倾斜分层大采高综采工作面采空区防灭火技术研究

徐志强 邵小平

摘要：根据杭来湾煤矿30105回采工作面工程概况，采取了注浆、注氮、喷洒阻化剂、正规组织生产等综合防灭火技术，有效地防止了采空区遗煤的自然发火，对类似地质的矿井有一定的借鉴意义。

关键词：采空区；防灭火技术；煤层自燃

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2017.10.096

1工程概况

杭来湾煤矿3号煤属特厚煤层，煤层厚度8.27m～10.66m，平均厚度为9.13m。煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，属于容易自燃煤。采煤方法为倾斜分层大采高复合假顶综合机械化采煤法，开采高度5.0m左右。30105上回采工作面采用倾向长壁采煤法，工作面采用后退式开采，工作面长度为299.5米，推进长度4310米。为了保证综采工作面的安全生产，杜绝采空区自燃发火，结合我矿目前防灭火技术条件，决定在30105上综采工作面采用以灌浆为主，以注氮气和喷洒阻化剂为辅的综合防灭火措施。

230105上回采工作面采空区综合防灭火技术

2.1灌浆防灭火

（1）粉煤灰泥浆灌浆步距：根据我矿自燃发火期和综采工作面推进速度确定粉煤灰泥浆灌浆步距定为180米一注。如遇特殊时期随时进行注浆。

（2）粉煤灰泥浆灌浆生产工艺：①灌浆方法：采用采空区密闭墙预埋管随采随灌生产工艺，粉煤灰泥浆灌浆时水灰比为4∶1。②管路敷设：由地面注浆站使用DN159钢管作为粉煤灰泥浆注浆管路，此管路布置路线为：回风斜井—回风大巷—30105工作面辅运顺槽（回风顺槽）—30105工作面采空区密闭墙。注浆连接软管与采空区预埋注浆管相对应，随工作面推进不断前移。③在工作面初次放顶前20米时，对采空区上、下隅角进行粉煤灰泥浆灌浆。以后每隔100米对采空区上、下隅角注浆一次。最后，在工作面停采时对采空区上、下隅角注浆一次。④当工作面上隅角出现自燃发火隐患时，在工作面内每隔15道架向采空区打钻，利用钻孔向采空区进行粉煤灰泥浆灌浆，直至自燃发火隐患消失。⑤支架上方出现高温点或明火时，向支架上方打钻灌浆。工作面需连续停采三天以上时，对上、下隅角进行灌浆。

（3）灌浆量计算。

矿井日灌浆量计算公式为：

Q=∑ni=1QWi，其中QWi=GWh（δ+1）MρCHLN

式中：Q—矿井日灌浆量，m3/d；n—同时回采工作面个数，矿井移交时布置1个工作面，则n=1；Qwi—第i个工作面日灌浆量，m3/d；G—工作面日产煤量，24242t/d；W—沿工作面布置方向灌浆宽度，取250m；h—浆液覆盖厚度，取0.25m；

δ—土水比，灌浆水土比确定为4；M—浆液制成率，0.9；ρc—煤的密度，1.32t/m3；H—工作面回采高度，取5m；L—工作面长度，300m；N—灌浆添加剂防灭火效率因子的数值，取206。经过计算，Q=1671.6（m3/d）。

设计取Q=1675m3/d，则每小时灌浆量Q=1675m3/h。矿井日灌浆所需材料量为：

Qt=KtQδ+1

式中：Qt—日灌浆所需材料量，m3/d；Kt—日取灌浆材料系数，取1.1；经过计算，Qt=368.5（m3/d）。

2.2采空区注氮氣防灭火

2.2.1注氮量计算

（1）按产量计算。

按产量计算的实质就是向采空区注入一定流量的氮气，惰化每天采煤所形成的空间体积，使其氧化浓度降低到惰化指标所需要的注氮流量，可按下式计算：

Qn=A/（1440ρtη1η2）·（C1/C2-1）

式中：Qn—注氮流量，m3/min；A—年产量，综采工作面为8.0Mt/a；t—年工作日，取330d；ρ—煤的容重，取1.32t/m3；η1—管路输氮效率，取0.90；η2—注氮防火效率，取0.60；C1—采空区平均含氧量，取20.8%；C2—采空区防火惰化指标，按7%。经过计算，Qn1≈2800m3/h。

（2）按瓦斯量计算。

Qn=QC/（1.0-C）

式中：Qn—注氮流量，m3/min；Q—工作面风量，取1500m3/min；C—工作面回风巷中的瓦斯浓度，取1%。经过计算，Qn1=912m3/h。

（3）按采空区氧化带氧浓度计算。

Qn=（C1-C2）×QNCN+C2-1，

式中：Qn—注氮流量，m3/min；QV-采空区氧化带的漏风量，取12m3/min；C1-采空区氧化带内原始氧浓度；C2-注氮防火惰化指标，取7%；CN-注入氮气中的氮气浓度，取98.5%。经过计算，Qn=654m3/h。

综合上述计算，井下3号煤上分层综采工作面注氮量Qn=2800m3/h。

2.2.2制氮设备选型

（1）设计依据。

矿井投产时，井下装备1个综采工作面，防灭火需要注氮量为2800m3/h，制氮机组工作地点标高约为+1020.00m。

（2）制氮设备选型。

计入输氮管路漏气损失及海拔高度对制氮机组空气压缩机排气量的影响等因素后，设计计算综采工作

面所需制氮设备氮气产量Q=3393.6m3/h。考虑到本矿井实际条件，为减少输送氮气管路漏气损失和管路沿程阻力损失，设计确定选用井下移动式碳分子筛变压吸附制氮设备，并且为不增加井下供水量，节省制氮机组冷却用水的供给和排出费用，冷却方式选用风冷式。

根据计算所需制氮设备氮气产量，选用4套DT-1000型井下移动式碳分子筛制氮机组，4套机组同时工作。每套制氮装置的主要技术参数为：氮气产量：1000Nm3/h；氮气纯度：≥98%；输出压力：0.6MPa可调；装机功率：321kW；主电动机电压：660V；冷却方式：风冷。制氮设备放置于辅运大巷制氮硐室内，通过输氮管路将氮气送至综采工作面。

（3）氮气输送管路。

氮气输送管路管径按照其输送距离最远点压力损失不超过0.1MPa计算确定，计算氮气输送管路内径185.79mm，氮气输送管路选用219煤矿井下用聚乙烯管，氮气输送管路沿综采工作面运输巷铺设一趟，长度约4500m。

（4）采空区注氮方法。

井下注氮硐室注氮泵与顺槽注氮管路连接，当工作面采过预埋管时，运行注氮机组，产生的高压氮气通过注氮管路向采空区注氮。注氮系统路线：制氮机—30105工作面辅运顺槽—30105工作面采空区。

2.3使用阻化剂防灭火

采用化学物质喷洒煤体表面是国内外正在使用的一种防止煤炭自燃的方法，即采用无机盐类化合物与水配制成溶液。对采空区遗煤进行喷洒形成一种很薄的膜，使煤体表面不能发生氧化；另一方面保持煤体的水分不至于散发，防止煤炭自燃。根据使用阻化剂进行防灭火的经验，采用Cacl2作为阻化剂，利用BH40阻化剂喷洒泵，通过管路在工作面每完成一个循环对采空区遗煤，工作面上、下隅角喷洒一次。

2.4加强采空区出口、联巷的封闭，防止火灾事故

工作面联巷的封闭方法，采用混凝土及砖墙砌筑，填充鹅卵石与高分子密闭堵水材料。内墙为1000mm混凝土墙，外墙为1000mm砖墙，两墙距离500mm，中间用鹅卵石及高分子材料充填，密闭墙掏槽要求与采区防火密闭一致，根据要求留出观测孔、措施孔、反水管等。

3防灭火安全技术措施

（1）灌浆开通前即实行探放水，待水压力充分释放后再实施灌浆工作。

（2）注氮时对注氮管路进行检查，注氮时必须检查工作面及其回风巷中氧气浓度，氧气浓度不低于20%，否则采取措施进行处理。

（3）注氮时必须对工作面风量进行测定，保证工作面风量1800m3/min，如果发现风量不足，必须采取措施处理，保证工作面风量。

（4）保证工作面监测探头能够持续正常工作，连续监测采空区气体成分的变化情况，发现问题及时报告处理。