岳振國

（霍州煤電臨汾宏大雪坪煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041099）

1 工程概況

霍州煤電臨汾宏大公司雪坪煤礦目前主采9、10+11 號(hào)合并層，煤層厚度平均6.94 m，含有3 層的夾石，厚度1.0 m，屬瓦斯礦井。9+10+11 號(hào)煤層自燃傾向性等級(jí)Ⅱ級(jí)，屬自燃煤層，煤的自然發(fā)火期68 d，最短自然發(fā)火期46 d。10-207 綜采放頂煤工作面位于二采區(qū)南部，東側(cè)緊鄰原河底山煤礦采空區(qū)，南部為井田邊界，西部為規(guī)劃的10-209 工作面，北部為實(shí)體煤。工作面煤層走向總體趨勢(shì)北東，傾向西北，傾角3°～13°，平均8°?？紤]到放頂煤步距及頂煤回收率等因素，采用“一采一放，追機(jī)放頂煤”作業(yè)方式，確定循環(huán)進(jìn)度為0.6 m。工作面實(shí)際可采走向長(zhǎng)度1930 m，工作面面長(zhǎng)132 m。

2 自然發(fā)火綜合防治技術(shù)

2.1 阻化劑防滅火

為抑制采空區(qū)遺煤的自燃，采取噴灑阻燃劑的方式。阻化劑溶液具有很強(qiáng)的吸水性，將其噴灑在煤體表面時(shí)，將吸收空氣中的水分，在煤體表面形成一層含水液膜，減小煤體與氧氣的接觸面積和時(shí)間，從而抑制煤的氧化和自燃。目前使用較為普遍的阻化劑包括水玻璃、氫氧化鈣、工業(yè)CaCl2及工業(yè)MgCl2等?？紤]到阻燃效果、污染性等因素，10-207 工作面選擇鹵塊（工業(yè)MgCl2）作為阻化劑。參照相似煤體條件下礦井使用案例[1-2]，阻化劑濃度控制在15%～20%之間阻燃效果較好，因此暫定阻燃劑溶液質(zhì)量濃度為15%。10-207 工作面引進(jìn)移動(dòng)式噴灑壓注系統(tǒng)，注液泵和水箱放置在進(jìn)風(fēng)巷中，通過高壓管路將溶液輸送至工作面，由專人手持噴槍向采空區(qū)噴灑，每間隔5 組支架噴一次，每次噴灑至少6 min，流量不小于35 L/min。噴灑系統(tǒng)詳細(xì)組成如圖1。

圖 1 阻化劑移動(dòng)式噴灑系統(tǒng)

10-207 綜采工作面一天噴灑量：

式 中：V為 阻 化 劑 溶 液 體 積，m3/d；Qy為每噸煤需要的阻化劑溶液體積，取0.04 m3；η為遺煤率，取3%；ρ為煤密度，取1.45 t/m3；L為工作面長(zhǎng)度，取132 m；H為機(jī)采高度，取2.2 m；S為工作面每日推進(jìn)距離，1.8 m。

V=0.04×3%×1.45×132×2.2×1.8=0.91 m3/d。

10-207 綜采工作面一天噴灑量體積為0.91 m3，則10-207 綜采工作面一天噴灑量為：

M=ρV=2320×0.91=2112 kg

式中：ρ為氯化鎂密度，取2320 kg/m3。則雪坪煤礦10-207 綜放工作面每日所需鹵塊（工業(yè)MgCl2）質(zhì)量為2112×15%=317 kg。

2.2 采空區(qū)注氮防滅火

10-207 工作面采用JSG9 地面固定式煤礦自然火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?；夭晒ぷ髅孢\(yùn)輸和回風(fēng)側(cè)風(fēng)站設(shè)置固定觀測(cè)點(diǎn)；回采工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽距離工作面10～20 m 處設(shè)置移動(dòng)觀測(cè)點(diǎn)，自分路箱引出7芯束管，從進(jìn)、回風(fēng)順槽各布置3 芯、4 芯束管引入采空區(qū)，每隔30 m 引出單根束管并接上采樣器作為一個(gè)采樣點(diǎn)，監(jiān)測(cè)三帶氣體變化情況。當(dāng)采樣點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后開始對(duì)該采樣點(diǎn)進(jìn)行取樣分析，待第一個(gè)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)90 m 后（可根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行調(diào)整），即可斷開第一個(gè)測(cè)點(diǎn)，并重新埋設(shè)，依次類推，直至工作面。通過對(duì)10-207 工作面回采初期采空區(qū)氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室測(cè)得的煤自燃極限參數(shù)，確定10-207 工作面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的范圍如圖2。

圖2 10-207 工作面束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及自燃三帶劃分

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可知，10-207 工作面后方15～35 m 深度范圍內(nèi)為散熱帶；工作面后方回風(fēng)巷側(cè)20～50 m、進(jìn)風(fēng)巷側(cè)30～70 m 為氧化升溫帶，該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)防滅火的重點(diǎn)部位；工作面后方70 m進(jìn)入窒息帶。據(jù)此設(shè)計(jì)采空區(qū)埋管注氮技術(shù)：在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)埋設(shè)一趟注氮管路。當(dāng)埋入進(jìn)風(fēng)側(cè)30 m 時(shí)開始注氮，并在上隅角處埋設(shè)第二趟注氮管路，即注氮口間距30 m。當(dāng)?shù)谝惶斯苈愤M(jìn)入采空區(qū)60 m 時(shí)停止注氮，第二趟管路開始注氮，如此循環(huán)直至工作面回采完畢。注氮系統(tǒng)詳見圖3 所示。注氮泵可根據(jù)流量進(jìn)行選擇，按工作面采空區(qū)漏風(fēng)量計(jì)算注氮流量[3]：

圖 3 10-207 工作面采空區(qū)注氮系統(tǒng)示意圖

圖 4 灌漿站布置示意圖（m）

式中：Q0為氧化帶內(nèi)漏風(fēng)量，10-207 工作面采空區(qū)氧化帶內(nèi)估算漏風(fēng)量為5 m3/min；C1為采空區(qū)氧化帶內(nèi)平均氧濃度，根據(jù)束管監(jiān)測(cè)結(jié)果為12%；C2為采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度不得大于7%；CN為注入氮?dú)獾臐舛龋鶕?jù)《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，注氮濃度應(yīng)大于97%，故確定CN為97%；K為安全系數(shù)，取1.2。經(jīng)計(jì)算得到10-207 工作面需要供氮量為450 m3/h，雪坪煤礦選用PSA98—800 型制氮機(jī)制氮能力為800 m3/h，滿足要求。

2.3 灌漿防滅火

灌漿系統(tǒng)分為集中灌漿和分散灌漿，根據(jù)雪坪礦實(shí)際情況，土源較為豐富，煤層埋藏較淺，單工作面生產(chǎn)等特點(diǎn)，選擇地面集中灌漿系統(tǒng)。在工業(yè)廣場(chǎng)選取適當(dāng)位置建立兩個(gè)攪拌池和一個(gè)注漿池，注漿池相對(duì)于攪拌池較低，三個(gè)池子的直徑深度均為2.0 m，池子地面采用紅磚砌筑，內(nèi)壁采用防水水泥砂漿抹面，池子中上部安裝攪拌器，攪拌池內(nèi)下部留設(shè)出料口。攪拌均勻后的漿液通過管路輸送至注漿池，注漿池安裝兩個(gè)離心式液下泥砂泵一臺(tái)。地面制漿系統(tǒng)組成如圖4。目前我國常使用的預(yù)防性灌漿包括采前灌漿、隨采隨灌、采后灌漿[4]。采前灌漿主要用于對(duì)老空區(qū)自然發(fā)火的治理。隨采隨灌是指工作面回采期間，定期向采空區(qū)灌漿，主要用于自然發(fā)火嚴(yán)重的煤礦。雪坪煤礦已采用采空區(qū)埋管注氮技術(shù)，且煤層自燃傾向性等級(jí)Ⅱ級(jí)，無需進(jìn)行工作面回采期間的灌漿。根據(jù)雪坪煤礦10-207 工作面采空區(qū)自然發(fā)火防治的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用封閉式灌漿。工作面回采結(jié)束，兩側(cè)回采巷道密閉墻封閉時(shí)預(yù)留措施孔，按充填采空區(qū)20 m 計(jì)算進(jìn)行灌注黃泥漿，進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)分別灌注240 m3黃泥漿，漿液水泥比為5:1。

3 應(yīng)用效果分析

3.1 工作面回采期間注氮防滅火效果評(píng)估

雪坪煤礦10-207 工作面回采期間采用束管監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)O2及CO 濃度，工作面正?；夭善陂g，注氮后采空區(qū)回風(fēng)側(cè)O2及CO 濃度變化規(guī)律如圖5。監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入氧化升溫帶后，O2濃度穩(wěn)定在18%～20%，氧氣濃度充足，滿足自然發(fā)火的要求。2 月4 日開始注氮前，CO 濃度達(dá)到5.8×10-5，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試煤層自燃特性，此時(shí)采空區(qū)溫度已達(dá)到90℃；2 月4 日開始，每間隔7 d 進(jìn)行一次采空區(qū)注氮，在此期間，采空區(qū)氧化升溫帶CO 濃度為（0.5～3.5）×10-5，采空區(qū)溫度小于30 ℃。通過采空區(qū)注氮技術(shù)可有效抑制氧化升溫帶遺煤的氧化和升溫，防止采空區(qū)發(fā)生自燃現(xiàn)象。

圖 5 氧化升溫帶CO、O2 濃度監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 黃泥灌漿防治效果評(píng)估

雪坪煤礦10-207 工作面回采及封閉完成后，通過束管監(jiān)測(cè)采空區(qū)內(nèi)CO 濃度，整理得到結(jié)果如圖6 所示。黃泥灌漿封堵完成后，采空區(qū)內(nèi)CO 濃度逐漸下降，封堵后約15 d，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)CO 濃度降低為5.5×10-6，回風(fēng)巷側(cè)CO 濃度降低為5.0×10-6，之后采空區(qū)CO 濃度均穩(wěn)定在5.5×10-6左右。由此說明，采用黃泥灌漿技術(shù)取得了良好的采空區(qū)密閉效果，采空區(qū)無自燃危險(xiǎn)。

圖6 采空區(qū)內(nèi)CO 濃度變化規(guī)律

4 結(jié)論與建議

結(jié)合雪坪煤礦10-207 綜放工作面具體情況，研究提出了煤層自然發(fā)火綜合防治技術(shù)并進(jìn)行實(shí)施。

（1）工作面回采期間噴灑MgCl2溶液阻燃，每日噴灑2112 kg。

（2）工作面后方采空區(qū)采用束管監(jiān)測(cè)其遺煤狀態(tài)，確定工作面后方15～35 m 深度范圍內(nèi)為散熱帶，工作面后方回風(fēng)巷側(cè)20～50 m、進(jìn)風(fēng)巷側(cè)30～70 m為氧化升溫帶。據(jù)此設(shè)計(jì)采空區(qū)注氮時(shí)機(jī)，確定采空區(qū)注氮流量為324 m3/h。

（3）工作面停采封閉后，采用黃泥灌漿進(jìn)行封堵。

10-207 工作面采用噴灑阻化劑+注氮+黃泥灌漿綜合防火技術(shù)，有效抑制了采空區(qū)遺煤的氧化和升溫，取得了良好的防滅火應(yīng)用效果，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全生產(chǎn)。