柴衛(wèi)軍

（山西煤炭進出口集團 左云韓家洼煤業(yè)有限公司，山西 大同 037000）

1 概 況

韓家洼煤礦井田位于大同市左云縣，井田面積約為4.5 km2，設計資源儲量77.2 Mt，設計服務年限35.5 a，礦井主采16-2 號、19 號、22 號和25號煤層，22402 工作面位于22 號煤層采區(qū)，地表為黃土臺地沖溝和農(nóng)田，工作面煤層深216 m，煤層厚度2.16～5.43 m，平均厚度4.05 m，工作面長度249 m，煤層傾角為3°～11°，采區(qū)內(nèi)揭露3條落差10 m 以上斷層。22402 工作面采空區(qū)遺煤多、漏風嚴重[1]，采空區(qū)瓦斯量較大，礦井危險性增高[2]，基于此進行井下防滅火技術(shù)研究，實時監(jiān)測井下自然氣體指標，對出現(xiàn)自然的區(qū)域采用多系統(tǒng)協(xié)同滅火作業(yè)，杜絕井下火災事故的發(fā)生。

2 22402 工作面煤自燃因素分析

2.1 煤自燃傾向

2022 年5 月山西省煤炭工業(yè)局測試中心對煤礦各煤層進行了自然傾向分析，煤層吸氧量數(shù)據(jù)見表1，吸氧量均大于0.4 cm3/g[3]，表明韓家洼煤礦煤層具有自然傾向，其中22402 所屬的22 號煤層吸氧量為0.59 cm3/g，自燃等級為Ⅱ級[4]。

表1 煤的自燃傾向性分析結(jié)果匯總表Table 1 Coal spontaneous combustion tendency analysis results summary table

2.2 瓦斯抽采

礦井在工作面和風巷均配置有瓦斯抽采管路。工作面風量設計為1 380 m3/min，根據(jù)工作平均斷面計算風速約為1.62 m/s，達到規(guī)定要求；22402回風巷道實際風量約為863 m3/min，，回風流平均風排瓦斯量為2.11 m3/min，則回風流中瓦斯?jié)舛葹?.24%，滿足規(guī)定要求，因此22402 工作面當前設置的瓦斯抽采系統(tǒng)達標，可以有效降低瓦斯爆炸風險。

2.3 采空區(qū)漏風

22402 工作面采用綜采放頂煤工藝開采，且采區(qū)內(nèi)揭露了3 條大落差斷裂帶，加之工作面開切橫截面面積大，受到地層運動影響，煤層裂隙增多[5]，在井下通風系統(tǒng)作用下，裂隙、斷裂帶與采空區(qū)內(nèi)漏風量增加，進一步加劇煤層自燃風險。

3 綜合防滅火技術(shù)

基于22402 工作面煤層的自燃特性以及風險因素分析，韓家洼煤礦利用多種防滅火技術(shù)進行綜合防滅火系統(tǒng)搭建，旨在實現(xiàn)火災預警與多系統(tǒng)配合滅火功能。礦井于2018 年設置JSG8 型束管采樣系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)^(qū)域內(nèi)火災危險氣體濃度進行實時監(jiān)測[6]，并在氣體濃度超出設定閾值情況下自動報警；2019 年建立以采空區(qū)灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合防滅火系統(tǒng)。

3.1 JSG8 型束管采樣系統(tǒng)

（1）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

JSG8 礦井火災束管監(jiān)測系統(tǒng)由井下樣氣采集與分析模塊、地面色譜分析工作站以及數(shù)據(jù)傳輸與共享模塊構(gòu)成[7]，如圖1 所示，實現(xiàn)井下氣體火災危險組分濃度實時監(jiān)測、火災預警與報警以及數(shù)據(jù)共享與聯(lián)動控制等功能[8]。①樣氣采集與分析模塊主要包括JSG8-CB8 束管樣氣采樣泵、監(jiān)測分站等核心硬件，其中監(jiān)測分站配置N2、CO、CH4、O2、CO2、C2H2、C2H4、C2H6濃度分析儀以及氧氣檢測器、控制組件、自動校準和顯示組件、數(shù)據(jù)接口組件等，完成組分氣體濃度測算原始信號收集；②地面色譜分析工作站包括色譜分析儀、監(jiān)控主機、地面光端機和工控機等，將組分氣體采集系統(tǒng)的樣氣進行色譜分析，確定組分濃度；③數(shù)據(jù)傳輸與共享模塊包括隔爆型礦用數(shù)據(jù)交換機、工業(yè)環(huán)網(wǎng)、系統(tǒng)軟件以及上位機等，負責系統(tǒng)原始信號與工程數(shù)據(jù)的存儲、分析、共享，并利用系統(tǒng)軟件將組分氣體濃度數(shù)據(jù)應用到聯(lián)鎖控制系統(tǒng)，最為預警、報警等系統(tǒng)動作的觸發(fā)信號，控制室上位機通過組態(tài)軟件將系統(tǒng)設置狀態(tài)、監(jiān)測區(qū)域組分氣體濃度、聯(lián)鎖控制系統(tǒng)狀態(tài)等集中顯示。

圖1 JSG8 型束管采樣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of JSG8 beam tube sampling system

（2）井下監(jiān)測方案。

22402 工作面在綜采階段和工作面封閉后采用不同的組分氣體測點布置方案，綜采階段JSG8 礦井火災束管監(jiān)測系統(tǒng)束管采樣器設置在進回風順槽巷道，上下順槽同時監(jiān)測，采樣點間隔50 m，進回風巷道各設置3 個監(jiān)測點，布置方案如圖2 所示，距離工作面最遠處的采樣點距離超過180 m后，即可結(jié)束監(jiān)測，即組分氣體濃度監(jiān)測區(qū)域為距離工作面180 m 內(nèi)的采空區(qū)。

圖2 綜采階段22402 工作面進回風順槽測點布置方案Fig.2 Layout scheme of measuring points in intake and return air crossheading of No.22402 Face in fully mechanized mining stage

22402 工作面正常封閉后將測點設置在密閉區(qū)域的進回風側(cè)，在進、回風側(cè)密閉分別設觀測孔，并在密閉內(nèi)各布置1 個測點，測點布置如圖3 所示。

圖3 工作面封閉后測點布置方案Fig.3 Layout scheme of measuring points after working face closure

3.2 黃泥灌漿滅火系統(tǒng)

韓家洼煤礦黃泥灌漿滅火系統(tǒng)由智能灌漿、機械攪拌灌漿組成，智能灌漿能力為80 m3/h，2 組機械攪拌灌漿池互為備用，每組攪拌能力為100 m3/h。

根據(jù)《煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范，MT/T 702-1997》 規(guī)定，采用粉煤灰漿防火時，灌漿系數(shù)為5%～15%。韓家洼煤礦灌漿系數(shù)為8%，泥漿土水比為1∶3，注漿壓力為0.35 MPa，注漿量按照煤礦注漿防滅火技術(shù)規(guī)范（MT/T 702—1997）第7.3 條灌漿量計算公式確定，礦井灌漿量為59.2 m3/h。

式中：QW為礦井灌漿量，m3/h；k 為灌漿系數(shù)，取8%；G 為日產(chǎn)煤量，取3 100 t；δ 為泥漿水土比，取3；M 為漿液制成率，取0.9；rc為煤層密度，22402 綜采工作面煤層容重為1.40 t/m3；t 為日灌漿時間，三班倒，每班4 h，取12 h。

22402 工作面黃泥灌漿滅火工藝流程如圖4 所示，將聯(lián)合制漿機將土與水按照設定比例制成漿液，通過添加懸浮劑，利用漿液自身重力與渣漿泵形成壓差，通過注漿管路將漿液輸送到注漿區(qū)域，灌漿站采用φ219 mm 無縫鋼管進行漿液運輸，注漿區(qū)域采用φ133 mm 無縫鋼管注漿，注漿孔φ113 mm。

圖4 黃泥灌漿防滅火系統(tǒng)流程示意Fig.4 Flow diagram of yellow mud grouting fire prevention and extinguishing system

3.3 注氮滅火

22402 工作面配置了1 套井下移動式JDY1200/97 氮氣發(fā)生裝置，作為黃泥灌漿系統(tǒng)的輔助防火手段。裝置通過空氣壓縮機將井下通風系統(tǒng)空氣壓縮后，通過碳分子篩進行氮氧分離，裝置出口產(chǎn)出濃度為97%以上氮氣，通過工作面注氮管路將氮氣輸送到采空區(qū)，降低采空區(qū)氧含量，防止煤層自燃。制氮裝置通過井下工業(yè)環(huán)網(wǎng)與井上控制室上位機進行通訊，可以實現(xiàn)裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)遠程查詢、裝置遠程集控等，圖5 為控制室上位機制氮裝置監(jiān)控界面。22402 綜采工作面進風順槽沿采空區(qū)埋設DN250 注氮管路，注氮管道埋深達到25 m 后開始注氮，注氮壓力為0.4 MPa，采空區(qū)達到壓力后停止注氮，氮氣發(fā)生器隨工作面推進移動，繼續(xù)在采空區(qū)鋪設注氮管道，如此循環(huán)直至工作面開采完成。

圖5 上位機制氮裝置監(jiān)控界面Fig.5 Monitoring interface of upper mechanism nitrogen device

4 防滅火效果分析

2022 年4 月韓家洼煤礦JSG8 型束管采樣系統(tǒng)監(jiān)測到22402 綜采工作面采空區(qū)瓦斯氣體濃度升高，煤層自然風險急劇增大，煤礦及時啟動黃泥灌漿系統(tǒng)和注氮滅火系統(tǒng)后，瓦斯氣體濃度恢復到安全數(shù)值，各類危險氣體濃度變化見表2，表明韓家洼煤礦綜合防滅火系統(tǒng)能夠達到設計目的，防滅火效果明顯。

表2 綜合防滅火系統(tǒng)啟動前后組分氣體濃度監(jiān)測值匯總表Table 2 Summary of monitoring values of component gas concentration before and after the start-up of the comprehensive fire prevention and extinguishing system

5 結(jié)論

針對韓家洼煤礦22402 工作面采空區(qū)遺煤多、漏風嚴重，采空區(qū)瓦斯含量高，礦井危險性較大的問題，進行綜合防滅火技術(shù)研究，形成以下結(jié)論。

（1）設計單巷和工作面封閉后2 種監(jiān)測方案，采用JSG8 礦井火災束管監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測分析22402 工作面礦井氣體，分析結(jié)果通過工業(yè)環(huán)網(wǎng)顯示在集中控制室上位機。

（2）搭建了采空區(qū)灌漿防滅火為主，注氮防滅火為輔的綜合滅火防治系統(tǒng)，通過工程驗證了綜合防滅火系統(tǒng)的有效性。