秦 鵬，楊子祥

（山東省天安礦業(yè)集團(tuán)業(yè)有限公司，山東曲阜 273100）

0 引言

綜合機(jī)械化放頂煤采煤法（簡稱綜放）工作面自然發(fā)火具有隱蔽性、災(zāi)害性大、隱患位置不易處理等難點(diǎn)，臨時(shí)停工的綜放工作面防滅火措施管控不嚴(yán)極易造成自然發(fā)火事故，給礦井帶來巨大安全隱患。對于臨時(shí)停工的綜放工作面，往往選擇封閉的方式來抑制采空區(qū)自然發(fā)火隱患，但是對于兩順槽長度超千米的綜放工作面，封閉后的防火處理不易實(shí)施，風(fēng)險(xiǎn)大、防滅成本高且啟封程序復(fù)雜、繁瑣、代價(jià)高。

如何在工作面不封閉的情況下，有效消除綜放工作面臨時(shí)停工期間的自然發(fā)火隱患，成為自然發(fā)火礦井面臨的難題。以星村煤礦綜放工作面為例，吸取以往綜放工作面停工防火處理的經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合工作面停采時(shí)的地質(zhì)條件等其他參數(shù)，最終確定均壓、注氮、注阻化泡沫、兩端頭停工位置掛柔性充填膜袋充填LFM 充填料、束管分析結(jié)合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測預(yù)報(bào)等綜合預(yù)防治理措施。

1 自然發(fā)火重大風(fēng)險(xiǎn)管控技術(shù)

1.1 均壓

均壓防滅火的實(shí)質(zhì)是利用調(diào)節(jié)風(fēng)窗、調(diào)壓氣室和連通管等調(diào)壓設(shè)施，改變漏風(fēng)區(qū)域的壓力分布，降低漏風(fēng)壓差、減少漏風(fēng)達(dá)到抑制遺煤自燃、惰化火區(qū)或熄滅火源的目的，保證工作面正常安全生產(chǎn)。根據(jù)集團(tuán)公司風(fēng)量計(jì)算方法結(jié)合礦井實(shí)際，依據(jù)工作面氣象條件計(jì)算該工作面正常生產(chǎn)期時(shí)，所需風(fēng)量980 m3/min；通過調(diào)節(jié)工作面運(yùn)煤聯(lián)絡(luò)巷調(diào)節(jié)風(fēng)窗，結(jié)合過往綜放工作面停工經(jīng)驗(yàn)，確定停工期間工作面風(fēng)量調(diào)整為500～600 m3/min。

1.2 注氮

氮?dú)馐且环N不自燃也不助燃的惰性氣體，采用氮?dú)夥罍缁穑軌蚪档投杌臻g內(nèi)的氧濃度，抑制遺煤氧化自燃，促進(jìn)火源窒息，并降低惰化空間內(nèi)氣體的可燃、可爆性。同時(shí)能夠使防滅火區(qū)域形成正壓，有效減少防滅火區(qū)域的漏風(fēng)。

（1）注氮方式。注氮方式可分為連續(xù)式注氮和間歇性注氮。臨時(shí)停工的綜放工作面宜采用連續(xù)性注氮。

（2）氮?dú)鈦碓醇白⒌O(shè)備。氮?dú)獠捎靡簯B(tài)氮，由槽車運(yùn)輸預(yù)存入低溫貯氣罐中或直接與MYQ-1 型氮?dú)夥罍缁鹧b置連接汽化，通過輸?shù)苈穳鹤⒌皆摴ぷ髅娌煽諈^(qū)隱患點(diǎn)，從而消除火災(zāi)隱患。

（3）一次注氮強(qiáng)度的確定。按噸煤注氮量計(jì)算，此法計(jì)算是指綜放面每采出1 t 煤所需要的防火注氮量。根據(jù)國內(nèi)外的經(jīng)驗(yàn)，每噸煤需5 m3的氮?dú)饬浚?jì)算公式為：

式中 QN——注氮流量，m3/min

A——年產(chǎn)量，t

K——工作面回采率，%

此礦井年產(chǎn)量900 000 t，代入計(jì)算QN=5×85%×900 000/（300×60×24）=8.85 m3/min。

（4）壓注氮?dú)夤に嚒５獨(dú)夥乐蚊簩幼匀话l(fā)火，是借助液態(tài)氮?dú)馄螽a(chǎn)生的壓力，通過管路或鉆孔將其注入防滅火區(qū)域，利用氮?dú)獾姆罍缁鹦阅軐饏^(qū)進(jìn)行降溫和惰化。氮?dú)馄b置安裝在地面，通過注氮管路向井下該工作面采空區(qū)壓注。工作面兩順槽分別敷設(shè)一路注氮管路，根據(jù)采空區(qū)氣體分析情況選擇合適管路注氮。

（5）注氮系統(tǒng)。通過注氮管路系統(tǒng)壓注，出口選擇在進(jìn)入采空區(qū)20 m 以上的管路。為防止管路內(nèi)空氣進(jìn)入采空區(qū)增加采空區(qū)內(nèi)氧氣含量，在該工作面軌道順槽管路進(jìn)入采空區(qū)前設(shè)置放空閥和截止閥，注氮前將放空閥打開、其后的截止閥關(guān)閉，并使用便攜式氧氣檢測報(bào)警儀檢測氣體中氧氣濃度，當(dāng)氧氣濃度低于5%后打開截止閥，同時(shí)關(guān)閉放空閥，開始向采空區(qū)注氮。注氮開始流量控制在＜100 m3/h，利于排除管路中的空氣，操作放空閥人員須將管路固定，防止擾動危及作業(yè)人員安全，并時(shí)時(shí)檢查氣體濃度，先觀察后檢測，防止排除的管路中的水損壞儀表；安排專人在集中回風(fēng)巷沉淀池漸漸放出管路中的存水，降低空氣流動阻力。存在自燃隱患時(shí)流量≥600 m3/h，保證氣體勻速流向采空區(qū)對煤體惰化。

1.3 注阻化泡沫

（1）將發(fā)泡噴射器和氣動泵放在現(xiàn)場的適當(dāng)位置，將溶劑箱刷干凈放在氣動泵附近。

（2）檢查注氮系統(tǒng)的各閘閥是否處于正確的開關(guān)位置，采面附近的大閘閥處于關(guān)閉位置，大閘閥前的閥門處于關(guān)閉位置。

（3）檢查完設(shè)備后，通知注氮站下氮?dú)?，將注氮系統(tǒng)與發(fā)泡器之間連接相應(yīng)的管路；發(fā)泡器入口與氣動泵管路連接；發(fā)泡器出口與進(jìn)入采空區(qū)的注漿管連接。

（4）按比例向溶劑箱內(nèi)添加防火劑與阻化泡沫（防火劑添加比例為3‰左右，發(fā)泡劑3%左右），然后聯(lián)系注氮站開始供氮，當(dāng)?shù)獨(dú)饪煲竭_(dá)發(fā)泡器時(shí)，打開發(fā)泡器氣體閥門和氣動泵，讓氣體與混合漿液進(jìn)入發(fā)泡器，開始注阻化泡沫，利用發(fā)泡器入口端閥門調(diào)節(jié)氣體和漿液流量控制發(fā)泡效果。

1.4 兩端頭停工位置掛柔性充填膜袋充填LFM 充填料

通過停工后在兩端頭懸掛柔性充填膜袋充填LFM 材料，達(dá)到減少采空區(qū)漏風(fēng)的目的。充填材料是一種速凝、早強(qiáng)、發(fā)泡的單液非高分子材料，該材料具有速凝、早強(qiáng)、發(fā)泡倍數(shù)高等特點(diǎn)，適合于空巷充填、密閉墻施工、冒頂區(qū)充填等工程。該類注漿材料主要具備以下特征：

（1）材料特性。①組成材料全部為無機(jī)材料，具備不自燃、無毒、無腐蝕、無污染特性，是完全環(huán)保型材料；②材料加水后迅速失流、硬化，能夠快速成型；③該材料施工水灰比適用范圍大（0.8～2∶1），在不同水灰比條件下結(jié)石率可以達(dá)到100%，適合于不同圍巖條件施工，材料加水后6～12 min 失去流動性，40～60 min固化；④該材料發(fā)泡倍數(shù)高，且發(fā)泡倍數(shù)可以根據(jù)現(xiàn)場需要調(diào)整，單位體積材料消耗量小，僅為160～200 kg；⑤材料可壓縮量大，可以起到有效的讓壓作用，該材料2 h 強(qiáng)度能達(dá)到0.5 MPa以上，且可以根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需要調(diào)整。

（2）具體實(shí)施。①將柔性充填膜袋用廢舊的錨桿固定在兩端頭，將LFM 輕型充填材料按照一定的比例配置成漿液，然后通過氣動泵輸送柔模充填袋達(dá)到減少采空區(qū)漏風(fēng)的目的；②將礦用氣動泵放在軌道順槽距離煤壁300 m 左右的適當(dāng)位置（隨著工作面的推采向外挪移），將Φ25 mm 高壓膠管和泵連接，膠管鋪設(shè)完畢且吊掛整齊后與發(fā)泡器進(jìn)液管連接，發(fā)泡器進(jìn)氣管路與壓風(fēng)管連接，發(fā)泡器后使用單路膠管連接至擋墻充填位置；③Φ25 mm 高壓膠管一端與主供風(fēng)管路連接，打開進(jìn)風(fēng)閥門，吹干凈管內(nèi)殘留物后與泵體連接，將至少1 個(gè)容器盛滿水，將2 根吸料軟管放入容器內(nèi)，打開進(jìn)氣閥門，查看管路是否暢通，2 個(gè)出料口出料是否均勻，若有問題及時(shí)處理；④將高壓膠管和發(fā)泡器連接后打開氣動泵的進(jìn)氣閥檢查注射端是否暢通，將發(fā)泡器和柔模袋進(jìn)液口連接，先壓注清水看注膠管路是否暢通，若不通，將不透的注膠管路卸下后，用乳化液管路和不暢通的注膠管連接后進(jìn)行沖透，沖透時(shí)管路末端嚴(yán)禁對著人員，待沖透再注；⑤配置漿液時(shí)將拌料箱刷干凈，按照水灰比1∶0.4 的比例配置充填料，攪拌均勻準(zhǔn)備充填；⑥柔模充填袋全部充填完畢后，管路剩余漿液噴涂在柔模充填袋與巷道幫部接觸部分，減少接觸部分漏風(fēng)。

1.5 束管分析結(jié)合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測預(yù)報(bào)

（1）一氧化碳。在整個(gè)氧化階段均出現(xiàn)，其濃度隨溫度的升高而升高。根據(jù)《煤樣自燃傾向性測試》：煤溫超過60～70 ℃后，一氧化碳產(chǎn)生率、耗氧速度和升溫速度均加快。確定一氧化碳作為煤炭自燃溫度早期標(biāo)志性氣體。

（2）乙烯、乙炔。根據(jù)《煤樣自燃傾向性測試》：當(dāng)煤溫超過80 ℃時(shí)開始有乙烯等煤分子支鏈裂解的氣體產(chǎn)生，超過150 ℃后有乙炔氣體產(chǎn)生。確定乙烯、乙炔作為煤炭自燃溫度后期標(biāo)志性氣體。如果出現(xiàn)乙烯、乙炔，說明煤的自燃已比較嚴(yán)重，必須立即采取措施。中煤科工集團(tuán)重慶研究院2014 年6 月6 日對星村煤礦3307 工作面運(yùn)輸順槽煤樣最短自然發(fā)火期實(shí)驗(yàn)報(bào)告中指出：煤樣升溫氧化過程中臨界溫度為135 ℃。

（3）礦井配備JSG-7 束管監(jiān)測系統(tǒng)，通防工區(qū)安排每周不少于6 次對工作面兩順槽及架間異常點(diǎn)取樣后，送地面氣體化驗(yàn)室分析1 次，分析內(nèi)容有O2、N2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等，通防科每周分析1 次。

（4）礦井裝備KJ66X 監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，工作面運(yùn)輸順槽距匯風(fēng)點(diǎn)安設(shè)一氧化碳傳感器，定為自燃發(fā)火觀測點(diǎn)，每周進(jìn)行1 次觀測分析。

（5）當(dāng)束管檢測數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)，立刻采取措施進(jìn)行處理，同時(shí)根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整防滅火措施，以便及時(shí)應(yīng)對自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)。

2 效果分析

臨時(shí)停工綜放工作面回風(fēng)隅角氣體變化不大，穩(wěn)步在5×10-5（50 ppm）以下（圖1）。一氧化碳、二氧化碳濃度比停工前明顯降低。

圖1 工作面回風(fēng)隅角氣體變化曲線

臨時(shí)停工綜放工作面回風(fēng)流氣體在4×10-6（4 ppm）上下浮動，恢復(fù)正常供風(fēng)后一氧化碳濃度在8×10-6（8 ppm）上下浮動。

圖2 工作面回風(fēng)流氣體變化曲線

根據(jù)上述束管分析結(jié)果顯示：均壓、注氮、注阻化泡沫、兩端頭停工位置掛柔性充填膜袋充填LFM 充填料、束管分析結(jié)合監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)預(yù)測預(yù)報(bào)等綜合預(yù)防治理措施有效的減少了采空區(qū)漏風(fēng)，連續(xù)性注氮確保采空區(qū)氧氣濃度一直保持在下降趨勢。

3 總結(jié)

均壓、減少漏風(fēng)是控制自然發(fā)火最有效的途徑，掌控好三帶變化及風(fēng)量變化對自然發(fā)火的影響根據(jù)束管分析結(jié)果及時(shí)調(diào)整防火措施。臨時(shí)停工綜放工作面在停工時(shí)兩端頭施工揉膜袋隔離墻充填LFM 無機(jī)發(fā)泡材料可以有效的減少采空區(qū)漏風(fēng)。