胡亞琴

（霍州煤電集團(tuán)職工培訓(xùn)教育中心，山西 霍州 031400）

0 引言

由于我國大多數(shù)煤層都具有自燃性，火災(zāi)已經(jīng)成為礦井主要災(zāi)害之一。近年來，我國礦井也出現(xiàn)了幾起大型火災(zāi)事故，如雞西杏花煤礦“11·20”火災(zāi)事故造成22人遇難；遼寧本溪黑煤窯“7·4”火災(zāi)事故造成11人死亡；7臺河市景有煤礦“11·29”火災(zāi)事故造成22人死亡等。這些事故都造成了巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，給礦井的安全生產(chǎn)敲響了警鐘。一些礦井火災(zāi)常常會引發(fā)煤塵、瓦斯爆炸，更進(jìn)一步加大礦井所受災(zāi)害的程度［1-3］。礦井發(fā)生火災(zāi)是由內(nèi)部因素（煤自燃傾向性）和外部因素（堆煤、氧氣、外部聚熱環(huán)境）共同作用的，其中外因是關(guān)鍵［4-6］，因此，對于礦井火災(zāi)事故的防治，主要從控制外部因素入手，避免出現(xiàn)堆煤，控制氧氣含量從而抑制煤氧化自燃。通過對回采工作面綜合防滅火技術(shù)的研究，建立工作面火災(zāi)預(yù)測指標(biāo)體系，總結(jié)火災(zāi)的規(guī)律，從而制訂防滅火措施，更有針對性地防治礦井火災(zāi)。

1 工作面概況

霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)2-101綜采工作面位于一采區(qū)，地面標(biāo)高+551～+600 m，井下標(biāo)高+110～+141 m，蓋山厚度430～482 m。工作面東側(cè)、西側(cè)無采掘活動，北側(cè)為一采區(qū)系統(tǒng)巷道，南側(cè)為井田邊界。工作面走向長度568.3 m，傾斜長度168.7 m。2-101工作面煤層為緩傾斜單斜簡單構(gòu)造，煤層硬度f為2～3，屬于穩(wěn)定性煤層。礦井主采2#煤層，煤層厚度3.5 m，平均傾角3°。頂?shù)装逯饕赡鄮r和砂巖構(gòu)成。對礦井的2#煤層進(jìn)行了煤自燃傾向性鑒定，鑒定結(jié)果見表1。2#煤層有自燃傾向，Ⅱ級自燃，自然發(fā)火期為93 d。

表1 2#煤層自燃傾向性鑒定表

2 工作面火災(zāi)預(yù)測技術(shù)

2-101綜采工作面建立了以束管監(jiān)測為主、人工取樣監(jiān)測為輔的火災(zāi)預(yù)測系統(tǒng)。通過對工作面煤自燃指標(biāo)氣體和溫度進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)時預(yù)測工作面火災(zāi)發(fā)生狀況，并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)對工作面重點(diǎn)發(fā)火區(qū)域（如：本工作面采空區(qū)及上覆、相鄰工作面采空區(qū)等可能引發(fā)火災(zāi)區(qū)域）制訂防滅火措施，從而避免工作面發(fā)生火災(zāi)。

2.1 束管監(jiān)測系統(tǒng)

2-101綜采工作面安裝了一套JSG-7型16芯煤礦自然發(fā)火束管監(jiān)測系統(tǒng)，在工作面共布置監(jiān)測點(diǎn)3個，測點(diǎn)布置在工作面回風(fēng)上隅角處和采空區(qū)內(nèi)，測點(diǎn)間距為20 m，沿著工作面回風(fēng)巷底板外幫依次布置。每個監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置一個裝有保護(hù)套的測點(diǎn)采樣器，用來采集各類檢測氣體，并通過安裝在地面的抽氣泵將收集的氣體送入氣體分析儀進(jìn)行分析。隨著工作面回采，設(shè)置的3個監(jiān)測點(diǎn)依次進(jìn)入采空區(qū)，當(dāng)布置的最后一個監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)20 m后，撤銷第一個監(jiān)測點(diǎn)，依次按照相鄰20 m布置一個測點(diǎn)的規(guī)律重新布置，直到工作面回采結(jié)束后停止布置測點(diǎn)。當(dāng)工作面回采到邊界位置時，3個測點(diǎn)的位置分別距工作面液壓支架5 m、15 m、25 m位置處。束管監(jiān)測器測點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 束管監(jiān)測器測點(diǎn)布置示意圖

在監(jiān)測點(diǎn)采集O2、CO2、CO、N2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等氣體送至地面進(jìn)行分析，并通過煤自燃后的產(chǎn)物CO濃度對工作面火災(zāi)進(jìn)行預(yù)警。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)CO濃度超過警戒值0.002 4%時，則立即停止作業(yè)，通知人員撤離，直到CO濃度低于0.002 4%時，方可恢復(fù)作業(yè)。

若2-101綜采工作面發(fā)現(xiàn)異常情況，需利用人工取樣的方法對束管監(jiān)測系統(tǒng)加以校正和檢驗(yàn)，氣樣采集后在24 h內(nèi)必須送至氣樣分析室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如超過24 h，需重新取樣，確保氣體分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。同時，定期由專人用CO檢測儀對采空區(qū)內(nèi)和采面回風(fēng)隅角檢測CO濃度，能夠在早期監(jiān)測到自燃的臨界點(diǎn)。

2.2 工作面自燃監(jiān)控

為了做好2-101綜采工作面自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)工作，需要對工作面自燃進(jìn)行監(jiān)控。其具體措施為每周一次的采空區(qū)取樣分析，分析CO濃度和烷烴比，可通過束管監(jiān)測和人工取樣兩種方法。通過紅外線遙感測溫儀遙測采空區(qū)溫度，及時掌握溫度變化。通過束管監(jiān)測探頭監(jiān)測工作面及回風(fēng)隅角的自然發(fā)火情況。通過在回風(fēng)順槽設(shè)CO探頭檢測回風(fēng)風(fēng)流中的CO變化，監(jiān)控工作面及巷道的自然發(fā)火情況。

3 工作面防滅火技術(shù)

3.1 注氮防滅火

注氮防滅火技術(shù)原理是指利用氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，在常溫下基本不與其他物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)［7-9］。而工作面氮?dú)鉂舛仍礁?，氧氣濃度就會越低，?dāng)氧氣的濃度降至3%以下時，可以完全抑制煤炭的自燃和復(fù)燃。

工作面注氮量：2-101綜采工作面采用采空區(qū)鋪設(shè)注漿管路進(jìn)行防滅火，根據(jù)束管監(jiān)測系統(tǒng)，當(dāng)CO濃度超過警戒值時，啟動注氮機(jī)進(jìn)行工作面注氮防滅火。根據(jù)《MT/T 701—1997》標(biāo)準(zhǔn)可知，要想使工作面O2濃度降低至3%以下，則工作面注氮流量見式（1）。

式中：QN—2-101工作面注氮流量，m3/h；Q0—工作面采空區(qū)氧化帶漏風(fēng)量，取值10 m3/min；C1—工作面采空區(qū)氧化帶平均O2濃度，取值13%；C2—工作面采空區(qū)惰化防火指標(biāo)，取值7%；CN—工作面注氮濃度，取值98%；k—備用系數(shù)，取值1.2。

工作面注氮工藝：2-101綜采工作面采空區(qū)采用隨采隨注的注氮工藝，沿著工作面進(jìn)風(fēng)順槽埋設(shè)注氮管路，氮?dú)忉尫趴趹?yīng)高于底板，以90°彎管拐向采空區(qū)，與工作面保持平行，注意孔口不可向上，用石塊或木垛等加以保護(hù)。工作面應(yīng)同時保證3個釋放口同時注氮，即通常第一個釋放口設(shè)在開切眼位置，第二個釋放口距切眼30 m，第三個釋放口距切眼60 m，第四個釋放口距切眼110 m。當(dāng)布置第四個釋放口時，停止1號釋放口注氮，同時拆除，依次進(jìn)行注氮。注氮工藝布置示意圖如圖2所示。

3.2 注漿防滅火

采用注漿防滅火主要有地面注漿和井下移動注漿兩種方式［10-12］，考慮2-101綜采工作面地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)效益，采用井下移動注漿的方式。防滅火注漿材料主要是黃土漿液，也可在黃土漿液中添加阻化劑等，通過注漿管路將注漿液噴灑在工作面采空區(qū)，避免工作面發(fā)生火災(zāi)。

圖2 注氮工藝布置示意圖

工作面回采的同時對采空區(qū)進(jìn)行注漿防滅火。根據(jù)2-101綜采工作面自燃“三帶”的分布范圍與煤層的自燃傾向性特點(diǎn)，采用踏步式埋管注漿的工藝對工作面進(jìn)行注漿。由于工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣含量高，發(fā)生火災(zāi)的危險(xiǎn)性較大，因此，在工作面進(jìn)風(fēng)巷依次埋設(shè)注漿管進(jìn)行注漿。工作面使用兩臺移動式注漿機(jī)進(jìn)行注漿，當(dāng)埋設(shè)的注漿管進(jìn)入采空區(qū)不低于15 m后開始進(jìn)行注漿，注漿步距為40 m。注漿工藝示意圖如圖3所示。

圖3 工作面注漿防滅火工藝示意圖

若工作面回采中存在自燃隱患，也可以用回采后注漿的方式處理采空區(qū)火災(zāi)隱患。當(dāng)工作面回采完畢后，在距離工作面停采線30 m、20 m位置密閉墻上部插注漿管對采空區(qū)進(jìn)行灌漿。

3.3 堵漏風(fēng)技術(shù)

控制漏風(fēng)技術(shù)的防滅火機(jī)理是減少采空區(qū)供氧量，減少或杜絕松散煤體與氧氣的結(jié)合，從而達(dá)到工作面防滅火的效果。2-101綜采工作面回采前對工作面進(jìn)行全面排查，對火災(zāi)發(fā)生危險(xiǎn)區(qū)域采用黃土進(jìn)行回填，從而切斷煤與O2接觸，抑制工作面煤體自燃。

工作面回采后在兩巷端頭分別施工一面黃土沙袋密閉墻，嚴(yán)密封堵工作面采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)。其中，進(jìn)風(fēng)巷端頭施工密閉墻的作用是封堵工作面風(fēng)流向采空區(qū)漏風(fēng)；回風(fēng)巷端頭施工密閉墻的作用是增大工作面風(fēng)流向采空區(qū)漏風(fēng)阻力。工作面進(jìn)回風(fēng)端頭密閉墻布置示意圖如圖4所示。工作面在進(jìn)回風(fēng)兩巷端頭布置密閉墻堵漏風(fēng)的同時，將兩巷端頭處6架液壓支架與采空區(qū)之間的空間采用黃土沙袋封堵壓實(shí)，并懸掛風(fēng)障，保證巷道上幫和工作面頂板之間無漏風(fēng)空隙，減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)。

圖4 工作面兩巷密閉墻布置示意圖

工作面回采后由于動壓作用可能會產(chǎn)生地表裂隙，對于地表裂隙要及時回填，避免出現(xiàn)地表風(fēng)流進(jìn)入工作面采空區(qū)。地表裂隙回填速度不應(yīng)滯后工作面切眼100 m，由于采動影響，回填后也應(yīng)當(dāng)及時進(jìn)行復(fù)查。

4 防滅火技術(shù)效果檢驗(yàn)

2-101綜采工作面采用注氮、注漿、堵漏風(fēng)的綜合防滅火措施后進(jìn)行防滅火效果檢驗(yàn)，在工作面回風(fēng)隅角布置3路束管監(jiān)測采空區(qū)各指標(biāo)氣體的含量，監(jiān)測數(shù)據(jù)見表2。

表2 防滅火技術(shù)實(shí)施前后各指標(biāo)氣體含量

由表2監(jiān)測結(jié)果可知，2-101綜采工作面采用綜合防滅火措施后，工作面漏風(fēng)量明顯減少，各煤自燃指標(biāo)氣體得到了有效的降低。監(jiān)測結(jié)果表明，綜合防滅火技術(shù)有效解決了工作面防火災(zāi)難題。

5 結(jié)論

（1）以2-101綜采工作面為研究對象，分析了束管監(jiān)測和自燃監(jiān)控兩種工作面的火災(zāi)預(yù)測技術(shù)。通過依次布置的3個束管測點(diǎn)收集煤自燃指標(biāo)氣體并送至地面進(jìn)行分析，當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)CO的濃度超過警戒值0.002 4%時，則立即停止作業(yè)，通知人員撤離，直到CO濃度低于0.002 4%后，方可恢復(fù)作業(yè)。對工作面煤自燃進(jìn)行監(jiān)控，分別通過紅外線遙感測溫儀遙測采空區(qū)溫度、回風(fēng)順槽設(shè)CO探頭檢測回風(fēng)風(fēng)流中CO的變化，監(jiān)控工作面及巷道的自然發(fā)火情況。

（2）提出采用注氮防滅火技術(shù)、注漿防滅火技術(shù)和堵漏風(fēng)技術(shù)相結(jié)合的綜合防滅火方法防治工作面火災(zāi)，分別分析了3種防滅火措施的施工工藝，并對工作面采用防滅火技術(shù)前后各指標(biāo)氣體含量進(jìn)行分析，工作面漏風(fēng)量明顯減少，各煤自燃指標(biāo)氣體含量得到了有效降低。