浅析综采工作面的防灭火安全措施

王 龙

（山西焦煤集团西山煤电屯兰煤矿，山西 太原 030052）

煤矿井下作业环境复杂多变，生产环节相互交织，且危险源分布较多，因此综采工作面是各种灾害危险程度较高的区域。 其中，火灾是危害较大、影响较广的重点灾害之一，是煤矿安全生产和矿工生命安全的重要影响因素。

工作面回采过程中，受工艺条件限制，采空区等位置存在大量遗煤，而当采空区存在漏风、温升等发火条件时， 在漏入风流中氧气的助燃作用下，遗煤可能发生自燃。 另一方面，采空区瓦斯在漏风作用下向回风上隅角扩散，从而引起回风隅角瓦斯超限，在遇到静电火花或电气明火时，引发瓦斯燃烧或爆炸等事故。 井下火灾后果严重，轻则造成矿井设施和设备损坏，重则造成重大人员伤亡，甚至矿井停产、封闭[1-3]。因此，应通过施行合理的防灭火安全措施，保障井下生产安全。

1 工作面及通风概况

屯兰矿22301 工作面位于北三盘区右翼，主采1#、2#、3#煤层， 巷道主要包括胶带顺槽、 工作面巷道、轨道顺槽和瓦斯治理巷等，工作面走向平均长度2 650 m，倾向宽度205 m。工作面整体呈向斜构造，轴部位于切眼向外1 500 m 处，沿回采方向东翼整体呈下山趋势，倾角2°～8°，西翼沿回采方向整体呈上山趋势，倾角2°。

22301 工作面采用“U”型通风方式，即轨道顺槽进风，胶带顺槽回风。 瓦斯预测分析可知，22301 工作面瓦斯绝对涌出量为37 m3/min， 风排瓦斯量为6 m3/min，属Ⅱ类自燃煤层，瓦斯来源主要为本煤层及上、下邻近层瓦斯。 另外，在向斜轴部附近可能存在瓦斯富集区，回采至该段时需重点加强瓦斯日常管理工作。 工作面顺槽掘进期间共揭露两条正断层，其中F1断层延伸进入工作面，在工作面回采过揭露断层时，可能出现瓦斯涌出量增大。

2 火灾风险评估

表1 22301 工作面的防灭火安全风险评估

对于22301 工作面，分析可知，火灾危险主要包括采空区遗煤自燃（内因火灾）和工作面外因火灾两项。 利用作业条件危险性评价法（LEC 法)可对以上危险因素的风险等级进行评估，从而为安全治理措施的制定提供基础依据[4-6]。 22301 工作面的防灭火风险评估结果见表1， 各项危险源的安全风险值D 均为90，属于一般风险等级。

3 防灭火系统及相关技术措施

3.1 工作面防灭火系统组成

22301 工作面防灭火系统主要由气体监测系统、防灭火胶体系统、注氮系统、阻化剂系统、灭火器和沙箱等组成，见图1。不同系统可对采空区遗煤自燃和工作面外因火灾等进行针对性防治。

图1 22301 工作面防灭火系统组成

3.2 工作面内因火灾防治措施

（1）加强气体监测及预报

由于煤在氧化发热过程中可释放出碳氢、碳氧类气体，且释放量可随温度升高而增加，因此可通过监测气体浓度变化， 对遗煤自燃进行预报和防治。

①井下传感器监测

工作面回采期间，在回风上隅角和回风巷中安装CH4、CO 和温度检测仪， 每班对监测数据进行记录，并分析有无自然发火的征兆；掌握采空区内气体变化情况，对一氧化碳升高的地点（10 ppm），每天观测一次，做好超前防范工作；每周对采空区等发热风险较高区域进行一次全面观测，包括现场气体成分和含量、气温及压差等。

②束管监测系统

22301 工作面使用KSS-200 型束管监测系统，在两侧巷道对应采空区内部150 m 范围内，单侧等间隔布置3 处采样点，束管可将采空区内的气体不间断地输送至地面监测站，然后通过气相色谱仪对标志性气体成分进行分析， 由此预测监测区温度，并对煤的氧化情况进行分析。

（2）喷洒防灭火胶体

以防火阻燃硅胶为原料， 与水按浓度0.5%配制， 然后用井下移动注浆机将其喷洒至采空区内，由此可在采空区遗煤、 矸石表面形成一层含水量高、可隔绝氧气的覆膜，从而阻断遗煤自燃的发生条件。 另一方面，所喷洒液体在形成胶体和水分挥发时，也会产生吸热现象，从而降低易发热区域的温度，形成条带状阻燃区。

随着回采工作面推进， 在采空区内每隔10 m喷洒一次，每次覆盖宽度1 m，胶层厚度0.02 m，则一次喷洒体积V胶计算如下：

式中：L 为工作面倾向长度；B 为喷洒宽度；h 为胶层厚度。

（3）采空区注氮

通过盘区内的注氮泵和注氮管路等设施，间歇性地将高浓度的氮气输入采空区后部， 一方面，可将采空区易氧化区域内的含氧空气替换为惰性氮气，降低遗煤氧化速率；另一方面，注氮过程提高了采空区压力， 从而减少了工作面向采空区的漏风量。

注氮管路采用3 根3 寸管，从回风上隅角伸入采空区内部，伸入长度分别为30 m、60 m、90 m，每日注氮量Qn计算如下：

式中：b 为工作面每日推进深度；H 为采高；K1 为采空区气体置换系数， 取K1=2-3；K2为采空区冒落岩石的松散系数， 取K2=0.75-0.85；K3为工作面推进速度校正系数，取K3=0.6。

（4）喷洒阻化剂

阻化剂由高分子材料组成， 与水配比浓度为15%，可在煤表面形成抗氧化保护膜，从而阻断煤的自燃。

在22301 轨道巷内布置阻化泵和阻化剂管道，每班工作人员向采空区喷洒阻化剂，每次的喷洒量V阻计算如下：

式中：K′为阻化剂富裕系数， 取K′=1.2；γc为采空区遗煤容重；B′为阻化剂喷洒宽度；h′为遗煤厚度；A为遗煤吸收阻化剂量；γ 为阻化剂的容重。

3.3 工作面外因火灾防治措施

除由遗煤自燃产生的内因火灾外，在工作面发生的外因性火灾也将对安全生产造成重大影响，因此必须制定针对性防治措施，具体如下：

（1）加强易燃物品管理

禁止在工作面及周边区域储存油料、棉纱等易燃物品。 另外，在设备维修、擦拭期间产生的废布、棉纱等物，应就近装入回收装置，带回地面。

（2）使用阻燃性材料

首先， 皮带输送机应采用具有阻燃性能的皮带，防止皮带跑偏或异常工况下摩擦起火；其次，对于皮带输送机头部周边及油料库区域，应采用阻燃性支护材料；最后，在两侧顺槽内应施工防火门墙，同时保证有足够数量的封门用防火板。

（3）布置区域灭火设施

在巷道内每隔50 m 设置一个洒水 “三通”，每个支架底座处安设一道喷雾；在油料库、皮带输送机、液压支架旁，合理设置灭火器、沙箱等灭火装置。

（4）电气火灾防治

首先，做好电气故障防护，防止电气火灾发生；其次，在电气火灾发生时，应及时切断电源，并使用不导电材料进行灭火。

3.4 综合防灭火措施

（1）减少采空区漏风

为减小工作面向采空区漏风，在工作面采取以下两方面措施：第一，根据“U”型通风方式流场特点，在回风巷内施工一处永久调节风门，用于调节采空区与工作面的压差，减小漏风量，同时避免回风隅角瓦斯涌出；第二，在进风隅角悬挂帆布风障。

（2）合理安排生产，提高回采率

一方面，应通过合理安排生产计划，加快工作面的回采速度，从而减少采空区瓦斯向工作面的涌出量；另一方面，通过改进生产工艺，尽量一次采全高，避免留煤，同时注意清扫工作面端头的浮煤，提高回采率。

（3）做好灭火预案

首先，当在工作面发生火灾时，现场人员应根据火灾性质、通风和瓦斯状况，立即采取相应措施进行灭火；其次，应迅速向矿调度室汇报火灾情况，调度室组织相关人员按矿区灭火预案进行人员施救和灭火作业；最后，在灭火过程中，必须指定专人对瓦斯、一氧化碳等有害气体进行检测，当甲烷浓度达到0.8%或一氧化碳浓度达到24 ppm 时，所有职工必须立即撤离现场， 由专业灭火人员进行灭火。

4 结语

1）屯兰矿22301 工作面所采煤层属于Ⅱ类自燃煤层，利用作业条件危险性评价法可知，其发生采空区遗煤自燃和工作面外因火灾的危险性等级均为一般风险。

2）工作面内因火灾防治措施包括加强气体监测及预报、喷洒防灭火胶体、采空区注氮和喷洒阻化剂等，可有效抑制采空区遗煤自燃。

3）工作面外因火灾防治措施包括加强易燃物品管理、使用阻燃性材料、布置区域灭火设施、做好电气火灾防治等。

4）工作面综合防灭火措施包括减少采空区漏风、提高回采率、做好灭火预案等。