韓家洼煤礦22402 工作面綜合防滅火技術(shù)研究與應(yīng)用

柴衛(wèi)軍

（山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 概 況

韓家洼煤礦井田位于大同市左云縣，井田面積約為4.5 km2，設(shè)計(jì)資源儲(chǔ)量77.2 Mt，設(shè)計(jì)服務(wù)年限35.5 a，礦井主采16-2 號(hào)、19 號(hào)、22 號(hào)和25號(hào)煤層，22402 工作面位于22 號(hào)煤層采區(qū)，地表為黃土臺(tái)地沖溝和農(nóng)田，工作面煤層深216 m，煤層厚度2.16～5.43 m，平均厚度4.05 m，工作面長(zhǎng)度249 m，煤層傾角為3°～11°，采區(qū)內(nèi)揭露3條落差10 m 以上斷層。22402 工作面采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重[1]，采空區(qū)瓦斯量較大，礦井危險(xiǎn)性增高[2]，基于此進(jìn)行井下防滅火技術(shù)研究，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)井下自然氣體指標(biāo)，對(duì)出現(xiàn)自然的區(qū)域采用多系統(tǒng)協(xié)同滅火作業(yè)，杜絕井下火災(zāi)事故的發(fā)生。

2 22402 工作面煤自燃因素分析

2.1 煤自燃傾向

2022 年5 月山西省煤炭工業(yè)局測(cè)試中心對(duì)煤礦各煤層進(jìn)行了自然傾向分析，煤層吸氧量數(shù)據(jù)見表1，吸氧量均大于0.4 cm3/g[3]，表明韓家洼煤礦煤層具有自然傾向，其中22402 所屬的22 號(hào)煤層吸氧量為0.59 cm3/g，自燃等級(jí)為Ⅱ級(jí)[4]。

表1 煤的自燃傾向性分析結(jié)果匯總表Table 1 Coal spontaneous combustion tendency analysis results summary table

2.2 瓦斯抽采

礦井在工作面和風(fēng)巷均配置有瓦斯抽采管路。工作面風(fēng)量設(shè)計(jì)為1 380 m3/min，根據(jù)工作平均斷面計(jì)算風(fēng)速約為1.62 m/s，達(dá)到規(guī)定要求；22402回風(fēng)巷道實(shí)際風(fēng)量約為863 m3/min，，回風(fēng)流平均風(fēng)排瓦斯量為2.11 m3/min，則回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛葹?.24%，滿足規(guī)定要求，因此22402 工作面當(dāng)前設(shè)置的瓦斯抽采系統(tǒng)達(dá)標(biāo)，可以有效降低瓦斯爆炸風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 采空區(qū)漏風(fēng)

22402 工作面采用綜采放頂煤工藝開采，且采區(qū)內(nèi)揭露了3 條大落差斷裂帶，加之工作面開切橫截面面積大，受到地層運(yùn)動(dòng)影響，煤層裂隙增多[5]，在井下通風(fēng)系統(tǒng)作用下，裂隙、斷裂帶與采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量增加，進(jìn)一步加劇煤層自燃風(fēng)險(xiǎn)。

3 綜合防滅火技術(shù)

基于22402 工作面煤層的自燃特性以及風(fēng)險(xiǎn)因素分析，韓家洼煤礦利用多種防滅火技術(shù)進(jìn)行綜合防滅火系統(tǒng)搭建，旨在實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警與多系統(tǒng)配合滅火功能。礦井于2018 年設(shè)置JSG8 型束管采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)^(qū)域內(nèi)火災(zāi)危險(xiǎn)氣體濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[6]，并在氣體濃度超出設(shè)定閾值情況下自動(dòng)報(bào)警；2019 年建立以采空區(qū)灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合防滅火系統(tǒng)。

3.1 JSG8 型束管采樣系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

JSG8 礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由井下樣氣采集與分析模塊、地面色譜分析工作站以及數(shù)據(jù)傳輸與共享模塊構(gòu)成[7]，如圖1 所示，實(shí)現(xiàn)井下氣體火災(zāi)危險(xiǎn)組分濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、火災(zāi)預(yù)警與報(bào)警以及數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動(dòng)控制等功能[8]。①樣氣采集與分析模塊主要包括JSG8-CB8 束管樣氣采樣泵、監(jiān)測(cè)分站等核心硬件，其中監(jiān)測(cè)分站配置N2、CO、CH4、O2、CO2、C2H2、C2H4、C2H6濃度分析儀以及氧氣檢測(cè)器、控制組件、自動(dòng)校準(zhǔn)和顯示組件、數(shù)據(jù)接口組件等，完成組分氣體濃度測(cè)算原始信號(hào)收集；②地面色譜分析工作站包括色譜分析儀、監(jiān)控主機(jī)、地面光端機(jī)和工控機(jī)等，將組分氣體采集系統(tǒng)的樣氣進(jìn)行色譜分析，確定組分濃度；③數(shù)據(jù)傳輸與共享模塊包括隔爆型礦用數(shù)據(jù)交換機(jī)、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、系統(tǒng)軟件以及上位機(jī)等，負(fù)責(zé)系統(tǒng)原始信號(hào)與工程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、分析、共享，并利用系統(tǒng)軟件將組分氣體濃度數(shù)據(jù)應(yīng)用到聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，最為預(yù)警、報(bào)警等系統(tǒng)動(dòng)作的觸發(fā)信號(hào)，控制室上位機(jī)通過(guò)組態(tài)軟件將系統(tǒng)設(shè)置狀態(tài)、監(jiān)測(cè)區(qū)域組分氣體濃度、聯(lián)鎖控制系統(tǒng)狀態(tài)等集中顯示。

圖1 JSG8 型束管采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of JSG8 beam tube sampling system

（2）井下監(jiān)測(cè)方案。

22402 工作面在綜采階段和工作面封閉后采用不同的組分氣體測(cè)點(diǎn)布置方案，綜采階段JSG8 礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)束管采樣器設(shè)置在進(jìn)回風(fēng)順槽巷道，上下順槽同時(shí)監(jiān)測(cè)，采樣點(diǎn)間隔50 m，進(jìn)回風(fēng)巷道各設(shè)置3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，布置方案如圖2 所示，距離工作面最遠(yuǎn)處的采樣點(diǎn)距離超過(guò)180 m后，即可結(jié)束監(jiān)測(cè)，即組分氣體濃度監(jiān)測(cè)區(qū)域?yàn)榫嚯x工作面180 m 內(nèi)的采空區(qū)。

圖2 綜采階段22402 工作面進(jìn)回風(fēng)順槽測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.2 Layout scheme of measuring points in intake and return air crossheading of No.22402 Face in fully mechanized mining stage

22402 工作面正常封閉后將測(cè)點(diǎn)設(shè)置在密閉區(qū)域的進(jìn)回風(fēng)側(cè)，在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)密閉分別設(shè)觀測(cè)孔，并在密閉內(nèi)各布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置如圖3 所示。

圖3 工作面封閉后測(cè)點(diǎn)布置方案Fig.3 Layout scheme of measuring points after working face closure

3.2 黃泥灌漿滅火系統(tǒng)

韓家洼煤礦黃泥灌漿滅火系統(tǒng)由智能灌漿、機(jī)械攪拌灌漿組成，智能灌漿能力為80 m3/h，2 組機(jī)械攪拌灌漿池互為備用，每組攪拌能力為100 m3/h。

根據(jù)《煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范，MT/T 702-1997》 規(guī)定，采用粉煤灰漿防火時(shí)，灌漿系數(shù)為5%～15%。韓家洼煤礦灌漿系數(shù)為8%，泥漿土水比為1∶3，注漿壓力為0.35 MPa，注漿量按照煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范（MT/T 702—1997）第7.3 條灌漿量計(jì)算公式確定，礦井灌漿量為59.2 m3/h。

式中：QW為礦井灌漿量，m3/h；k 為灌漿系數(shù)，取8%；G 為日產(chǎn)煤量，取3 100 t；δ 為泥漿水土比，取3；M 為漿液制成率，取0.9；rc為煤層密度，22402 綜采工作面煤層容重為1.40 t/m3；t 為日灌漿時(shí)間，三班倒，每班4 h，取12 h。

22402 工作面黃泥灌漿滅火工藝流程如圖4 所示，將聯(lián)合制漿機(jī)將土與水按照設(shè)定比例制成漿液，通過(guò)添加懸浮劑，利用漿液自身重力與渣漿泵形成壓差，通過(guò)注漿管路將漿液輸送到注漿區(qū)域，灌漿站采用φ219 mm 無(wú)縫鋼管進(jìn)行漿液運(yùn)輸，注漿區(qū)域采用φ133 mm 無(wú)縫鋼管注漿，注漿孔φ113 mm。

圖4 黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)流程示意Fig.4 Flow diagram of yellow mud grouting fire prevention and extinguishing system

3.3 注氮滅火

22402 工作面配置了1 套井下移動(dòng)式JDY1200/97 氮?dú)獍l(fā)生裝置，作為黃泥灌漿系統(tǒng)的輔助防火手段。裝置通過(guò)空氣壓縮機(jī)將井下通風(fēng)系統(tǒng)空氣壓縮后，通過(guò)碳分子篩進(jìn)行氮氧分離，裝置出口產(chǎn)出濃度為97%以上氮?dú)?，通過(guò)工作面注氮管路將氮?dú)廨斔偷讲煽諈^(qū)，降低采空區(qū)氧含量，防止煤層自燃。制氮裝置通過(guò)井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)與井上控制室上位機(jī)進(jìn)行通訊，可以實(shí)現(xiàn)裝置運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查詢、裝置遠(yuǎn)程集控等，圖5 為控制室上位機(jī)制氮裝置監(jiān)控界面。22402 綜采工作面進(jìn)風(fēng)順槽沿采空區(qū)埋設(shè)DN250 注氮管路，注氮管道埋深達(dá)到25 m 后開始注氮，注氮壓力為0.4 MPa，采空區(qū)達(dá)到壓力后停止注氮，氮?dú)獍l(fā)生器隨工作面推進(jìn)移動(dòng)，繼續(xù)在采空區(qū)鋪設(shè)注氮管道，如此循環(huán)直至工作面開采完成。

圖5 上位機(jī)制氮裝置監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface of upper mechanism nitrogen device

4 防滅火效果分析

2022 年4 月韓家洼煤礦JSG8 型束管采樣系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到22402 綜采工作面采空區(qū)瓦斯氣體濃度升高，煤層自然風(fēng)險(xiǎn)急劇增大，煤礦及時(shí)啟動(dòng)黃泥灌漿系統(tǒng)和注氮滅火系統(tǒng)后，瓦斯氣體濃度恢復(fù)到安全數(shù)值，各類危險(xiǎn)氣體濃度變化見表2，表明韓家洼煤礦綜合防滅火系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的，防滅火效果明顯。

表2 綜合防滅火系統(tǒng)啟動(dòng)前后組分氣體濃度監(jiān)測(cè)值匯總表Table 2 Summary of monitoring values of component gas concentration before and after the start-up of the comprehensive fire prevention and extinguishing system

5 結(jié)論

針對(duì)韓家洼煤礦22402 工作面采空區(qū)遺煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重，采空區(qū)瓦斯含量高，礦井危險(xiǎn)性較大的問(wèn)題，進(jìn)行綜合防滅火技術(shù)研究，形成以下結(jié)論。

（1）設(shè)計(jì)單巷和工作面封閉后2 種監(jiān)測(cè)方案，采用JSG8 礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分析22402 工作面礦井氣體，分析結(jié)果通過(guò)工業(yè)環(huán)網(wǎng)顯示在集中控制室上位機(jī)。

（2）搭建了采空區(qū)灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合滅火防治系統(tǒng)，通過(guò)工程驗(yàn)證了綜合防滅火系統(tǒng)的有效性。