煤礦綜采工作面綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用研究

＊肖劍 張露

（1.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司濱湖煤礦 山東 277500 2.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司柴里煤礦 山東 277500）

伴隨著我國綜合實力的持續(xù)增強，煤炭開采已經(jīng)成為了國家進(jìn)步和發(fā)展的主要基石，并且得到了國家和社會各方面的日益重視。然而，根據(jù)我國煤炭企業(yè)的總體發(fā)展?fàn)顩r，由于火災(zāi)引發(fā)的程度不一的安全事故時有發(fā)生，這不但給施工人員的生命財產(chǎn)帶來了巨大的威脅，還對煤炭企業(yè)的自身發(fā)展產(chǎn)生了一定的影響。煤礦的五大災(zāi)難中，自燃火災(zāi)是其中的一種，如果這種情況出現(xiàn)，將有可能使得礦山的煤炭資源及生產(chǎn)設(shè)施受損，進(jìn)而導(dǎo)致工作區(qū)域及整個礦山的停止運營，同時也可能觸發(fā)如瓦斯和煤塵的爆炸等嚴(yán)重的安全問題，這將對社會的穩(wěn)定及企業(yè)的健康發(fā)展帶來巨大的威脅。為此，應(yīng)積極進(jìn)行綜采工作面綜合防火技術(shù)的應(yīng)用研究，以降低煤礦安全事故的發(fā)生幾率。

1.煤自燃的原理及危害

根據(jù)有關(guān)的調(diào)查和研究，煤炭的自燃屬性是導(dǎo)致煤礦發(fā)生火災(zāi)的首要因素。煤的自燃現(xiàn)象是由于其在被粉碎后，由于持續(xù)的氧氣供應(yīng)，其產(chǎn)生的熱量超過了消耗的熱量。這使得粉碎后煤層積累的熱量達(dá)到了其燃燒的最高點，從而引發(fā)了煤的自燃。在圖1中給出了煤炭自燃的具體條件。

圖1 煤發(fā)生自燃現(xiàn)象的條件

2.綜采工作面防滅火技術(shù)的種類

（1）液態(tài)CO2防滅火技術(shù)。在綜采面上，液態(tài)CO2通常不會與煤炭等其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)。通過將液體CO2注入到綜采工作面，使其吸附于煤層表面，滲透到工作面的裂縫中，大大降低了與煤層表面接觸的氧氣。液體CO2能將空氣中的氧氣排出，實現(xiàn)降低氧氣濃度的目的。此外，CO2的液態(tài)也具備吸取部分熱量的功能，這樣可以降低煤層的溫度和氧化速度，進(jìn)而有效地管理煤層的氧化自燃，從而降低火災(zāi)的風(fēng)險。

液態(tài)CO2防滅火系統(tǒng)分為兩大類，一是生產(chǎn)系統(tǒng)，二是附屬系統(tǒng)。生產(chǎn)系統(tǒng)由二氧化碳儲存槽及防爆橡膠管道組成，附屬系統(tǒng)有自動升壓裝置、自熱式氣化爐及防爆氣凝膠管道組成。在火災(zāi)區(qū)用液態(tài)CO2進(jìn)行滅火時，需要做如下幾個步驟：①首先用液體二氧化碳清洗輸送管線，保證管線中沒有殘留氧氣。②斷開綜采工作面一切電氣設(shè)備，撤離現(xiàn)場。③采用液體二氧化碳滅火系統(tǒng)時，必須對采掘面上的瓦斯含量及組分進(jìn)行實時監(jiān)控，以了解采掘面上的煤層自燃狀況。

（2）注液氮防滅火技術(shù)。N2屬于一種無助燃效果的無毒氣體，其有效地分隔了易燃物質(zhì)和氧，并有效地遏止燃燒現(xiàn)象。因此，使用液態(tài)氮進(jìn)行滅火處理，其依據(jù)就是N2在正常環(huán)境下，無法與煤炭產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。通過液態(tài)氮在氣化階段吸取周邊環(huán)境大部分熱量，這樣就有效地降低了采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度，進(jìn)一步實現(xiàn)了對整個開采過程中煤炭自身燃燒的控制。在真實的操作過程中，首要考慮的是預(yù)防性的開放式注氮方法。如果工作區(qū)域的CO濃度不斷增加并且溫度有所提升，這可能是煤炭自燃的跡象，那么就應(yīng)該采取封閉式注氮的方法來進(jìn)行滅火。

在初采初放期間、綜采期間和收尾期間，要及時地調(diào)整注氮的方式和方法，科學(xué)地運用注氮技術(shù)，注液氮的安全防范措施如下幾點：

①利用氣體濃度與成本監(jiān)測系統(tǒng)，對整個采礦過程中的N2、O2、CO等氣體的含量進(jìn)行實時跟蹤。如果發(fā)現(xiàn)高溫或者有毒有害氣體的含量超標(biāo)，應(yīng)立即增加液態(tài)氮的供給。②如果增加了液氮的注入量，但毒氣的數(shù)量并沒有降低，那么就應(yīng)該立即撤離操作員，并對其進(jìn)行狀況分析，找出潛在的故障隱患。③在第一次注入液氮或在停止注入氮氣后，再次進(jìn)行注入液氮的作業(yè)，首先要用液氮來清洗管路，避免被注入的部位存在空氣。

（3）均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)。所謂的均壓通風(fēng)防滅火技術(shù)，就是運用如風(fēng)窗、風(fēng)機、連接管道、調(diào)壓空間等各種通風(fēng)調(diào)控工具，來改變泄露空間的壓力分布，并且能夠有效地抑制泄露空間的壓差，從而達(dá)到阻止煤炭自燃、消除靜態(tài)火源、消除火源的效果，確保礦山的順利運作。此外，這種技術(shù)還能被進(jìn)一步劃分為如風(fēng)窗和風(fēng)機聯(lián)合均壓法、正壓通風(fēng)法等。

①風(fēng)窗與風(fēng)機聯(lián)合均壓法。這種均壓式的通風(fēng)方法有兩種：A.當(dāng)采空區(qū)后方有漏風(fēng)時，在綜采工作面的進(jìn)風(fēng)巷中，安裝與之相匹配的移動風(fēng)門，并在回風(fēng)巷中，安裝與之相匹配的調(diào)整風(fēng)窗，將工作框架拆下，并在該位置放置木垛。拆除支架時，需加強進(jìn)風(fēng)側(cè)的防滅火。B.在進(jìn)風(fēng)巷中，局部通風(fēng)設(shè)備設(shè)置在離回風(fēng)巷較近的地方。當(dāng)回風(fēng)巷中安裝了調(diào)風(fēng)孔后，運輸巷必須進(jìn)行封閉。②邊眼暢通均壓法。為了便于采煤過程中的煤炭運輸，大部分礦井都會在綜采工作面上設(shè)置邊眼。開采結(jié)束后，拆除邊孔內(nèi)的控氣裝置，對采場進(jìn)行封閉，降低運輸巷和運料巷口的壓差，防止漏風(fēng)造成的煤層氧化，降低煤層的自燃能力。③預(yù)埋管路導(dǎo)風(fēng)均壓防火法。進(jìn)風(fēng)巷、停采線和回風(fēng)巷的交界點安裝一條開放式的消防通道，同時，在通道的連接點建立一堵嚴(yán)密的防火隔離墻。在煤炭的裂縫里，泄露的空氣會被引導(dǎo)到消防管道，從而減少了采礦區(qū)域周圍的大氣壓。

3.煤礦綜采工作面綜合防滅火技術(shù)的實際應(yīng)用

(1)工作面概況

礦井南側(cè)的某煤礦綜采工作面，其右側(cè)有三個主要的巷道：材料巷、皮帶巷及回風(fēng)巷。寺塔礦位于采場的南部和西部，與同煤集團(tuán)毗鄰；2-104采場位于北部，1采場巷道位于東部。經(jīng)過區(qū)內(nèi)批準(zhǔn)的可開采煤系為山西組2#煤，其存在狀況相對穩(wěn)定，2#煤系的自燃傾向為II級，屬于自燃煤層類型。雖然平均傾斜角度為2°，平均厚度可達(dá)5.2m，但是某些煤層的厚度并不一致，其中包含0～2層的夾矸，這些夾矸的厚度大約是0.1m。該煤礦是一個高瓦斯的礦井，自2015年5月12日起，它的綜合采掘區(qū)域已經(jīng)進(jìn)行了抽取，據(jù)估算，在整個采掘過程中，其絕對的瓦斯排放量大概在5.094m3/t左右。

(2)工作面綜合防滅火技術(shù)

①埋管注氮技術(shù)。針對綜采工作面煤層自燃和采礦技術(shù)特征，采用了埋管注氮技術(shù)。其施工方法是：沿著采空區(qū)，在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)埋置2條氮氣輸送管線，分別為1#、2#管線，并與進(jìn)風(fēng)巷中的主要氮氣輸送管線對接；由于采空區(qū)的氧化區(qū)域為20～60m，所以在管線埋進(jìn)老塘30m時，就可以進(jìn)行氮氣注入，在氮氣注入管口埋進(jìn)老塘60m時，就可以停止注入，切斷氮氣注入管，然后從30m處再次打開氮氣注入，這樣就可以一直進(jìn)行下去，直到工作面停采。按照礦通風(fēng)區(qū)防火設(shè)計，在氮氣注入過程中，每小時至少要注入500Nm3。

②阻化劑防滅火系統(tǒng)。設(shè)備列車內(nèi)部安裝了這個系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，并與工作區(qū)域的噴水泵站建立了連接，隨后進(jìn)行了移動。工作面采用“四六”系統(tǒng)，每天進(jìn)行兩次采集，每次進(jìn)行四個輪次，噴灑任務(wù)由固定的檢查班次完成。當(dāng)工作面向前推進(jìn)50m時，向采空區(qū)噴灑一次，然后在300m的間隔內(nèi)再次噴灑，噴灑量不能少于2t，如此循環(huán)。

A.噴灑壓注工藝及設(shè)備。采用電動噴灑壓注系統(tǒng)，每個采礦作業(yè)區(qū)都需要一套噴灑泵。下面是詳細(xì)的操作流程：首先，將50mm的輸送膠管連接到噴射泵，接著啟動電機，利用噴射泵進(jìn)行壓注。然后，將溶液通過75mm的鐵管和50mm的輸送膠管傳送至作業(yè)區(qū)，并執(zhí)行噴灑任務(wù)。大部分噴灑區(qū)域位于采礦作業(yè)面的上、下端口及底板（頂）易燃煤的區(qū)域。

B.阻化劑材料選擇。根據(jù)阻化劑的選擇標(biāo)準(zhǔn)，選擇了具有優(yōu)秀阻化性能且易于保存和運輸?shù)墓I(yè)氯化鈣。阻化劑溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%～20%。根據(jù)2-105工作面煤層的自然發(fā)火特點，采用濃度為1.05t/m3的阻化劑溶液進(jìn)行了試驗研究。

③通風(fēng)防滅火技術(shù)。工作面的推進(jìn)率應(yīng)保持恒定，每月推進(jìn)率不得低于90m，并應(yīng)合理分布，風(fēng)量應(yīng)保持在913m3/min。在該綜采工作面前后兩端設(shè)置“L”形風(fēng)墻，可使采空區(qū)氣流分布發(fā)生變化，降低氣體向采空區(qū)的滲透率，使采空區(qū)的第三階段著火區(qū)域減小，從而減少工作面內(nèi)的撲救難度。

④氣體束管監(jiān)測。在考慮到礦區(qū)通風(fēng)設(shè)施的防火需求后，束管監(jiān)控系統(tǒng)能夠連續(xù)24h地進(jìn)行觀察，采用KSS-200型多參數(shù)氣相色譜監(jiān)測系統(tǒng)，完整、精確、即時地跟蹤和掌握工作場所和采空區(qū)的氣體濃度的變動。

A.束管監(jiān)測系統(tǒng)選型及主要指標(biāo)氣體種類。這個系統(tǒng)通過使用束管進(jìn)行取樣，并配備了地面上的抽氣泵、各類分析設(shè)備和微型計算機等，對礦井巷道、采空區(qū)和封閉區(qū)域中的CO、O2、C4H10、SF6、H2、N2、CO2、CH4、C2H2等多種氣體成分的含量進(jìn)行了連續(xù)的測量。同時，還運用GC技術(shù)對煤層自燃上升階段的各類氣體成分進(jìn)行了分析。本系統(tǒng)以CO、C2H4為主要指示性氣體，在這些指示性氣體接近臨界值時，應(yīng)立即向采空區(qū)或易發(fā)生自燃的部位注入漿液或膠凝。

B.束管采樣系統(tǒng)的布置。在輔助坑道附近設(shè)地表束流監(jiān)控中心，以回采工作面采空區(qū)和封閉式采空區(qū)為主要監(jiān)控點。將30根主要的管線放置于地面的監(jiān)測系統(tǒng)中，然后穿過副平巷，直達(dá)2#煤層201盤區(qū)，同時還會在盤區(qū)周圍布置井底的分流器。

a.工作面封閉前測點布置。在工作場所的入口、出口及排水溝道內(nèi)，根據(jù)特定的距離，各自安裝3個束管采集器和4個束管采集器，以便對采空區(qū)域進(jìn)行檢查。在150m的范圍內(nèi)，每40m就安排1個檢查站，并且要同時監(jiān)控上下排水溝道。工作面的測點分布見圖2。

圖2 工作面封閉前測點布置

b.工作面封閉后測點布置。一旦工作區(qū)域被完全封鎖，需要在入口和出口的密封環(huán)境中各設(shè)立一個檢測點，同時將束管和封閉的觀察孔管道連接起來。此外，在與火源區(qū)域相連的封閉墻壁上，也需要設(shè)立適當(dāng)?shù)臋z測點，以便于對其進(jìn)行監(jiān)控。工作面的測點分布見圖3。

圖3 工作面封閉后測點布置

c.人工檢測和取樣分析。在日常工作中，按現(xiàn)場條件選取測點，特別注意CO、C2H4、O2的溫度，每個班次都會進(jìn)行兩次檢測。一旦CO的含量或者溫度發(fā)生變化，就需要立即提高每個班次的監(jiān)控頻率。

4.結(jié)語

綜上所述，在綜合煤炭開采的過程中，由于采空區(qū)的間距較大，頂板的滑落高度也相當(dāng)高，因此容易在這個區(qū)域形成大量的松散煤塊。本文主要討論的是2#煤層在某煤礦的綜合開采中容易產(chǎn)生的自燃問題，對其實施綜合防滅火技術(shù)。通過埋管注氮、電動噴灑阻化劑等技術(shù)，同時利用氣體束管進(jìn)行持續(xù)的觀察和控制，使煤層的自燃幾率大大降低。在進(jìn)行工作面的回收過程中，回風(fēng)流量監(jiān)測區(qū)CO含量始終維持在（0～1.8）×10-6之間，且無C2H4含量，有效降低了煤層自燃風(fēng)險，保障了煤礦安全生產(chǎn)。