蘇利國，夏文營，王自波，王運(yùn)動，史志軍

（臨礦集團(tuán)東山礦業(yè)有限責(zé)任公司株柏煤礦，山東 臨沂 276112）

0 引言

我國煤炭資源豐富，在全球占有重要地位，資源總量居世界第二[1]。有關(guān)研究預(yù)測表明，至2050年煤炭在我國能源中的比例仍能達(dá)到50%左右，依然占據(jù)主導(dǎo)地位[2]。隨著我國煤炭開采技術(shù)不斷發(fā)展，勞動生產(chǎn)率大幅提高[3]，但煤礦安全形勢依然嚴(yán)峻，尤其經(jīng)過多年開發(fā)，淺部煤炭資源已近枯竭，煤炭開采開始向深部轉(zhuǎn)移[4]。深部煤層開采具有高地溫、高巖溶水壓、高地應(yīng)力、強(qiáng)擾動等顯著地質(zhì)特征[5]，對煤炭資源的安全回采構(gòu)成威脅，極易誘發(fā)生產(chǎn)事故，嚴(yán)重危害作業(yè)人員安全，阻礙煤礦綠色高效開采的發(fā)展進(jìn)程[6]。

煤炭自然發(fā)火是深部礦井生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害之一[7]。根據(jù)煤炭傾角的不同，可以將其分為水平、緩傾斜及傾斜煤層三類[8]。與水平煤層和緩傾斜煤層相比，急傾斜煤層傾角大，工作面留設(shè)保護(hù)煤柱較少，致使采空區(qū)易與外界形成裂隙通道，使得開采過程中更易誘發(fā)煤炭自燃[9]。隨著開采工作不斷進(jìn)行，采空區(qū)范圍擴(kuò)增，空室體積加大，漏風(fēng)量增加，遺留煤柱自然發(fā)火傾向越趨嚴(yán)重[10]，威脅礦井的安全生產(chǎn)。所以要從根本上消除誘發(fā)煤礦火災(zāi)事故的隱蔽致災(zāi)因素，解決煤礦火災(zāi)問題，需結(jié)合礦井實(shí)際以及生產(chǎn)實(shí)際，制定相應(yīng)的應(yīng)急防控方案，以保障礦井工作人員的安全，維持煤礦的正常安全生產(chǎn)作業(yè)，進(jìn)而最大程度降低災(zāi)害事故造成的經(jīng)濟(jì)損失[11，12]。

株柏煤礦十三采區(qū)31306工作面所在煤層屬Ⅱ類自燃煤層，自然發(fā)火期為83 d，自然發(fā)火可能性較大。為保障31306工作面回采期間的安全，降低或消除煤層自然發(fā)火的潛在誘因，本文對株柏煤礦十三采區(qū)31306工作面采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)及防滅火技術(shù)進(jìn)行研究。

1 工程概況

1.1 十三采區(qū)概況

東山礦業(yè)有限責(zé)任公司株柏煤礦駐地位于山東省臨沂市郯城縣，行政區(qū)劃歸李莊鎮(zhèn)管轄。礦區(qū)地理經(jīng)緯坐標(biāo)范圍118°20′19″E～118°22′02″E、34°47′42″N～34°50′25″N，區(qū)域南北長約4.2 km，東西寬約0.36～2.6 km，總面積約5.37 km2。

株柏煤礦回采十三采區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造類型屬于單斜構(gòu)造，走向大致呈近南北方向，傾向東。開采煤層為山西組2煤和3煤，煤層傾角起伏較大，一般處于25°～65°之間，平均約45°，屬急傾斜煤層。根據(jù)相關(guān)地質(zhì)條件勘察資料，確定十三采區(qū)水文地質(zhì)條件類型屬于中等類型，為裂隙充水礦床。本區(qū)預(yù)計(jì)正常涌水量為233.73 m3/h，最大涌水量為278.14 m3/h。

株柏煤礦井田開拓方式為立井開拓，上下水平之間采用暗斜井進(jìn)行延深開拓，采用柔性掩護(hù)支架采煤法。當(dāng)前，礦井所用通風(fēng)方式為中央邊界式、抽出式，由東立井進(jìn)風(fēng)，西立井輔助少量進(jìn)風(fēng)，專用回風(fēng)井回風(fēng)，風(fēng)井設(shè)有2臺FBCDZNO.22/2×110型軸流式通風(fēng)機(jī)，1臺工作，1臺備用。掘進(jìn)作業(yè)中采用風(fēng)鉆濕式設(shè)備打眼，爆破落煤（巖），挖掘式裝載機(jī)裝（煤）巖，運(yùn)輸設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)載重為1 t的礦車。對于上山運(yùn)輸采用串車提升的方式，對于平巷運(yùn)輸采用電瓶車進(jìn)行牽引。

1.2 31306工作面概況

31306工作面位于十三采區(qū)北翼-849.0～-816.5 m區(qū)段，南部以留設(shè)的十三采區(qū)主、副下山保護(hù)煤柱線為界，北部邊界延伸至DF17斷層保護(hù)煤柱線處。31306工作面南部為相鄰十二采區(qū)，距離該工作面所處十三采區(qū)較遠(yuǎn)，目前處于正在回采的狀態(tài)；北部九采區(qū)現(xiàn)已停止掘進(jìn)，西部31302工作面已回采結(jié)束，東部為尚未進(jìn)行采掘的區(qū)域。

工作面設(shè)計(jì)開采煤層為二疊系山西組3煤。通過對十三采區(qū)地質(zhì)資料和31306工作面回采資料進(jìn)行總結(jié)分析可知，工作面范圍內(nèi)3煤賦存較為穩(wěn)定，煤種為肥煤，普氏硬度f=1，具有條帶狀結(jié)構(gòu)，節(jié)理較發(fā)育。煤層多屬低灰～中灰，特低硫、低磷，發(fā)熱量高。工作面內(nèi)煤厚約2.81～3.45 m，平均為3.13 m，直接頂主要為砂質(zhì)泥頁巖，無偽頂，屬2類直接頂，平均厚8.0 m，硬度較大，水平層理發(fā)育；基本頂主要為粉細(xì)砂巖，屬Ⅱ級基本頂，平均厚度3.34 m，水平層理發(fā)育。偽底主要為炭質(zhì)泥巖，局部為粘土巖，平均厚0.4 m?；镜诪榛疑皫r，成分以石英為主，砂泥質(zhì)膠結(jié)，局部含泥礫，屬Ⅳ類底板，平均厚度35.73 m。含煤地層柱狀圖（部分）如圖1所示。

圖1 工作面地層柱狀圖（部分）

2 誘發(fā)采空區(qū)火災(zāi)的關(guān)鍵因素

基于對株柏煤礦地質(zhì)資料及防滅火資料的分析，可以明確31306工作面采空區(qū)火災(zāi)頻發(fā)的主要原因在于煤的自燃，同時存在瓦斯、廢棄材料等引發(fā)的火災(zāi)。具體原因分析如下：

1）采空區(qū)存在數(shù)量較多的遺煤，且未能及時封閉采空區(qū)或封閉不嚴(yán)導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)較多，煤體氧化，容易發(fā)生自燃；

2）瓦斯在采空區(qū)或工作面隅角處積聚，當(dāng)積聚濃度達(dá)到爆炸條件后爆炸起火；

3）工作面回采過程中所用可燃材料在廢棄后丟進(jìn)采空區(qū)，經(jīng)長時間氧化自然發(fā)火；

4）采煤工作面停采線和開切眼附近，由于浮煤大量堆積，長時間經(jīng)受風(fēng)流的氧化，容易發(fā)生自燃；

5）保護(hù)煤柱在采動壓力和地應(yīng)力耦合作用下易被壓裂，發(fā)生破碎和坍塌，形成大量堆積浮煤，形成煤體自燃的基本條件。

3 采空區(qū)火災(zāi)預(yù)測預(yù)報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)

為對采空區(qū)自然發(fā)火災(zāi)情進(jìn)行全方位的監(jiān)測，采取束管監(jiān)測系統(tǒng)、安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)和人工監(jiān)測等手段，構(gòu)建礦井自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)監(jiān)控系統(tǒng)，對采空區(qū)自然發(fā)火趨勢進(jìn)行及時有效的監(jiān)測、反饋和處置。

3.1 束管監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)

礦井采空區(qū)及巷道裝備有KSS-200C型、JSG6N型2套火災(zāi)束管監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要用于對井下采空區(qū)氣體成份的分析，實(shí)現(xiàn)CO、CO2、CH4、O2、N2、C2H2、C2H4、C2H6（計(jì)算值）氣體含量的監(jiān)測監(jiān)控，對其含量變化情況進(jìn)行實(shí)時預(yù)測。束管監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置在工作面上隅角及采空區(qū)，對井下采空區(qū)等相對密閉空間內(nèi)的氣體進(jìn)行采集、分析和監(jiān)測。系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 工作面測點(diǎn)布置

該系統(tǒng)采用高精度、低漂移的氣體分析儀，能夠在早期監(jiān)測到自燃的臨界點(diǎn)。系統(tǒng)在地面中心站設(shè)有監(jiān)測控制工控機(jī)，工控機(jī)可實(shí)現(xiàn)對所有設(shè)備的控制以及采樣氣體分析結(jié)果的輸出和存儲。

KSS-200C型火災(zāi)束管監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括地面抽氣泵、氣體采用控制柜、束管專用色譜儀、分析儀器柜、雙通道24位A/D轉(zhuǎn)換器、8路輸出控制柜、工控機(jī)及相應(yīng)軟件等。另外，井筒及井下巷道需敷設(shè)抽氣束管，并配置分路器對束管進(jìn)行分支。JSG6N型火災(zāi)束管監(jiān)測預(yù)報(bào)系統(tǒng)配接KXH12礦用本安型PLC控制箱、BQM80氣體采樣泵、485總線設(shè)備等，該系統(tǒng)由PLC對進(jìn)樣點(diǎn)控制，每次進(jìn)行單點(diǎn)單路進(jìn)樣，進(jìn)樣時間可設(shè)置，逐點(diǎn)循環(huán)。樣氣的抽取通過外置大功率真空泵進(jìn)行，分析點(diǎn)樣氣通過三通分流，一部分直接由真空泵排空，分析部分通過電磁閥控制進(jìn)入預(yù)處理單元。分析樣氣進(jìn)入預(yù)處理單元后先通過汽水分離器除水除塵，然后進(jìn)入冷凝器除濕，最后進(jìn)入干燥罐干燥處理，干燥后的樣氣經(jīng)過濕度確認(rèn)后進(jìn)入氣體分析儀。分析后的樣氣進(jìn)入穩(wěn)壓罐匯總，由真空泵排空。

3.2 安全監(jiān)控系統(tǒng)

礦井安裝有KJ70X型安全監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)為自然發(fā)火監(jiān)測的輔助系統(tǒng)。利用該系統(tǒng)的一氧化碳傳感器、煙霧傳感器和溫度傳感器對井下觀測點(diǎn)的觀測內(nèi)容進(jìn)行24 h監(jiān)測，一旦氣體超限或溫度超高，能及時反饋到安全監(jiān)控系統(tǒng)上，便于采取相應(yīng)措施對突發(fā)情況進(jìn)行應(yīng)急處理。該系統(tǒng)布置位置及相應(yīng)的用途說明如下：

1）采煤工作面回風(fēng)巷：布置在回風(fēng)巷距離回風(fēng)出口10～15m處，用于防滅火預(yù)測預(yù)報(bào)；

2）皮帶運(yùn)輸巷：在帶式輸送機(jī)滾筒下風(fēng)側(cè)10～15 m處安設(shè)煙霧傳感器，主要用于皮帶運(yùn)輸巷皮帶著火的防滅火預(yù)測預(yù)報(bào)。

3.3 人工檢測

人工檢測是對煤層自然發(fā)火進(jìn)行監(jiān)測的重要手段，由人工直接在采掘工作面、各類進(jìn)回風(fēng)巷、皮帶巷、機(jī)電硐室等處設(shè)置的測點(diǎn)進(jìn)行氣體和溫度檢測，并定期采集氣樣送地面進(jìn)行氣相色譜分析。此方法實(shí)用性較強(qiáng)，投入設(shè)備少，簡單易行，但人工取樣工作量大，間隔時間長。

相較于信息系統(tǒng)檢，人工檢測更加靈活、便利，具有更高的適用性，可在不同區(qū)域開展防滅火檢測。人工檢測地點(diǎn)及方法如下：

1）采煤工作面回風(fēng)隅角、回風(fēng)順槽，掘進(jìn)工作面迎頭和回風(fēng)流。瓦斯檢查員每班2次檢查氣體情況，發(fā)現(xiàn)CO、O2、CO2或溫度出現(xiàn)異常，增加檢測頻次，并及時匯報(bào)；

2）密閉墻觀測孔和防火墻外。瓦斯檢查員每周檢查1次氣體情況，采集氣樣送化驗(yàn)室化驗(yàn)分析；

3）采區(qū)回風(fēng)巷、總回風(fēng)巷。瓦斯檢查員每班檢查1次，若發(fā)現(xiàn)異常，采集氣樣送化驗(yàn)室化驗(yàn)分析；

4）其他臨時觀測地點(diǎn)，如巷道高冒區(qū)、斷層帶附近、自然發(fā)火隱患地點(diǎn)等，嚴(yán)格按專項(xiàng)防滅火技術(shù)措施執(zhí)行。

4 采空區(qū)防滅火措施

工作面不同的推進(jìn)狀態(tài)對采空區(qū)自然發(fā)火的形成具有不同的影響程度。將回采期間的31306工作面劃分為3個階段：回采前、回采期間和回撤期間。工作面在不同的回采階段采空區(qū)內(nèi)的浮煤厚度、漏風(fēng)強(qiáng)度和氧氣濃度等參數(shù)均會發(fā)生變化，采空區(qū)自然發(fā)火區(qū)域也隨之改變，故結(jié)合不同回采階段的工程技術(shù)特征，針對不同回采階段采空區(qū)發(fā)火問題，提出相應(yīng)的防滅火措施。

4.1 工作面回采前防滅火措施

切眼形成后，為避免切眼位置發(fā)生自然氧化現(xiàn)象，對切眼處頂板和支架后部煤壁及時采取有效的阻化劑噴灑措施；加強(qiáng)工作面開采期間巷道高冒點(diǎn)、煤體松散區(qū)等位置的自然發(fā)火隱患監(jiān)查力度，對存在的發(fā)火隱患問題，及時采取快速、有效的處理措施；工作面兩側(cè)順槽應(yīng)高標(biāo)準(zhǔn)遵循滅火器材放置數(shù)量及位置規(guī)定，保證灑水管路時刻正常供應(yīng)，確保工作面消防灑水管路正常供水；為杜絕自然發(fā)火隱患，應(yīng)采取合理調(diào)整供風(fēng)量、縮短開切眼位置及兩幫側(cè)破碎煤體的氧化時間等措施。

4.2 工作面回采期間采空區(qū)防滅火措施

快速的開采速率可有效防止采空區(qū)發(fā)生浮煤氧化自燃問題。加強(qiáng)采煤管理舉措，實(shí)施切實(shí)可行的技術(shù)方案，提高放煤量，提升頂煤回收率，降低空區(qū)遺煤量；統(tǒng)一回收處理施工過程中留下的可燃性材料，以防堆積的可燃性材料發(fā)生氧化自燃?；趯?shí)際瓦斯涌出量，合理調(diào)整工作面通風(fēng)系統(tǒng)，保證通風(fēng)系統(tǒng)時刻處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；加強(qiáng)并完善上隅角落頂工作，在回撤工作面回風(fēng)巷超支護(hù)前，需及時將支護(hù)范圍內(nèi)巷道頂板支護(hù)錨桿、錨索進(jìn)行退錨處理；正?；夭善陂g，每天開展1次噴灑預(yù)防工作，每次噴灑量需大于7.29 kg，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況確定合理的噴灑次數(shù)；提前開展注氮預(yù)防火災(zāi)舉措，注氮工作每周進(jìn)行1次，每次注氮量不得低于300 m3，當(dāng)回采工作面遇斷層、陷落柱等構(gòu)造阻滯工作面推進(jìn)速度時，應(yīng)合理提高注氮頻次；強(qiáng)化理論研究，對易誘發(fā)火災(zāi)地點(diǎn)進(jìn)行科學(xué)預(yù)判，掌握自然發(fā)火趨勢，有針對性的采取防控措施。對出現(xiàn)升溫、異味等特殊現(xiàn)象時，瓦斯檢查員應(yīng)及時向通風(fēng)管理部門和通風(fēng)調(diào)度中心匯報(bào)并采取相應(yīng)的應(yīng)急處理方案；回采期間，需對進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷的冒落空洞問題作及時的阻燃性材料填充處理，嚴(yán)格執(zhí)行掛牌管理，定期檢查分析，消除隱患。

4.3 工作面回撤期間采空區(qū)防滅火措施

工作面回撤期間，通過合理調(diào)整風(fēng)量的方式來減少采空區(qū)漏風(fēng)，進(jìn)一步降低遺煤發(fā)火的安全隱患，并確?；爻穮^(qū)域內(nèi)瓦斯、溫度等符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，全斷面封堵工作面上下隅角，保證兩順槽的防火門正常工作；每班次需安排巡檢人員對工作面角落、工作面架間等位置的氣體濃度進(jìn)行嚴(yán)格檢查，做好實(shí)時監(jiān)測和記錄，獲取不同氣體濃度與采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)等級關(guān)聯(lián)性，從而做好預(yù)測預(yù)防工作。完成工作面回撤工作后，需1.5個月內(nèi)永久封閉與采空區(qū)連通的所有巷道。

5 結(jié)語

本文分析了株柏煤礦31306工作面采空區(qū)火災(zāi)發(fā)生的主要誘因，并結(jié)合煤礦實(shí)際情況，設(shè)計(jì)了采空區(qū)火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)，對火災(zāi)發(fā)生前后進(jìn)行全過程檢測；分別有針對性的提出了工作面回采前、回采期間和回撤期間3個階段的采空區(qū)防滅火方法，為本礦區(qū)及同類型礦井采空區(qū)防滅火提供技術(shù)參考和借鑒。