火措施應(yīng)用前后標(biāo)志性

由表2看出，采取綜合防滅火措施后，81511綜放工作面回采過程未檢測到CO、C2H6等氣體，同時采空區(qū)內(nèi)溫度始終保持正常。結(jié)果表明，采空區(qū)注氮、噴灑阻化劑、灌漿綜合防滅火措施可有效防止81511 綜放工作面采空區(qū)遺煤自燃。

5 結(jié)論

1）81511 綜放工作面因開采方式等因素影響，采空區(qū)內(nèi)遺煤量較多，存在自燃威脅。

2）采用注氮、注漿以及噴射阻化劑等綜合方式來防治采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象，通過理論計算方法確定81511 綜放工作面回采期間注氮量為17.61 m3/min；工作面浮煤、護(hù)頂煤以及回采順槽阻化劑噴灑量分別為190.86 kg、3.72 kg、1 344 kg。

3）現(xiàn)場應(yīng)用綜合防滅火措施后，81511 綜放工作面回采期間，其采空區(qū)未檢測到CO、C2H6等氣體，同時采空區(qū)內(nèi)溫度始終保持正常。