李兆生 彭宗芹 許振宏

（1.國家礦山安全監(jiān)察局山東局，山東 濟(jì)南 250031；2.棗莊礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277000）

滕東煤礦礦井通風(fēng)方式為中央并列式，主井兼作回風(fēng)井，采用抽出式通風(fēng)，為沖擊地壓礦井，礦壓顯現(xiàn)明顯。目前采空區(qū)有密閉漏風(fēng)現(xiàn)象，在不采取任何治理手段的條件下，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度急速升高，可能產(chǎn)生自燃隱患，迫切需研究有效的采空區(qū)遺煤自燃防治技術(shù)手段，從根本上改善采空區(qū)環(huán)境。

采空區(qū)遺煤自燃防治措施[1-3]，目前主要有提高放頂煤回收率，增加漏風(fēng)通道風(fēng)阻，調(diào)節(jié)風(fēng)壓；加強(qiáng)采空區(qū)頂板垮落管理，注水，注漿，注氮，上下隅角封堵等。采空區(qū)漏風(fēng)[4-5]是引發(fā)遺煤自燃的重要原因，是煤礦生產(chǎn)必須解決的一個重要安全問題。采空區(qū)漏風(fēng)是由于采空區(qū)內(nèi)外氣壓不平衡所導(dǎo)致[6-8]。因此，開展采空區(qū)均壓防滅火技術(shù)研究，充分利用氣壓調(diào)整采空區(qū)內(nèi)外壓差[9-11]，可以從根本上減少采空區(qū)的漏風(fēng)量，減緩煤的氧化過程，降低采空區(qū)遺煤自燃的可能性。

1 均壓通風(fēng)防滅火機(jī)理

根據(jù)眾多研究，造成采空區(qū)漏風(fēng)的必要條件有2 個[12]：一是存在漏風(fēng)通道，二是漏風(fēng)通道兩端存在壓差。采用磚墻密封的采空區(qū)，通常密封效果較差，造成采空區(qū)與外部巷道存在漏風(fēng)通道[13-14]。對于抽出式通風(fēng)礦井，風(fēng)機(jī)進(jìn)風(fēng)側(cè)至地表處于負(fù)壓區(qū)，相對壓力為負(fù)，即兩端存在壓差，采空區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橥獠柯╋L(fēng)點，外部空氣通過采空區(qū)漏風(fēng)通道不受控狀態(tài)直接進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部。對于壓入式通風(fēng)礦井，風(fēng)機(jī)出風(fēng)側(cè)至回風(fēng)井口風(fēng)路處于正壓區(qū)，相對壓力為正，同樣形成了兩端壓差，此時具有貫通通道的采空區(qū)將產(chǎn)生外部漏風(fēng)點，風(fēng)機(jī)送入井下的風(fēng)流可能在未進(jìn)入作業(yè)面前通過采空區(qū)直接排出地表[15-17]。正負(fù)壓漏風(fēng)示意如圖1。

圖1 風(fēng)路漏風(fēng)示意圖（單位：Pa）

2 礦井概況

滕東煤礦位于滕州市鮑溝鎮(zhèn)境內(nèi)，為沖擊地壓礦井，設(shè)主井、副井兩個井筒，主井深936.2 m，副井深950 m，井底車場標(biāo)高-865 m，為魯南第一深井。礦井通風(fēng)方式為中央并列式，主井兼作回風(fēng)井，采用抽出式通風(fēng)。礦井恒溫帶深度37.8 m，溫度為15.57 ℃，全井田平均地溫梯度為2.72 ℃/100 m，地溫隨深度增加而升高。該礦井設(shè)計能力45 萬t/a，核定生產(chǎn)能力45 萬t/a，服務(wù)年限59.5 a。2021年9 月停產(chǎn)重組。

滕東煤礦停產(chǎn)重組時，一采區(qū)及三采區(qū)開拓巷道已大范圍封閉（圖2）。

圖2 滕東煤礦三采區(qū)通風(fēng)路線圖

未采工作面為3下115 面，該工作面2021 年7月31 日停采后于2021 年8 月29 日封閉。與3下115 采空區(qū)相鄰的有3下113 采空區(qū)，以上兩處采空區(qū)周邊密閉有4 處，分別為3下113 運聯(lián)密閉、3下115 運聯(lián)密閉、3下117 回風(fēng)通道密閉及3下113 軌道巷密閉。

3 均壓防滅火方案設(shè)計

依據(jù)均壓防滅火原理，根據(jù)滕東煤礦的實際情況，從均壓氣室連接設(shè)計、均壓氣室設(shè)計兩個方面設(shè)計均壓防滅火方案。

3.1 氣室連接設(shè)計

如圖3 所示，4 個均壓氣室建設(shè)地點位于3下113 運聯(lián)密閉、3下115 運聯(lián)密閉、3下117 回風(fēng)通道密閉及3下113 軌道巷密閉外側(cè)0.5～1.0 m 處。

圖3 氣室連接示意圖

均壓氣室施工期間在墻體預(yù)留連接管路（管路外徑89 mm），管壁四周與墻體間用混凝土填實不得漏風(fēng)。以上均壓氣室施工完畢后用外徑89 mm 無縫鋼管沿北翼軌道大巷、北翼回風(fēng)大巷經(jīng)5#通道、6#通道雙回路與以上均壓氣室預(yù)留連接管相連，使4 處均壓氣室內(nèi)空氣通過連接管相互連通達(dá)到氣壓均衡，避免采空區(qū)漏風(fēng)引起自然發(fā)火的目的。

3.2 均壓氣室設(shè)計

建設(shè)均壓氣室前必須將原密閉墻體上開裂漿皮、噴涂附著物清理干凈，對原密閉墻重新用混凝土噴漿處理，確保密閉墻嚴(yán)密不漏風(fēng)。

如圖4 所示，將原密閉墻“三孔”（即：措施孔、觀察孔、反水孔）用無縫鋼管連接后引到均壓氣室墻體外。以上“三孔”孔口分別用封堵蓋、“U”型壓差計及閥門連接，便于監(jiān)測密閉內(nèi)氣體、壓力情況?？卓谶B接處密封圈齊全、螺絲緊固，封堵嚴(yán)密不得漏風(fēng)。

圖4 密閉墻處理正視圖

如圖5 所示，均壓氣室墻體用紅磚砌筑，墻體厚度500 mm，砌筑前將墻體四周破碎的浮煤、矸石清理干凈，掏槽至實頂、實幫和堅硬底板。磚縫用混凝土砂漿填滿（混凝土水泥、砂比例不低于1:3）。均壓氣室施工必須保證墻體平整，砌筑完畢后用同比例混凝土對墻體噴漿加固。

圖5 密閉墻處理側(cè)視圖

4 應(yīng)用效果分析

在均壓防滅火方案應(yīng)用前后分別對滕東煤礦井下3下113 運聯(lián)密閉、3下115 運聯(lián)密閉、3下117 回風(fēng)通道密閉及3下113 軌道巷密閉內(nèi)各氣體進(jìn)行取樣檢測并記錄數(shù)據(jù)，將前后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，驗證方案的有效性。

4.1 現(xiàn)場實測

為對比方案施工前后氣體的變化和密閉內(nèi)外壓力的變化，分別在均壓防滅火實施前的2023 年3 月16 日和3 月23 日井下作業(yè)前，攜帶便攜式氣體檢測儀以及精密氣壓計對各測點進(jìn)行逐點測定，監(jiān)測對象包括一氧化碳、甲烷、氧氣以及測點壓力，并計算得到測點間的壓差關(guān)系。測定數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 3 月16 日井下氣體分析表

表2 3 月23 日井下氣體分析表

在2023 年7 月22 日和7 月31 日井下采空區(qū)密閉實施均壓調(diào)節(jié)后，繼續(xù)利用便攜式氣體檢測儀以及精密氣壓計對各測點進(jìn)行逐點測定，測定數(shù)據(jù)記錄見表3 和表4。

表3 7 月22 日井下氣體分析表

表4 7 月31 日井下氣體分析表

4.2 數(shù)據(jù)分析

從表3 和表4 可以看出，在均壓防滅火技術(shù)運用之前3下113 軌道巷閉內(nèi)和3下117 回風(fēng)通道閉內(nèi)的CO 濃度一直維持在1.0×10-5～1.6×10-5，均壓防滅火技術(shù)運用之后，CO 含量降為0×10-6；均壓防滅火技術(shù)運用之前3下117 回風(fēng)通道內(nèi)的CO2濃度維持在3.23%～3.33%，3下113 軌道巷閉內(nèi)CO2濃度維持在2.22%～2.50%，均壓防滅火技術(shù)運用之后，3下117 回風(fēng)通道內(nèi)的CO2濃度降到0.99%～1.62%，3下113 軌道巷閉內(nèi)CO2濃度降到1.58%～1.60%。說明之前采空區(qū)內(nèi)外存在壓差，采空區(qū)內(nèi)部CO 和CO2沿著采空區(qū)漏風(fēng)通道運移至回風(fēng)巷道閉內(nèi)，而均壓防滅火將采空區(qū)內(nèi)外壓差基本維持在0 Pa，采空區(qū)內(nèi)部氣體沒有向巷道內(nèi)漏出。

7 月22 日的各密閉氣體取樣分析檢測中，氧氣的含量分別為3下113 軌道巷閉內(nèi)18.05%、3下115運聯(lián)閉內(nèi)19.53%、3下117 回風(fēng)通道閉內(nèi)19.56%、3下113 運聯(lián)閉內(nèi)18.74%；在7 月31 日的各密閉體取樣分析檢測中，氧氣的含量分別為3下113 軌道巷閉內(nèi)18.07%、3下115 運聯(lián)閉內(nèi)18.77%、3下117 回風(fēng)通道閉內(nèi)18.67%、3下113 運聯(lián)閉內(nèi)18.70%。通過上述數(shù)據(jù)可以看出，實施均壓防滅火技術(shù)之后氧氣濃度均有所下降。分析原因主要是采空區(qū)均壓防滅火技術(shù)之后，巷道氣體不再沿漏風(fēng)通道向采空區(qū)內(nèi)部泄漏。

根據(jù)上述數(shù)據(jù)分析結(jié)果可以看出均壓防滅火技術(shù)在滕東煤礦的使用效果較好，有效解決了采空區(qū)漏風(fēng)供氧、遺煤自燃問題。該技術(shù)具有較好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和推廣應(yīng)用價值。

5 結(jié)論

該文主要針對滕東煤礦進(jìn)行了均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用，在對滕東煤礦通風(fēng)系統(tǒng)充分分析后，基于均壓通風(fēng)原理，合理設(shè)計均壓防滅火施工方案，最后對應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行對比分析，主要得出以下結(jié)論：

1）均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)⒚荛]內(nèi)外壓差控制在0～20 Pa，使采空區(qū)密閉內(nèi)外壓力達(dá)到均衡，阻止氣體的外逸。

2）均壓防滅火技術(shù)的應(yīng)用，有效防止向采空區(qū)漏風(fēng)供氧，從而防止采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃。

3）推廣應(yīng)用后，經(jīng)測算每年產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益100 萬元，具有較好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。