薛緯

關(guān)鍵字 綜合防滅火；注氮；漏風(fēng)通道

1 工作面概況

馬脊梁礦石炭系3#煤層自燃傾向性等級(jí)為：Ⅱ級(jí)，自燃傾向性為：自燃，最短自燃發(fā)火期為52天，原煤的吸氧量：0.50 cm3/g。3#煤層8101 工作面煤層厚度5.90～8.40 m、平均7.10 m，綜采放頂煤工藝開采，工作面長度239.4 m，傾向長度1 960 m。工作面進(jìn)、回風(fēng)巷沿煤層底板布置，頂回風(fēng)巷沿煤層頂板布置，采用皮帶巷進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)巷、頂回風(fēng)巷回風(fēng)的“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式。

石炭系3#煤層上覆為侏羅系11#、14-2#、14-3#煤層406 盤區(qū)，煤層間距100 m 左右，回采期間各煤層上下均存在塌通現(xiàn)象。11#層402、404、406盤區(qū)周圍為蔡家坪、甘溝、南廟小窯破壞區(qū)，該三座小窯存在火區(qū)，采空區(qū)塌通后，受馬脊梁礦負(fù)壓影響，直接將小窯內(nèi)火區(qū)有害氣體帶入馬脊梁礦，并形成漏風(fēng)通道，隨著工作面的不斷推進(jìn)，發(fā)火勢(shì)必成為制約工作面安全生產(chǎn)的隱患。因此，制定有針對(duì)性的防滅火技術(shù)措施，消除火災(zāi)隱患是工作面安全生產(chǎn)的重點(diǎn)[1]。

2 綜合防滅火技術(shù)

2.1 地表裂隙充填

石炭系3#煤層8101 面回采期間與上覆侏羅系14-2#、14-3#煤層406 盤區(qū)塌通后，受主要通風(fēng)機(jī)負(fù)壓影響，形成采空區(qū)漏風(fēng)通道，為避免上覆有害氣體下泄，對(duì)上覆對(duì)應(yīng)的地表裂隙進(jìn)行了排查與充填，共充填黃土50 425 m3，有效的進(jìn)行了堵漏。

2.2 西一回風(fēng)斜井擔(dān)負(fù)區(qū)域降阻

對(duì)石炭系回風(fēng)流流經(jīng)的11#層總回305盤區(qū)軌道、皮帶、回風(fēng)巷三座風(fēng)橋進(jìn)行了拆除、充填；對(duì)侏羅系11#層局部阻力大的區(qū)域進(jìn)行了斷面擴(kuò)大，達(dá)到10 m2以上；對(duì)11#層軌道巷通1136大巷的擋風(fēng)墻進(jìn)行了拆除，減少了局部阻力，總計(jì)降阻230 Pa。

2.3 工作面綜合防滅火方法

石炭系3#煤層8101工作面開采煤層屬自燃煤層，所以必須考慮對(duì)煤層自然發(fā)火采取綜合防治措施，采取以注氮為主，阻化計(jì)噴灑、端頭封堵等為輔的綜合防滅火措施來預(yù)防工作面自然發(fā)火[2-3]。

2.3.1 注氮系統(tǒng)

氮?dú)馐且环N氮惰性氣體，隨著空氣中氮?dú)夂康脑黾樱鯕夂勘厝唤档?。?jù)有關(guān)資料介紹：當(dāng)氧氣含量低到5～10%時(shí)，可抑制煤炭的氧化自燃；氧氣含量降至3%以下時(shí)，可以完全抑制煤炭等可燃物的陰燃與復(fù)燃?；谏鲜龅?dú)獾男再|(zhì)及煤的氧化機(jī)理，向采空區(qū)及遺煤帶注入氮?dú)?，使其滲入到采空區(qū)冒落區(qū)、裂隙帶及遺煤帶，降低這些區(qū)域的氧含量，形成氮?dú)舛杌瘞?，可達(dá)到抑制采空區(qū)自燃。石炭系3#煤層8101工作面正常開采期間，井下用移動(dòng)注氮機(jī)對(duì)該面采空區(qū)進(jìn)行注氮。

（1）制氮能力的確定

本著滿足3#煤層8101綜放面注氮防滅火需要，又兼顧全礦達(dá)產(chǎn)后防滅火的需要，制氮能力的確定主要依據(jù)MT/T701-1997《煤礦用氮?dú)夥罍缁鸺夹g(shù)規(guī)范》，現(xiàn)依據(jù)3#煤層8101 綜放面的設(shè)計(jì)能力為300 萬噸，“四六”工作制，按330天計(jì)算，日產(chǎn)原煤9 091 t。

按采出的空間，即在單位時(shí)間內(nèi)注氮充滿采煤所形成的空間使氧氣濃度降到惰化指標(biāo)以下計(jì)算注氮量：

式中：A——年產(chǎn)量，t，3#煤層8101 工作面年產(chǎn)量3 Mt/a；

t——年工作日，300 d；

ρ——煤的密度，1.4 t/m3；

n1——管路輸?shù)剩?0%；

n2——采空區(qū)注氮效率，80%；

C1——采空區(qū)空氣中氧的含量，20.8%；

C2——采空區(qū)防火隋化指標(biāo)，7%。

由上式可得3#煤層8101工作面采空區(qū)需氮量為：

按采空區(qū)氧化帶氧含量計(jì)算注氮量：

式中：Qv——采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，m3/min；

C1——采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，%；

C2——采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，其值為煤自燃臨界氧濃度，%；

Cn——注入氮?dú)獾臐舛龋?。

由上式可得3#煤層8101工作面采空區(qū)需氮量為：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并結(jié)合同忻礦、塔山礦的成功經(jīng)驗(yàn)，3#煤層8101工作面防滅火注氮量取14 m3/min（840 m3/h）。

（2）制氮機(jī)的型號(hào)及參數(shù)

馬脊梁礦井下穩(wěn)設(shè)四臺(tái)膜分離式井下移動(dòng)式制氮裝置對(duì)采空區(qū)進(jìn)行注氮防火。二臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，二臺(tái)備用。型號(hào)為：MD-1200，注氮量為1 200 m3/h。滿足3#煤層8101工作面需足夠的備用。

（3）3#煤層8101工作面輸?shù)芫W(wǎng)設(shè)計(jì)

注氮機(jī)安設(shè)在3#層I 盤區(qū)注氮機(jī)硐室內(nèi)。正常生產(chǎn)期間注氮路線為：3#層I 盤區(qū)注氮機(jī)硐室→3#層I 回風(fēng)巷→2101 巷回風(fēng)繞道→2101 進(jìn)風(fēng)順槽→3#煤層8101 工作面古塘氧化帶；停采期間注氮路線為：3#層I盤區(qū)注氮機(jī)硐室→3#層I 回風(fēng)巷→5101 巷回風(fēng)繞道→5101回風(fēng)順槽→3#煤層8101工作面停采線。

選用φ 273 mm無縫鋼管，一趟沿2101巷布置，總長度2 110 m，另一趟沿5101巷布置，總長度600 m，各管路均采用法蘭連接。

（4）注氮防滅火工藝和方法

根據(jù)本礦井的開拓布置、煤層自燃傾向、發(fā)火周期和工作面開采情況，采用埋管注氮工藝。具體作法是在3#層8101綜放面的進(jìn)風(fēng)端頭沿采空區(qū)埋設(shè)一趟273 mm鋼絲纏繞管路，并與進(jìn)風(fēng)巷主注氮管路對(duì)接（鋼管隨推進(jìn)度逐漸回撤）；當(dāng)管路埋入古塘50 米后開始注氮，同時(shí)又埋入第二趟注氮管路（注氮管口的移動(dòng)步距為50米），當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢牍盘?0米后向采空區(qū)注氮，同時(shí)停止第一趟管路的注氮，并又重新埋設(shè)注氮管路，如此循環(huán)，直到工作面停采線為止?；仫L(fēng)巷注氮管接至停采線往里20 米內(nèi)，當(dāng)停采撤退期間，進(jìn)行注氮，直至工作面封閉。

注氮方式根據(jù)對(duì)火情的預(yù)測(cè)情況，當(dāng)工作面推進(jìn)正常，根據(jù)采空區(qū)注氮量需求，每天注氮不小于10h。

2.3.2 端頭封堵

端頭封堵作為防滅火的輔助手段，能有效減少采空區(qū)漏風(fēng)、縮短采空區(qū)氧化帶長度，降低采空區(qū)自然發(fā)火隱患。在工作面頭、尾部每隔20米各構(gòu)筑一道粉煤灰墻，頭部每3～5 米吊掛一道風(fēng)障封堵墻必須從煤幫構(gòu)筑到后溜尾處，確保將端頭封堵嚴(yán)實(shí)。

2.3.3 采空區(qū)噴灑阻化劑

阻化劑的藥液濃度是使用阻化劑防滅火的一個(gè)重要參數(shù)，它決定防火效果，又影響噸煤成本。采用20%濃度的MgCL2溶液，其阻化率較高，防火效果較好。

噴灑阻化劑系統(tǒng)：在泵站列車掛兩個(gè)平板車，一個(gè)平板車上安裝一臺(tái)三柱塞高壓泵，另一臺(tái)平板車上安裝1.2 m×1.5 m×1.2 m 的水箱，水箱盛放MgCL2液。10 m×φ 50 mm高壓吸液管、型號(hào)為TJ02A三柱塞高壓泵一臺(tái)，50 m×φ 50 mm的高壓排液管，沿工作面方向支架處設(shè)5段各50 m×φ 40 mm軟膠管，每段膠管用三通閥門連接，通過噴液嘴噴灑MgCL2液。

阻化劑噴灑工藝：

①工作面切眼、停采線噴灑

在綜采工作面切眼、停采線以及兩端頭處，噴灑MgCL2溶液要求全面積覆蓋底板。切眼和停采線的煤柱煤壁采用噴灑阻化劑（泡沫），將裸露煤體封閉。

②工作面回采過程中的氣霧阻化

在工作面回采過程中，采用機(jī)動(dòng)性噴灑壓注工藝。噴灑壓注設(shè)備安裝在2101 巷。配置好的阻化液通過TJ02A 三柱塞高壓泵，經(jīng)管路霧化器借助漏風(fēng)噴向采空區(qū)。

③工作面回采結(jié)束密閉

當(dāng)工作面回采完畢后，在密閉墻往工作面方向50米范圍內(nèi)，頭尾巷全部噴注阻化劑，防止采空區(qū)自燃。

工作面最小控頂距5.735 m，最大控頂距6.535 m。所以按工作面最小控頂距為一次噴灑寬度，即噴灑寬度為5.735 m。工作面每天在檢修班噴灑一次，工作面一次噴灑量包括底板浮煤和護(hù)頂煤的噴灑量。

1）工作面底板浮煤噴灑量

式中G1——按重量計(jì)算底板浮煤一次噴灑，kg；

K1——一次噴灑加量系數(shù)，取1.2；

K2——松散煤（浮煤）的密度，t/m3；

L——工作面長度，m；

B——一次噴灑寬度，m；

h1——底板浮煤厚度，m，取0.02 m；

A1——原煤(浮煤)的吸藥液量，kg/t；則本礦工作面底板浮煤一次噴灑量為：

2）工作面護(hù)頂煤噴灑量

綜放工作面的過渡支架和端頭架需要對(duì)其頂煤噴灑阻化劑。

G2=K3LBhA1

式中G2——按重量計(jì)算護(hù)頂煤一次噴灑量，kg；

K3——護(hù)頂煤（原煤）的密度，t/m3；

L——護(hù)頂長度，m；

B——次噴灑寬度，m；

h——頂板浮煤厚度，m，取0.002 m；

A1——護(hù)頂煤的吸藥液量，一般為11 kg/t；

則本區(qū)工作面護(hù)頂煤浮煤一次噴灑量為：

工作面一次噴灑所需阻化劑用量為：

2.3.4 火災(zāi)監(jiān)測(cè)與治理

工作面開始推進(jìn)時(shí)，由于此時(shí)工作面推進(jìn)速度很慢，需要加強(qiáng)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工。工作面推進(jìn)一定距離后，即可對(duì)采空區(qū)內(nèi)連續(xù)注入高純度小流量的氮?dú)狻Ｈ舫霈F(xiàn)自燃，則在進(jìn)、回風(fēng)巷內(nèi)向切眼打鉆孔注入MgCL2或防滅火膠體滅火。

工作面推過切眼進(jìn)入氧化帶后，應(yīng)向切眼區(qū)域注入氮?dú)?，使該區(qū)域得到惰化。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)出現(xiàn)一定量的CO，可判定浮煤處于緩慢氧化階段時(shí)，可每天不少于10h向采空區(qū)注入氮?dú)?。?dāng)采空區(qū)或工作面出現(xiàn)一定量的CO和C2H4，可判定浮煤處于加速氧化階段時(shí)，可每天向采空區(qū)注入氮?dú)?，并進(jìn)行火災(zāi)隱患部位注入MgCL2滅火。當(dāng)采空區(qū)出現(xiàn)一定量的CO、C2H4和C2H2，可判定處于劇烈氧化階段時(shí)，可每天24h 向采空區(qū)注氮和火災(zāi)隱患部位注入粉煤灰（黃泥）、MgCL2滅火。在有條件的情況下，由地面鉆孔注漿充填滅火。

當(dāng)工作面因故停采和推進(jìn)速度慢時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)上、下隅角和支架上方自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作；如出現(xiàn)較長時(shí)間的停采，每天應(yīng)向采空區(qū)氧化帶進(jìn)行連續(xù)24h 注氮。

工作面停采撤架時(shí)，在保證工作面和回風(fēng)巷瓦斯不超標(biāo)的情況下，應(yīng)盡可能降低工作面通風(fēng)量，并進(jìn)行每班連續(xù)檢測(cè)，此時(shí)應(yīng)進(jìn)行采空區(qū)連續(xù)注氮和灌漿。

對(duì)支架上方管理溫度為30℃，使用紅外測(cè)溫儀檢測(cè)支架上方和支架間溫度，當(dāng)出現(xiàn)明顯的煤壁和支架掛汗現(xiàn)象、焦油味、煙氣味或芳香味，應(yīng)及時(shí)注水降溫，或使用注漿泵進(jìn)行插管注防滅火膠體，有條件時(shí)進(jìn)行鉆孔注MEA。若3#煤層8101 綜放工作面支架上部出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，采用在支架間隙向上插管或鉆孔注入MEA等方法進(jìn)行處理。

3 結(jié)論

通過采取注氮、端頭封堵、噴灑阻化計(jì)等綜合防滅火措施，在正?；夭善陂g上隅角溫度保持在24攝氏度左右，CO濃度約為6～10 ppm；在撤退搬家期間CO濃度約為10 ppm，對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火起到了抑制作用，為馬脊梁礦8101 工作面順利開采及撤退搬家提供了安全保障。