煤礦通風(fēng)及工作面灌漿預(yù)防自燃發(fā)火研究應(yīng)用

白可龍

（鄭煤集團(tuán)鄭新公司東坪煤礦， 河南 鄭州 452482）

引言

煤礦日常工作所邁出的第一步便是通風(fēng)安全技術(shù)，通風(fēng)安全技術(shù)和巷道，尤其是采掘工作面，直接關(guān)系到整個(gè)煤礦的安全和煤礦日常工作的順利進(jìn)行[1]。

1 煤礦通風(fēng)及工作面的概況

河南某礦2021 年煤層自然傾向性鑒定結(jié)果：15號(hào)煤層為II 級(jí)自燃煤層，煤層的自燃發(fā)火期為114～116 d 開(kāi)采易自燃和自燃煤層的礦井，必須采取綜合預(yù)防煤層自然發(fā)火措施。為確保礦井在正常生產(chǎn)過(guò)程中不發(fā)生煤層自然發(fā)火事故，研究礦井實(shí)際情況制定15301 綜采工作面預(yù)防自燃發(fā)火安全技術(shù)方案。

河南某礦選用以灌漿為主，堵漏、噴灑阻化劑等為輔，同時(shí)加強(qiáng)管理與防火監(jiān)測(cè)，并采用先進(jìn)技術(shù)加快開(kāi)采推進(jìn)度的綜合預(yù)防煤層自然發(fā)火方案。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 黃泥灌漿

利用煤礦風(fēng)井地面工業(yè)廣場(chǎng)建設(shè)安裝黃泥灌漿站，通過(guò)風(fēng)井、東輔運(yùn)大巷、西輔運(yùn)大巷、北輔運(yùn)巷、15201 聯(lián)絡(luò)巷、北回風(fēng)巷、三采區(qū)回風(fēng)巷、15301 回風(fēng)巷外段、15301 回風(fēng)順槽鋪設(shè)管路至工作面采空區(qū)對(duì)綜采工作面采空區(qū)進(jìn)行灌漿施工。灌漿方法采用回撤后灌漿，即回撤結(jié)束后，向采空區(qū)灌注黃泥漿預(yù)防煤層自然發(fā)火[2]。

2.2 灌漿依據(jù)

根據(jù)15301 綜采工作面回采實(shí)際情況，煤層自然發(fā)火周期為114 d 以及我礦全年工作日為330 d 數(shù)據(jù)綜合考慮，暫定每回采90 d 對(duì)15301 回采工作面灌漿1 次，每次灌漿時(shí)間暫定為8 h，每小時(shí)灌漿量為44.48 m3，每次灌漿量為355.84 m3。

若到90 d 灌漿周期，經(jīng)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)數(shù)據(jù)分析，未發(fā)現(xiàn)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，且無(wú)發(fā)火危險(xiǎn)，可以不灌漿。但要做好日常自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作。若需要灌漿時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況再做調(diào)整。

灌漿量計(jì)算根據(jù)MT/T 702-1997《煤礦注漿防滅大技術(shù)規(guī)范》礦井小時(shí)灌漿量按下式計(jì)：

式中：QW為礦井注漿量，m3/h；k 為灌漿系數(shù)，取5%；G為礦井日產(chǎn)煤量，取1 921 t；δ 為土水比的倒數(shù)，取5；M 為漿液制成率，取0.9；rc為煤的密度，1.46 t/m；t 為礦井注漿時(shí)間，取8 h。

礦井小時(shí)灌漿量QW=kG（δ+1）M/rct=44.48 m3/h。

15 號(hào)煤層15301 工作面黃泥灌漿量Q=QW×t=355.84 m3/次。

2.3 阻化劑滅火

2.3.1 機(jī)理

目前國(guó)內(nèi)外使用的阻化劑大致有：吸水鹽類(lèi)阻化劑（如氯化鈣、氯化鎂、巖鹽）、石灰水、水玻璃、亞磷酸脂、阻化劑與水混合成高濃度的液體，能抑制和起到防火作用。上述阻化劑的防滅火機(jī)理：增強(qiáng)煤在低溫狀態(tài)下的化學(xué)惰性，降低煤炭和氧的附著力；液膜能填充煤塊和煤的表面裂隙及煤柱內(nèi)部裂隙；提高煤體蓄水能力；水分在蒸發(fā)過(guò)程中吸收煤體熱量起到降溫作用；同時(shí)降低煤體氧化速度，延長(zhǎng)自燃發(fā)火周期[3]。

2.3.2 阻化劑材料

阻化劑的選擇原則：具有較高阻化防火效果好，來(lái)源廣、易操作、成本低、無(wú)腐蝕性及無(wú)有害物質(zhì)。目前在煤礦應(yīng)用廣泛的有氯化鈣、氯化鋁、氯化鋅和氯化鎂等氯化物有較好的阻化效果。本礦井選用氯化鈣。

2.3.3 阻化設(shè)備

高壓泵采用BH40/2.5 型高壓泵，泵流量為40 L/min，額定工作壓力為1～2.5 MPa，電機(jī)功率3 kW。液壓泵由機(jī)座、防爆電動(dòng)機(jī)、霧化泵和噴槍等部分組成，液壓泵由防爆電機(jī)用V 帶驅(qū)動(dòng)液壓泵，轉(zhuǎn)速為700～800 r/min。液壓泵在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)作用動(dòng)作時(shí)，分別在三個(gè)活塞筒內(nèi)進(jìn)行三次吸液和排液。由于電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，曲軸帶動(dòng)連桿連續(xù)推動(dòng)滑塊部件作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，從而使液壓泵連續(xù)工作。

壓力表為直管標(biāo)桿式，具有抗震動(dòng)、耐疲勞、不易損壞等優(yōu)點(diǎn)，能及時(shí)讀出液壓泵當(dāng)前工作壓力。

調(diào)壓閥用來(lái)調(diào)節(jié)液壓泵工作壓力，通過(guò)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥或者逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)調(diào)壓閥來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓泵工作壓力的調(diào)整，滿足現(xiàn)場(chǎng)工作需要。

高壓膠管干管直徑為25 mm，長(zhǎng)度為250 m。高壓膠管支管為直徑13 mm，長(zhǎng)度為20 m。

2.3.4 阻化劑噴灑方式

應(yīng)用阻化劑防火方式：壓注阻化劑溶液、汽霧阻化、噴灑阻化劑溶液，根據(jù)礦井實(shí)際情況，進(jìn)行汽霧阻化應(yīng)用。

阻化汽霧預(yù)防工作面采空區(qū)煤炭自燃的工藝系統(tǒng)如如圖1 所示。載有阻化劑水溶液礦車(chē)運(yùn)動(dòng)至工作面回風(fēng)巷，防滅火液壓泵沿高壓軟管將阻化劑溶液加壓輸送到霧化器進(jìn)行噴灑，壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)控制輸送壓力。安裝在工作面與運(yùn)輸巷交匯處的霧化器，以2.5 MPa 高壓力噴出阻化汽霧，85%的阻化劑溶液被霧化為直徑30 μm 的霧粒，并由礦井通風(fēng)風(fēng)流吹向采空區(qū)。為了防止霧化器噴咀堵塞，在供液管路中應(yīng)裝有自動(dòng)過(guò)濾裝置。

向采空區(qū)噴送霧狀阻化劑之前，應(yīng)進(jìn)行采區(qū)內(nèi)的阻力測(cè)定，確定其漏風(fēng)量和漏風(fēng)方向。

噴霧量的大小與采空區(qū)丟煤量成正比。其計(jì)算公式如下：

式中：V 為日噴霧量，m3/d；K1為噴霧加量系數(shù)，取1.2；K2為每噸遺煤噴灑氣霧量，阻化劑濃度為20%，取0.02 m3/t；d 為工作面采空區(qū)丟煤率，取5%；γ 為煤的實(shí)體密度，15 號(hào)煤層為1.46 t/m3；L 為工作面長(zhǎng)度，取140 m；h 為工作面煤厚，15 號(hào)煤層回采工作面采高4.02 m；l為工作面日推進(jìn)度，取3.15 m；R 為氣霧轉(zhuǎn)化率，80%～90%，取85%。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得V=3.7 m3/d。

3 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及構(gòu)筑防火墻

1）根據(jù)實(shí)際情況安裝了SG-2003 型礦井火災(zāi)束管多參數(shù)色譜監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由安裝在礦井地面控制中心的數(shù)據(jù)處理裝置、抽氣泵及敷設(shè)在礦井中的管纜及管路附件等構(gòu)成。利用抽氣泵和管纜將井下被測(cè)點(diǎn)氣體信息取至地面進(jìn)入氣路控制裝置，在計(jì)算機(jī)的控制下進(jìn)行處理。依據(jù)長(zhǎng)期連續(xù)監(jiān)測(cè)礦井氣體成份的變化趨勢(shì)，可預(yù)報(bào)煤層的自燃發(fā)火。在15301 回風(fēng)順槽布置3 根1 芯束管，1 根測(cè)點(diǎn)在上隅角、一根測(cè)點(diǎn)在采空區(qū)、一根備用進(jìn)行邁步式推進(jìn)。兩個(gè)束管監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)間距50 m，埋入采空區(qū)最遠(yuǎn)取樣點(diǎn)距工作面為150 m，具體布置線路：地面監(jiān)測(cè)站→立井→東回風(fēng)大巷→北回風(fēng)大巷→三采區(qū)回風(fēng)→15301 回風(fēng)外段→15301 回風(fēng)→15301 上隅角→采空區(qū)。

2）構(gòu)筑防火墻，在15301 回采工作面兩順槽口5 m 范圍內(nèi)構(gòu)筑防火墻，墻體厚度為0.6 m，采用水泥、磚、黃沙等不燃性材料，墻體四周應(yīng)與巷壁好、接實(shí)，掏槽深度不小于300 mm；防火門(mén)采用內(nèi)插拆口結(jié)構(gòu)，板材厚度不小于30 mm，寬度不小于300 mm，板材要逐次編號(hào)排列擺放整齊；防火門(mén)斷面要符合行人、通風(fēng)、運(yùn)輸要求；指定專(zhuān)人定期進(jìn)行檢查維護(hù)。

4 應(yīng)用效果

河南某礦工作面防火采用以灌漿為主以及采空區(qū)注阻化劑的方案取得了良好應(yīng)用效果。當(dāng)煤層賦存條件好、生產(chǎn)接續(xù)推進(jìn)速度快、不存在采空區(qū)與老空區(qū)連通等不利情況下，要及時(shí)調(diào)整采空區(qū)日常注漿量及阻化劑量以達(dá)到節(jié)約資源的目的。

但必須具備以下三個(gè)基本條件：一是通過(guò)采空區(qū)自然發(fā)火參數(shù)的觀測(cè)研究，掌握了采空區(qū)氧化帶分布范圍、采空區(qū)氣體惰化指標(biāo)以及工作面最小推進(jìn)行速度等參數(shù)，而且工作面實(shí)際推進(jìn)速度大于工作面防火最低限度的推進(jìn)速度基礎(chǔ)參數(shù)；二是礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行完好，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)符合規(guī)程規(guī)定，而且數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠；三是加強(qiáng)裝備維護(hù)保養(yǎng)以及作業(yè)人員培訓(xùn)，保證注漿、注阻化劑能夠隨時(shí)啟動(dòng)運(yùn)行。

加強(qiáng)對(duì)漏風(fēng)測(cè)定工作，如果存在工作面與地表相溝通的外部漏風(fēng)通道，則在漏風(fēng)的地表采用鋪設(shè)黃土的方法，隔絕漏風(fēng)裂隙；如果小窯采空區(qū)與現(xiàn)有通風(fēng)系統(tǒng)形成漏風(fēng)通道，則需要加強(qiáng)對(duì)密閉措施的管理，增加嚴(yán)密性，加強(qiáng)觀測(cè)。

5 結(jié)語(yǔ)

煤炭工業(yè)的迅速興起，使得生產(chǎn)運(yùn)輸煤礦的工業(yè)廠商日漸趨增。在煤礦開(kāi)采過(guò)程中，采用更可靠的巷道通風(fēng)安全技術(shù)，精準(zhǔn)計(jì)算和分析，排查一系列內(nèi)外危險(xiǎn)，及時(shí)更新安全系統(tǒng)，應(yīng)用精尖技術(shù)，才能保障煤炭企業(yè)正常的運(yùn)作。