张家峁煤矿综采工作面均压通风防灭火技术

高 伟，翟 辉，刘少军，王守印

(1.陕煤集团神木张家峁矿业有限公司，陕西 神木 719316；2.陕西安科安全生产技术研究所有限公司，陕西 西安 710065)

0 引言

煤炭自燃是威胁煤矿安全生产的重大灾害之一，每年发生的矿井火灾中由煤炭自燃引发的火灾占绝大多数。针对神南矿区的浅埋、厚煤层大采高工作面开采过程中产生的裂缝直达地表，造成采空区和地面导通，漏风严重，且采空区遗煤较多，大大增加了煤炭自燃隐患。文中结合张家峁煤矿的实际，系统地对浅埋藏大采高导致的采空区漏风治理、防灭火进行研究，为矿井的煤炭自燃及防灭火提供技术帮助。

1 矿井概况

陕煤集团神木张家峁矿业有限公司井田位于陕西省神木市北部。矿井目前开采4-2和5-2煤层。矿井核定产能为10.0 Mt/a。矿井综采工作面采用单一走向长壁采煤法，综合机械化一次采全高回采工艺，全部垮落法管理顶板，超前支护采用超前液压支架支护。

依据陕煤集团《关于呈送2018—2019年度煤矿瓦斯等级鉴定结果的报告》，可看出绝对瓦斯涌出量4.58 m3/min，相对瓦斯涌出量0.17 m3/t，矿井瓦斯等级为：低瓦斯矿井。井下采煤工作面采用全风压通风。2013年9月，中煤科工集团重庆研究院对矿井的4-2煤层进行了煤的自燃倾向性鉴定，鉴定结果为：4-2煤层为Ⅱ类自燃煤层，发火期为65 d。根据中煤科工集团重庆研究院2013年8月提交的张家峁煤矿《自然发火标志气体指标测定报告》，4-2煤层选择CO和C2H4作为标志性气体，CO临界值为38.19×10-6，C2H4临界值为检测到气体浓度。

2 均压通风技术的应用

均压通风的实质是利用风机、风窗等通风设施，调整漏风区域的压力分布，降低漏风通道的漏风压差，减少漏风，从而达到抑制煤炭自燃、使火区惰化，熄灭火源的目的。开区均压是在回采工作面建立均压系统，在保证工作面所需风量的前提下，调节通风，以减少向采空区漏风，从而抑制煤的自燃，防止CO等有毒有害气体涌入工作面，保证安全生产。

以张家峁煤矿14209工作面为例，14209工作面采用三巷布置，设计两进一回“U”型通风，即胶运顺槽和辅运顺槽进风，回风顺槽回风，如图1所示。

图1 14209工作面通风系统示意

14209工作面煤层平均厚度为3.79 m，设计采高为3.5 m，工作面走向推进长度为1 915.03 m，宽度为296.95 m，工作面埋深18.3～155.4 m。在14209工作面对应的地表无河流、水库等水体，但工作面切眼39～78 m对应上覆有一条小冲沟，该沟斜长335 m，沿工作面走向垂直距离263 m，沟底覆盖层厚度为18.3～48.3 m。

14209工作面于2019年3月开始回采，2019年11月回采结束。当14209工作面在推采至230 m时(2019年5月10日)，工作面采空区的覆岩裂隙与地面导通出现漏风，该工作面风流出现紊乱。其中：工作面胶运顺槽和辅助运输顺槽风流反向，风量为4 500 m3/min；回风顺槽风流方向不变，风量为1 350 m3/min；工作面上隅角CO值为23×10-6。由于14209工作面对应地表为沟壑、裸露岩层，大型机械设备无法进入作业，地面堵漏治理难度大。为确保14209工作面正常通风，实施均压通风技术措施。

在14209辅运顺槽施工1组风门，在14209胶运顺槽施工1道风窗，使用1组2×75 kW局部通风机和1组2×55 kW局部通风机，通过直径1 000 mm风筒经14209胶运顺槽向14209工作面供风。此时，工作面进风量为1 305 m3/min，回风量为1 565 m3/min，采空区漏风量现为260 m3/min，两端压差为65 Pa，通风系统如图2所示。

图2 14209工作面采用均压通风后示意

为了进一步减少漏风，保证工作面安全生产，在现有的基础上补充措施如下：

将2×55 kW局部通风机更换为2×75 kW局部通风机，使用2组2×75 kW局部通风机对工作面同时供风，增加供风量降低两端压差，增强均压效果，减少采空区漏风。同时，14209胶运顺槽再施工1道风窗。此外，组织专门队伍对地面采空区裂缝进行充填治理，最大限度降低采空区漏风；每天测定一次工作面的风量，发现采空区漏风增大，及时报告进行处理。

采取上述治理措施，2019年5月16日4点班测定，14209工作面最小进风量为1 313.6 m3/min，最大回风量为1 365.3 m3/min，采空区最大漏风量为57 m3/min，最大压差为65 Pa，工作面最大漏风率为4.4%，且上隅角CO值为10×10-6。

3 防灭火措施的应用

14209工作面综合防灭火措施主要为：通风管理、黄泥灌浆、采空区注氮、工作面阻化剂喷洒和预测预报(JSG-4束管监测系统、KJ912X安全监测监控系统、光纤测温系统、人工采样分析预报及红外线测温仪)相结合的综合防灭火措施，保证工作面安全生产。

3.1 通风管理

在14209工作面每10架布置一个风向、风量标识点，吊挂红色飘带，工作面作业人员根据飘带状态观察工作面风流变化情况。发现风量变化或出现无风、微风、风流逆转等情况时，应立即组织作业人员撤离。每天测定一次工作面的风量，发现采空区漏风增大，及时报告进行处理。

回采期间，综采队采取措施，提高回采率，减少采空区遗煤，加快回采速度。及时合理的构筑通风设施，保证通风设计和施工的质量符合相关规程要求，消除采空区的供氧条件，保证工作面通风系统稳定可靠。

3.2 黄泥灌浆防灭火

矿井采用地面集中灌浆系统，灌浆站位于二盘区风井场地，采用2套地面固定式黄泥灌浆系统，单套设备制备及灌浆能力为60 m3/h。

灌浆管路路线：地面灌浆站→输浆钻孔→4-2煤回风大巷→14209辅运、回风顺槽→14209综采工作面。在14209工作面辅运顺槽、回风顺槽敷设灌浆管路，分别经辅运顺槽防火墙措施孔和14209回风顺槽机尾分别向采空区注入。

灌浆时间：矿井采用预防性灌浆，检测到采空区CO达到43.19×10-6或检测到C2H4浓度时便可判断自然发火进入了加速氧化阶段，工作面进行预防性灌浆(随采随灌)。经计算，14209工作面日灌浆量均为1 317 m3/d。

3.3 注氮防灭火

注氮设备安设在14209胶辅运顺槽3#联巷内，通过管路(配套软管)与辅运顺槽注氮(灌浆)管路连接，采空区注氮时，在通过管路与防火墙措施孔连接，检查管路设备的完好后，方可向采空区注氮。

预防性注氮和采空区封闭后注氮。当检测到采空区CO达到43.19×10-6或者检测到C2H4浓度时，采取预防性注氮，向采空区氧化带注氮。当检测到采空区内氧气浓度小于7%后，即可停止注氮。

3.4 阻化剂防灭火

工作面切眼长度296.95 m，阻化泵有效距离580 m，在胶运顺槽移变列车第二、三节安设移动式阻化泵，使用DN19高压管经机头敷设至机尾，工作面每隔10个支架安设一个喷洒阀门。

最易发生煤炭自燃部位，如工作面的上下口、巷道煤柱破碎带等处，需要充分喷洒的地方。工作面合理的药液喷洒量取决于采空区的丢煤量和丢煤的吸液量。

经计算，14209工作面正常回采期间，阻化剂喷洒范围：每天工作面机头、机尾各30 m范围内，喷洒阻化剂量不得低于80 kg，喷洒浓度为18%。当检测到采空区CO达到43.19×10-6或者检测到C2H4浓度时，工作面阻化剂喷洒范围：每天工作面机头喷洒至机尾，喷洒阻化剂量不得低于150 kg。喷洒浓度为18%。

3.5 预测预报

14209工作面采用KJ912X安全监测监控系统，在上隅角、工作面回风(回风顺槽超前支架处)及回风顺槽距全风压混合处10～15 m安装CO浓度传感器，实时监测工作面及采空区涌出的CO气体浓度，可实现早期预报。

同时，采用JSG-4束管监测系统，抽气泵及束管监测分站安装在胶运机头，共有4趟束管进行抽气分析。1趟埋入14209切眼抽取气样，1趟经14209胶、辅运顺槽联巷(滞后于采面2个联巷)防火墙埋入采空区抽取气体样；1趟经14209回风顺槽埋入采空区，1趟经14209回风顺槽滞后于14209回风顺槽工作面不大于100 m处抽取气体样。束管监测系统24 h连续循环监测14209采空区气体成分，预测预防煤层自然发火、矿井火灾等事故发生，确保矿井安全生产。

14209工作面采用光纤测温系统，在14209回风顺槽提前敷设好光纤，通风分析采空区温度变化，实现发火预报。每5 d安排监测工，对14209工作面辅运顺槽防火墙内及14209工作面上隅角进行采样，通风地面监测机房色谱分析仪进行分析，实现人工采样分析与监测系统相结合的防灭火措施。明确14209工作面上隅角、相邻采空区防火墙观测孔及末采期间停采线作为自然发火观测点，每天安排瓦检员至少用红外线测温仪对工作面及采空区的温度测定一次，定期分析数据，配合以往的经验，做到预测预报。

4 结论

(1)在浅埋煤层的开采过程中，覆岩裂隙带直达地表，易造成采空区与地表导通漏风。结合张家峁煤矿14209工作面采用均压通风技术后，风向正常，风量在1 300 m3/min左右，进回风最大压差为65 Pa。

(2)基于均压通风技术采取的综合防灭火措施实施，14209工作面上隅角、采空区没有监测到发火迹象，有毒有害气体及CO值始终保持在正常范围内。同时，加快工作面推进速度，使“自燃带”迅速进入“窒息带”，做好安全检测和监控，提高采空区发火预报的准确性，有效地降低资源浪费，保障工作面的安全回采。