王云飛

(神東煤炭集團榆家梁煤礦，陜西省榆林市，719316)

1 概述

1.1 工作面概況

榆家梁煤礦43202工作面北部為井田邊界，西側(cè)為43203準備工作面，東側(cè)為43201采空區(qū)，南側(cè)為43煤層保安煤柱。工作面沿煤層走向布置，沿著煤層傾向推進。工作面地表標高1228～1364 m，底板標高1186～1192 m，傾向長度298.3 m，推進長度1756.4 m，傾角為1°～3°，容重1.30 t/m3，工作面回采率95.05%。工作面上覆42煤層42219工作面邊角煤短壁回采采空區(qū)，42218、42219綜采采空塌陷區(qū)及42煤層東翼大巷煤柱短壁回采采空區(qū)，層間距12～17 m。43202工作面采用傾斜長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法進行回采，工作面設計服務年限約為6個月21 d。工作面位置布置如圖1所示。

圖1 工作面布置示意圖

1.2 礦井通風

43煤層有2個進風井(43煤層進風斜井、暗平硐)、1個回風井(回風立井)?？傔M風7454 m3/min、總回風7609 m3/min，有效風量6688 m3/min。主通風機型號為FBCDZ-10-No26(B)，配套電機型號YBF450-10，現(xiàn)排風量7751 m3/min左右、風壓1460 Pa左右，等積孔3.86 m2，43202工作面配風1100 m3/min左右。

1.3 瓦斯、煤塵、自然發(fā)火情況

2018年，43煤層的礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果屬低瓦斯礦井，經(jīng)測定43煤層瓦斯絕對涌出量為1.53 m3/min，相對涌出量為0.32 m3/t。

43煤層煤塵具有爆炸性，煤塵爆炸指數(shù)為Ⅱ級。43煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為88 d。本區(qū)域地溫梯度一般小于3℃/100 m，無地溫異常，屬地溫正常區(qū)，對礦井無地熱危害。

2 工作面火災危險因素分析

2.1 內(nèi)因火災因素分析

2.1.1 43202工作面自然發(fā)火因素分析

(1)對防止自然發(fā)火有利的條件：43202工作面所采煤層可采厚度平均1.78 m，工作面設計采高2.0 m左右，實現(xiàn)了沿頂接底回采，回采率較高，采空區(qū)遺煤較少，對防止自然發(fā)火有利；由于工作面開采煤層較穩(wěn)定，計劃日推進7.0 m，月推進超過210 m，可確保將采空區(qū)氧化帶在發(fā)火期內(nèi)移至窒息帶，有利于防止采空區(qū)浮煤自然發(fā)火；工作面內(nèi)地層是以極緩的坡度向北西傾斜的單斜構(gòu)造，斷層不發(fā)育，結(jié)構(gòu)簡單。

(2)對防止自然發(fā)火不利的條件：43202工作面開采43煤層屬Ⅱ類自燃煤層，采空區(qū)遺煤存在自然發(fā)火可能性；由于煤柱支撐作用，加之退錨不及時，在兩巷道、開切眼及回撤通道形成漏風通道，煤柱受壓片幫形成碎煤堆積，因此埋下自然發(fā)火隱患；43202工作面運輸巷為沿空留巷，漏風較大，增加了采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的風險。

2.1.2 43202工作面受周邊區(qū)域火災影響分析

依據(jù)榆家梁煤礦43煤層采掘部署，43202工作面南側(cè)為43煤層輔運大巷、膠運大巷、回風大巷，巷道西側(cè)為尚未采動實體煤，東側(cè)為43201綜采采空區(qū)，北側(cè)為井田邊界，井田外無采動，43202工作面上覆42煤層42219工作面邊角煤短壁回采采空區(qū)，42219、42218綜采采空塌陷區(qū)及42煤層東翼大巷煤柱短壁回采采空區(qū)，距43煤層12～17 m。

依此判斷，43202工作面周邊無自然發(fā)火威脅；43202工作面煤層最大厚度為2.1 m，其冒落高度按4倍采高計算，最大冒落高度為8.4 m，小于43煤層與42煤層最小層間距12 m，即42煤層不可能冒落到43202采空區(qū)，其余區(qū)域上覆采空區(qū)會通過裂隙與本工作面連通，是其自然發(fā)火的最大威脅。

2.2 外因火災因素分析

43202工作面機械化程度較高，其外因火災威脅主要是機電火災，包括采煤機組、刮板輸送機驅(qū)動部位、帶式輸送機、轉(zhuǎn)載機、電纜、移變列車、開關(guān)、油脂等，工作面使用電氣焊作業(yè)是外因火災的高發(fā)點，無軌膠輪車也存在發(fā)生火災的可能性。

通過對43202工作面分析及其周邊區(qū)域自然發(fā)火因素分析，可以認為43202工作面采空區(qū)在回采期間發(fā)生自燃的可能性較低，危險程度可控，因此，防止內(nèi)因火災工作應重點著眼于預防開采時對上層煤的擾動造成上覆采空區(qū)自然發(fā)火問題；43202工作面為綜合機械化采煤工作面，存在以機電火災為主的外因火災因素。

3 自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)

建立以礦井束管監(jiān)測系統(tǒng)為主、人工取樣監(jiān)測為輔，結(jié)合安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)、便攜式儀器儀表監(jiān)測的自然發(fā)火預測預報措施。

3.1 工作面氣體監(jiān)測

工作面回采過程中，工作面氣體的監(jiān)測主要采用安設CO、O2、CH4、煙霧和溫度傳感器實現(xiàn)。

(1)43202回風巷距工作面小于10 m范圍內(nèi)，安裝CH4傳感器T1、溫度傳感器T2、CO傳感器T3、粉塵傳感器T4，傳感器應垂直懸掛，距頂板(梁)不得大于300 mm，距巷道側(cè)壁不小于200 mm，傳感器應設置在能準確、可靠反映監(jiān)測點實際情況的地方。

(2)在43202綜采工作面機尾上隅角距老空區(qū)切頂線不大于800 mm，距頂不大于300 mm，距煤壁大于等于200 mm且小于等于500 mm處，安裝設置CH4傳感器T5，O2傳感器T6，CO傳感器T7。

(3)在43202回風巷配電點上風側(cè)3～5 m設置CH4傳感器T8，溫度傳感器T9。

(4)在43202回風口10～15 m范圍內(nèi)安裝設置CH4傳感器T10，溫度傳感器T11。

(5)在43202運輸巷轉(zhuǎn)載機巷道機尾下風側(cè)10～15 m設置CO傳感器T12，煙霧傳感器T13；工作面采煤機機身安裝CH4傳感器T14。

(6)各類傳感器必須符合下列要求：T1、T5、T14：報警點≥1.0%，斷電點≥1.5%，復電點<1.0%；T10：報警點≥1.0%，斷電點≥1.0%，復電點<1.0%；T3、T7、T13：報警值≥0.0024%；T6：報警點<18%；T2、T9、T11：報警點≥30℃；T14：煙霧傳感器遇煙霧報警。

3.2 采空區(qū)氣體監(jiān)測

3.2.1 上層采空區(qū)氣體監(jiān)測

工作面回采過程中，在兩巷道探放水孔或者施工鉆孔，安設多功能氣樣采集裝置，實現(xiàn)對42煤層采空區(qū)“兩道”區(qū)域進行負壓采氣測溫，安設位置及數(shù)量根據(jù)現(xiàn)場情況綜合確定，安設間距不低于100 m，取樣周期為每周一次，當發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域有氣體異常時，加密取樣周期，加大監(jiān)測力度。氣樣采集裝置安設工藝如圖3所示。

1—溫度傳感器；2—采氣孔；3—過水弧孔；4—注(放)水弧孔；5—取氣管；6—測溫導線；7—取氣管接頭；8—高壓膠管接頭；9—支撐保護桿體；10—高壓膠管；11—取氣(測壓)連接口；12—測溫連接口；13—注(放)水連接口；14—封口膠囊圖2 多功能氣樣采集裝置原理

(2)溫度監(jiān)測。紅外成像探測主要用于井下煤巷、井下煤柱、煤層破碎頂板等自燃隱患處的溫度探測，其原理是基于自然界中一切溫度高于絕對零度的物體，每時每刻都輻射出紅外線，同時這種紅外線輻射都載有物體的特征信息，這就為利用紅外技術(shù)判別各種被測目標的溫度高低和熱分布場提供了客觀的基礎，其探測深度可超過10 m。

在43202工作面回采過程中，利用T335型紅外熱成像儀對沿空留巷柔模砼墻、工作面頂板壓力集中區(qū)域進行紅外掃描，掃描頻次為每兩月1次。T335型紅外熱成像儀照片如圖4所示。

1-封口膠囊；2-支撐保護桿體；3-測溫導線；4-注(放)水連接口；5-測溫連接口；6-溫度傳感器；7-過濾器；8-取氣氣囊圖3 多功能氣樣采集裝置安設工藝示意圖

圖4 T335型紅外熱成像儀

3.2.2 本采空區(qū)氣體監(jiān)測

(1)鄰近采空區(qū)監(jiān)測。

①氣體監(jiān)測。通過42202工作面后部采空區(qū)沿空側(cè)巷柔模砼墻觀測孔，采集43202采空區(qū)氣樣進行分析；通過42201采空區(qū)密閉墻觀測孔，采集43201采空區(qū)氣樣進行分析。

具體做法為：采用球膽或聚氯乙烯袋采集氣樣，使用前應進行氣密性檢查。檢查時，先將球膽或聚氯乙烯袋充滿空氣，用彈簧夾將氣嘴夾緊，然后將整個球膽或聚氯乙烯袋全部浸入水中，檢查是否有小氣泡滲出。當確認不漏氣時，才可使用。井下采樣前讓真空泵預抽3～5 min，排盡束管內(nèi)原有氣體，再對采樣袋進行沖洗。沖洗時，先將采樣袋原有氣體全部擠出，然后用被采樣的氣體充滿采樣袋，再壓擠、排盡，反復3次，才開始采樣。取樣周期為每周一次，當發(fā)現(xiàn)監(jiān)測區(qū)域O2濃度大于5%且CO有穩(wěn)定上升趨勢時，加密取樣周期，加大監(jiān)測力度。

②溫度監(jiān)測。TES1319型桿式測溫裝置由測溫桿體、引線、數(shù)字溫度表等組成，其中測溫桿體長2.5 m，引線長2 m，測溫深度在2.5 m范圍內(nèi)可自由調(diào)節(jié)。TES1319 型桿式測溫裝置如圖5所示。

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圖5 TES1319 型桿式測溫裝置

在43202后部采空區(qū)沿空側(cè)巷柔模砼墻觀測孔和42201采空區(qū)密閉墻觀測孔，借助TES1319 型桿式測溫裝置，對43202后部采空區(qū)、43201采空區(qū)溫度進行觀測，預測預報后部采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險性。

(2)本采空區(qū)監(jiān)測。

在43202工作面回風側(cè)采空區(qū)至少布置3個監(jiān)測點，相鄰監(jiān)測點間隔50 m，沿工作面回風巷道底板靠外幫向采空區(qū)預埋三芯束管，外套2寸的無縫鋼管保護，每芯束管連接一個裝有保護套管的測點采樣器，其結(jié)構(gòu)如圖6所示。

1—束管；2—1寸或2寸鋼管；3—密封材料(例如樹脂)；4—采樣器護套；5—透氣孔；6—濾塵海棉或采樣器；7—管箍圖6 測點采樣器的結(jié)構(gòu)示意圖

隨著工作面的推進，1#、2#、3#束管采樣器依次進入采空區(qū)，在工作面推過3#束管采樣器約50 m時，把1#束管采樣器截開，重新布點，依次循環(huán)，直至整個工作面回采結(jié)束。如埋入采空區(qū)內(nèi)采樣點外O2濃度小于5%時，CO濃度穩(wěn)定后，該采樣點可以提前停止采樣；如果O2濃度大于5%且CO有上升趨勢，則根據(jù)實際情況，加大兩取樣點間距。監(jiān)測點隨著工作面的推進，逐步進入散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶，根據(jù)束管監(jiān)測分析結(jié)果，可以判斷采空區(qū)內(nèi)遺煤低溫氧化程度和自燃發(fā)展趨勢，并可初步掌握采空區(qū)自燃“三帶”的范圍。

4 防滅火措施

4.1 注惰氣防火

4.1.1 上層采空區(qū)

工作面正常生產(chǎn)時，當采空區(qū)氣體異常時，利用43202工作面兩巷道的探放水鉆孔向42煤層采空區(qū)壓注氮氣。

4.1.2 本層采空區(qū)

工作面正常生產(chǎn)時，采取全斷面埋管方式進行帷幕注氮氣，具體為沿工作面后部全斷面鋪設?50 mm PVC全花眼注氮管，并與進風巷道預先鋪設的注氮管路連接，工作面推進100 m后，開始注氮，同時埋入第二條注氮管路，當推過第二條注氮管路100 m后，停止第一條管路的注氮，開啟第二條注氮管路，以此類推，直到工作面采完為止。注氮管路埋設及釋放口位置如圖7所示。

氮氣釋放口之間的距離，應根據(jù)采空區(qū)“三帶”寬度、注氮方式和注氮強度、氮氣有效擴散半徑、工作面通風量、自然發(fā)火期、工作面推進度以及采空區(qū)冒落情況等因素綜合確定。

圖7 注氮管路埋設及釋放口位置

4.2 注漿防火

預防性注漿能有效封堵漏風通道(包括上下煤層層間的漏風通道)、惰化遺煤，且時效較長，有效地減小上覆采空區(qū)對本煤層正?；夭傻挠绊懀兄谙聦用旱陌踩_采。

在榆家梁煤礦工業(yè)廣場安裝了MDZ-60/120地面注漿防滅火系統(tǒng)，制漿能力可達60～120 m3/h，采用含砂黃土作為主料，土水比為1∶3，可適量添加粉煤灰和懸浮劑，水量備用系數(shù)1.1，泥漿制成率0.88，滿足漿液灌輸要求。

4.2.1 上層采空區(qū)注漿

工作面正常生產(chǎn)時，根據(jù)頂板高程，利用工作面兩巷道的探放水鉆孔向42煤層采空區(qū)注漿。

4.2.2 本層采空區(qū)注漿

工作面回采過程中，利用巷道預埋管路采用踏步式注漿工藝向采空區(qū)壓注漿液，進行預防性注漿；根據(jù)底板高程，當工作面推過低洼處時，向該區(qū)域大流量壓注漿液，起到封堵漏風的作用。

4.3 注膠(膏)體防火

因膠(膏)體材料具有滲透和堵漏性、阻化性、熱穩(wěn)定性、充填性能及滅火安全性，利用灌漿注膠(膏)系統(tǒng)，通過巷道預埋管路，向43202采空區(qū)兩巷道進行區(qū)域注膏體，注膏步距定位300 m，進一步封堵兩巷道向深部采空區(qū)的漏風通道。

4.4 采空區(qū)堵漏防滅火

(1)工作面開采前，安排專人全面排查工作面地表的塌陷漏風情況，并及時回填，減少地表漏風。

(2)工作面回采過程中產(chǎn)生連通地表的裂隙是導致井上下漏風的主要原因。工作面在回采期間，安排專人每天對地表進行巡查，保證不滯后工作面100 m，發(fā)現(xiàn)裂隙馬上回填，并要保證回填質(zhì)量，減少地表漏風。

(3)地表巡檢時，對地表裂隙進行插管取樣分析。插管取樣位置選定在工作面兩巷道對應地表向工作面中部50 m范圍內(nèi)。采氣管盡可能地深入地表裂隙，采氣管端部花管長度不得低于400～500 mm，采氣距離不得滯后工作面300 m。

(4)對鄰近采空區(qū)密閉及周圍巷道圍巖進行全面噴漿堵漏，防止漏風，同時還要監(jiān)測密閉漏風情況，定期進行壓差測定工作。

(5)在工作面進、回風隅角吊掛擋風板，將機尾支架及時拉到位。

(6)對工作面上下端頭進行封堵，其方法為：在工作面上下端頭支架與巷道壁之間砌沙袋閉墻，錯縫碼放，閉墻寬度不得小于2 m，并且必須與巷道上幫和頂板接實接嚴。同時，考慮頂板冒落距離和氧化帶寬度以及聯(lián)巷間距，封堵墻距離選擇50～80 m。

4.5 其他防滅火措施

(1)穩(wěn)定、合理的配風量。回采工作面的風量必須按設計供給，并保持穩(wěn)定，不能時大時小，造成采空區(qū)氧化帶寬度的不穩(wěn)定和氧化速度加快，穩(wěn)定的風量有利于回采工作面上隅角瓦斯、CO等有毒有害氣體溢出量保持穩(wěn)定。

(2)提高工作面回采率。盡可能提高工作面的回采率，工作面、通風不良地點、停采線及開采線的浮煤必須清理干凈。

5 應急處置措施

當檢測到CO濃度異常并持續(xù)上升時，首先應分析判斷浮煤自燃異常區(qū)域的位置；其次分析判斷采空區(qū)浮煤自燃發(fā)展程度，指導下一步控制技術(shù)措施。

(1)本層采空區(qū)。利用井下移動液態(tài)CO2罐體，連接工作面運輸巷預先敷設的措施管路，向采空區(qū)壓注液態(tài)CO2，降低采空區(qū)內(nèi)O2濃度，減緩煤自然氧化反應速度。

利用地面黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)向采空區(qū)連續(xù)灌注黃泥漿，覆蓋和包裹煤體，降低煤體溫度。

(2)上層采空區(qū)。通過工作面巷道向42煤層采空區(qū)施工密集鉆孔，根據(jù)底板高程，向上分層采空區(qū)連續(xù)壓注三相泡沫滅火材料。

采用氣動潛孔錘施工工藝，跟管鉆進直接成孔，向42煤層采空區(qū)施工地表鉆孔，大流量壓注黃泥漿液。

6 結(jié)語

采用沿空留巷新工藝回采的工作面，采空區(qū)漏風量增大，制定和采取必要的防滅火方案及措施非常重要；同時在回采過程中通過井上下堵漏，減少回采過程中本采空區(qū)和相鄰采空區(qū)的漏風，能保證工作面風量和用風地點氣體濃度；減少采空區(qū)遺煤，對易自燃煤層的開采過程中的防滅火工作提供技術(shù)支持，確保了礦井安全高效生產(chǎn)。