大同矿区资源整合矿井综合防灭火技术研究

权春阳 高卫国

（大同煤矿集团有限责任公司技术中心安全技术研究所，山西省大同市，037003）

1 矿井概况

大同煤矿集团同生煤矿生产管理有限公司位于山西省岚县县城东南约9 km处，由原山西省岚县地方国营侯家岩煤矿、山西省岚县天旺煤业有限公司和山西省岚县更生煤业有限公司整合而成。原小煤窑存在多处煤层自燃火区且火区位置不明，造成其关闭停产。由于小窑火区地质开采资料缺乏，采空区多为不规则形状，巷道部署复杂，连通情况不清，这给火灾治理带来巨大的困难。矿井初期设计时只保留了侯家岩矿的主、副井筒，其余井筒全部封闭。侯家岩主、副井筒沿煤层倾向布置，井筒碹帮、碹顶与煤层之间留有大量的空隙，其中碹帮处空隙达200～500 mm。经详细探测，主、副井230～560 m碹壁缝隙中多处有CO气体溢出，最大浓度达0.08%。

2 整合矿井小煤窑火区位置判定成套技术体系

2.1 小煤窑主、副井筒四周空巷探测及新型高水凝胶材料灌注技术

整合矿井井筒所在9＃煤层厚度在10～14 m，井筒四周存在空巷，造成矿井南、北采区CO气体流通，不利于火区位置探测。为治理CO溢出严重问题，保留主、副井筒，进行空巷钻探及新型高水凝胶材料灌注技术研究。

（1）空巷钻探技术。由于矿井原始资料的缺失，利用钻孔探测分析分别对主、副井筒顶、底、帮打钻探测。钻孔探测前，将主、副井筒划分为A、B、C、D 4个钻探区域，钻孔间距约1 m左右，钻孔长度以探测到煤层顶板、底板为原则。钻探结果分析：穿越主、副井顶、底板内存在多层、数十条空巷，且空巷相互联通。

（2）空巷灌注技术。对主、副井筒周边存在空巷进行新型高水溶凝胶剂、粉煤灰等材料灌注。高水凝胶材料由甲料、乙料两种组成，其中甲料以硫铝酸盐水泥熟料为基材，与悬浮剂及少量缓凝剂混磨而成；乙料由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝早强剂等混磨而成。甲、乙料以重量比1∶1配合使用。根据实验测试分析，充填体使用的水灰比确定为2∶1，初凝时间6 min，2 h的抗压强度大于等于2.0 MPa，24 h的抗压强度为4.2 MPa，7 d的抗压强度为8～9 MPa，28 d的抗压强度为10～11 MPa。

采取灌注措施后，主井筒内CO浓度降低为0，并保持稳定，而副井筒内CO浓度降低为0后，并未一直保持，井下火区燃烧产生的CO气体会随着矿井通风进入副井筒。

2.2 小煤窑房柱式采空区火区锁风、缩封侦探及钻探成套技术

（1）锁风密闭方案。为探明矿井内9＃煤层存在的火区位置，采取锁风方式在井下巷道建立密闭，由救护队员进入探测各区域气体成分及浓度。以主、副井筒为界，矿井采区划分为北采区和南采区。火区探测前，对北采区一巷道～九巷道巷口进行密闭，八、九巷道处为临时密闭；南采区一巷道～五巷道及带式输送机巷口进行密闭，五巷道及带式输送机巷处为临时密闭。

（2）锁风及缩封侦探。在南、北采区运输下山、轨道下山巷道分别构筑两道带小门可供救护人员出入的临时密闭墙，两道密闭间的距离为5 m，木板密闭周围及木板搭接处用黄泥严密封堵。建立密闭后，南、北采区分别被划分为东部开采区域和西部开采区域。建立临时密闭墙后，救护队员再次进入南、北采区东部开采区域探测CO浓度和区域空气温度。

缩封侦探在北采区东部区域未发现CO气体，空气温度正常；西部区域依然保持较高的CO浓度。以此判定火区存在于北采区西部区域一巷道～九巷道之间采空区内。缩封侦探在南采区东部区域不存在火区；西部区域存在两种可能，采空区内存在火区或CO气体来源于邻近的高家坡露天矿。

（3）火区钻探技术。由副井井筒向南、北采区西部采空区布置10个钻孔，编号1＃～10＃，间距30 m。每个钻孔内设置温度传感器用于监测采空区内的气体温度，抽取气体进行检测。由于地下钻孔探测范围有限，只能初步确定火区范围，因此辅助采用地面钻井探测对钻孔探测进行补充，地面钻孔布置见图1。

图1 1＃～9＃地面钻井布置图

钻孔探测表明，北采区火区位于五巷道与九巷道之间采空区，6＃、8＃钻井探测区域；南采区西部采空区内存在积水，确定该区域不存在火区。针对同煤集团整合矿井自燃火灾严重的问题，同煤集团对探明的火区采取灌浆灭火措施。防灭火灌浆以黄土浆液为主，合理的浆液配比是取得良好防灭火效果的关键因素之一，研究在大量调研分析的基础上进行了大同矿区地面黄泥灌浆浆液配比的选择，浆液配比范围选择在1∶2.5～4。

3 注氮与注气雾阻化剂一体化防灭火技术

同煤集团对整合的矿井空巷和火区治理后，确定了矿井首采工作面为4＃煤层的4101工作面，工作面下方为9＃煤层房柱式开采的采空区。4＃煤层主要以镜煤为主，煤层氧化能力较强。此外，矿井经过长时间的小窑开采，煤层压风裂隙通道较多。为了保证首采工作面的安全生产，必须做好矿井的防灭火治理工作。

3.1 采空区自燃三带划分

在矿井开采过程中，不可避免有一些煤炭遗留在采空区内，由于采空区漏风，这些遗留的煤炭将会发生缓慢氧化反应，甚至自燃。目前划分采空区“三带”的方法主要有以氧气浓度为依据的现场实测法和以风速为基础的数值模拟法。

（1）以氧浓度作为指标划分氧化带、窒息带。采空区进入窒息带，漏风风流基本消失，以氧浓度指标来划分氧化带和窒息带。将10%氧浓度定为综放面采空区惰化指标，应用束管监测系统监测采空区氧浓度场分布，将束管及采样头埋入4101综放工作面支架尾梁后部。监测数据采用多项式拟合、最小二乘法拟合及3次样条插值得到采空区氧浓度分布等值线图，见图2。图2依据氧气浓度划分采空区自燃三带，图中18%氧气浓度为散热带与氧化带划分指标，10%氧气浓度为氧化带和窒息带划分指标，14%与7%仅表示氧气浓度分布，无其他作用。

图2 综放面采空区氧浓度分布等值线图

图3 数值模拟与实测结合采空区 “三带”划分

（2）以漏风风速指标来划分散热带与氧化带。利用FLUENT模拟计算软件研究了采空区内风速流场的分布。模拟结果显示，进回风侧距离工作面煤壁26 m处和中部距离工作面煤壁9 m处漏风风速等于0.02 m／s；进回风侧距离工作面煤壁98 m处和中部距离工作面煤壁78 m处漏风风速等于0.001 m／s。最终确定 “三带”划分依据，散热带漏风风速大于0.02 m／s；窒息带氧浓度小于10%；氧化带（漏风风速小于0.02 m／s）∩（氧浓度大于10%）。图3为数值模拟和实测工作面自燃 “三带”范围。从图3可以看出，氧化升温区主要分布在距离工作面煤壁26～80 m，离煤柱0～10 m的进风侧采空区以及距离煤柱0～10 m的回风侧采空区，氧浓度下降较大。

3.2 注氮与注气雾阻化剂一体化防灭火技术

针对4101综放面配制了PCF阻化剂，使煤着火活化能增加了14.51 kJ／mol；氧化带平均氧浓度下降到10%以下，经计算需注氮1006 m3／h以上。在注氮支管路上，每间隔100 m设置一个角度小于45°的三通，用于连接阻化剂雾化器，将其中一个备用的通口用挡板密封。在应用汽雾阻化防灭火技术时，将阻化剂配置成低浓度（4%）的阻化液，距工作面端头50 m处在主要输送管路上安装异径三通连接一条直径16 mm、长60～80 m的高压胶管与高压阀门，调试工作完成后，将雾化器安装在直径16 mm高压胶管管路末端，高压胶管一端与雾化器连接后，将雾化器与注氮管路中的距工作面最近的三通密封连接，如图4所示。

阻化液泵于开泵前将压力调整到与注氮压力相等。开启后，气雾阻化剂进入注氮管路，以氮气为载体，输送到采空区自燃带，当气雾阻化剂所到之处遇到遗煤（岩体）则覆盖在上面，起到惰化、阻化、隔氧、降温、防止遗煤自燃的作用。

图4 注氮与注气雾阻化剂一体化工艺原理图

4 建立整合矿井煤氧化自燃生成标志性气体预报模型

煤炭在不同温度条件下会产生不同类型的氧化自燃气体，通过对煤层自燃标志性气体的分析，可以掌握工作面采空区煤炭自燃规律，从而为制定有效合理的煤炭自燃发火防治措施提供依据，保证煤矿的安全高效生产。

4.1 煤氧化反应生成气体的红外光谱实验

将型号为SK－2.5－13T管式电阻炉和TENSOR27型傅利叶变换红外光谱仪联用的方法，分析整合矿井4＃煤层4101综放面煤样在升温氧化过程中在不同温度下煤氧化自燃生成气体的红外光谱图，确定此煤样在氧化自燃过程中在不同温度下出现的标志性气体。4101综放面实验煤样氧化自燃生成气体红外3D光谱图如图5所示。

图5 4＃煤层4101综放工作面实验煤样氧化自燃生成气体红外3D光谱图

将实验煤样氧化自燃生成气体红外3D光谱图分解后得到不同温度煤样氧化自燃生成各种气体的红外光谱图。由氧化自燃生成的气体红外光谱图可知，煤氧化自燃生成的气体产物有H2O、CO2、CO、CH4和C2H45种生成物。在加热到30～100℃左右有水和二氧化碳析出；温度升至100～150℃左右时，有一氧化碳生成；温度升至120～170℃左右时，有甲烷和乙烯生成；在温度达200～300℃时，水、二氧化碳、一氧化碳、甲烷和乙烯出现强峰。

4.2 煤样氧化自燃生成标志性气体的浓度与温度关系研究

配制了不同浓度的CO、CH4、C2H4等混合组元气体，在红外光谱实验条件下，求解混合气体中某种气体浓度与红外光谱谱图峰面值的关系，再利用多项式方程或指数形式的方程进行拟合，从而得到某一组元气体浓度的定量预报模型。配气系统示意图见图6，CH4、CO、C2H4气体浓度与温度的关系见图7。

图6 配气系统示意图

图7 CH4、CO、C2 H4气体浓度与温度的关系图

由图7（a）可知，在120～220℃范围内CH4浓度维持很低的浓度范围；220℃后CH4浓度明显增大，出现浓度峰值；250℃后CH4浓度又在一个较高的浓度范围内上下波动。由图7（b）可知，60～150℃范围内CO浓度缓慢增大；150℃后CO浓度明显增大，200～240℃时CO浓度呈指数形式迅速增大；240℃后CO浓度仍然有变大的趋势，但波动较大规律不明显。由图7（c）可知，在120～220℃范围内C2H4浓度维持在一个很低的浓度范围内上下波动；220℃左右C2H4浓度明显增大，出现浓度峰值；250℃后C2H4浓度波动很大，不具有明显的规律性。

5 结论

对于缺乏基础资料的资源 整合矿井，通过缩风、锁风侦探技术有效地探明了火区的位置，在研究适合大同矿区合理灌浆水土比的基础上进行了火区治理，消除了矿井煤层自燃的威胁。利用FLUENT模拟计算软件，研究了采空区内风速流场的分布，结合束管监测的氧浓度合理划分了采空区三带位置。在采空区三带划分的基础上，研究了注氮与注气雾阻化剂一体化防灭火技术，将氮气和气雾阻化剂一起输送到工作面采空区的氧化带内，氮气、阻化剂同时起到防止遗煤自燃的作用。研究分析了上部煤层氧化自燃生成的标志性气体，建立了标志性气体的预报模型，研究分析了煤样氧化自燃生成的CO、CH4和C2H4气体的浓度与温度的关系，有效指导了矿井自燃火灾的预测预报，通过一系列措施保证了资源整合后矿井的安全生产。煤炭企业兼并重组符合当前煤炭工业的产业政策，也是煤炭工业十二五规划重点之一。对于整合矿井防灭火技术的研究是保证矿井安全生产的前提，国家许多矿井资源整合后都面临着火区治理的问题，本项研究对于指导国家其它整合矿井的安全生产具有十分重要的指导意义。

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