寺河煤矿二号井97306工作面采空区防灭火综合治理技术研究与实践

张浩浩

(晋能控股煤业集团 寺河煤矿二号井，山西 晋城 048000)

1 工程概况

晋能控股煤业集团寺河煤矿二号井97306工作面位于矿井九七盘区，东为97305工作面采空区、南为矿界、西为实体煤、北为九七盘区大巷；工作面设计倾向长度180 m，走向长度1 350 m，可采走向长度1 305 m。工作面采用综合机械化采煤方法开采9号煤层，煤层平均厚度1.5 m，平均含2层夹矸，夹矸厚小于0.20 m，结构简单，属稳定大部可采煤层。根据矿井地质资料可知，9号煤层属于Ⅰ级易自燃煤层，现为防止采空区出现遗煤自燃现象，特进行采空区自燃“三带”和防灭火技术的研究。

2 采空区自燃“三带”分布规律

为有效掌握采空区自燃“三带”的分布规律，了解采空区容易自燃的区域位置，在回采工作面进、回风巷方向布置束管监测点，如图1所示。束管沿工作面进风巷和回风巷帮吊挂，共需单路束管8路，其中进风巷吊挂4路，用于工作面进风隅角“采空区三带”检测(埋设间距为50 m)，其余4路沿回风巷布置，分别设置在上隅角处(其中3路用于回风隅角采空区三带检测，埋设间距为50 m)。

97306工作面利用地面束管系统直接进行气样分析，采样周期为每天1次。主要对氧气、一氧化碳、甲烷等指标气体进行监测分析。在进行工作面自燃“三带”分布划分时，采用7%的氧气浓度来界定[1-2]，“散热带” 与“氧化带” 之间依据采空区漏风流场解算结果、结合氧气浓度分布、比对相邻矿井的实际情况，经综合考虑后，得出采空区自燃“三带分布如表1所示。

表1 采空区自燃“三带”分布范围数据

3 防灭火技术与效果

3.1 防灭火方案

基于上述采空区自燃“三带”分布规律的分析结果，结合工作面及煤层的赋存特征，设计工作面采空区防灭火方案采用煤层自然发火光谱束管监测预报技术、采空区汽雾阻化技术和采空区封闭注氮技术等相结合的综合防灭火方案，具体各项防灭火措施如下：

3.1.1 煤层自然发火光谱束管监测预报

针对采空区自燃发火监测系统，根据国内外现有的监测系统可知，常用的监测系统主要有3种：井下激光束管、地面色谱束管、井下光谱束管[3-4]。激光束管、光谱束管均是将真空泵、气体采样分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的联络巷或机电硐室内，电信号通过传输电缆送到地面计算机，并进行数据处理、存贮、火灾系数分析、爆炸危险性判断、报表打印等，具有系统管理和维护简单的优点。气相色谱是将井下采空区或封闭区内的气体通过束管抽到地面，然后通过气相色谱仪分析，具有分析组分多的优点。经综合分析比较，设计选用JSG5型井下光谱束管火灾监测系统进行采空区自燃气体的监测。

3.1.2 采空区汽雾阻化技术

为实现对采空区较好的阻化效果，根据现有的阻化材料种类，确定本次采用 CaCI2作为阻化剂，阻化剂的浓度为20%，阻化材料在该浓度下可实现较好的阻化和防灭火效果。97306工作面采空区的阻化系统设置在进风巷内，阻化系统主要包括储液箱、阻化泵、雾化器和管路等[5-6]，具体工作面阻化系统布置如图2所示。影响雾化泵效果的因素主要包括压力和流量。众多理论研究和工程实践结果表明，当雾化泵的雾化压力可自由控制，流量应达到2.0 m3/h以上时，可达到最佳的雾化效果。

图2 工作面采空区汽雾阻化防灭火系统布置方式示意

采空区汽雾阻化工艺如下：阻化剂水济液的容器置于巷内，用防灭火液压泵沿高压软管将阻化剂溶液输送到雾发生器，泵上安有压力计以便于控制输送压力。装在工作面与运输巷交接处的雾发生器，在高压(2.5 MPa)作用下喷出阻化汽雾，溶液的85%被分散为直径30 μm的雾粒，并由风流带向采空区。

为了防止雾发生器喷嘴堵塞，在供液管路中装有自动过滤器。向采空区喷送雾状阻化剂之前，应进行采区内的阻力测定，确定其漏风量和漏风方向。为了减少喷射阻化剂对采空区空气动力状态的影响，雾发生器引射的风量不应大于自然漏风量。在进行工作面阻化剂喷洒作业时，设置底板浮煤喷洒量为122 kg，工作面上下两端头喷洒量为300 kg。

3.1.3 采空区封闭注氮技术

采空区封闭注氮技术主要是通过向采空区内注入液态氮气，当氮气进入采空区后，可有效降低采空区内氧气含量，使采空区内的遗煤达不到自燃的条件，从而实现采空区防灭火的目的[7]。采空区内氮气的主要防灭火作业主要有3种：抑制采空区瓦斯爆炸、抑制采空区浮煤氧化自燃和扑灭采空区煤层自燃。氮气防灭火原理如图3所示。当采空区内注入大量高浓度氮气后，采空区内的氧气含量大幅下降，遗煤表面氧气浓度会大幅降低，氮气会取代氧气吸附在煤炭裂隙表面，这在很大程度上能够抑制遗煤的自燃氧化。

图3 氮气防灭火原理框

本次采空区注氮采用交替迈步式注氮工艺，即从工作面开切眼的位置处每间隔20 m预埋1趟注氮支管，控制注氮流量的阀门安装在支管上，控制注氮流量为1 000 m3/h，注氮工艺具体施工流程为：注氮支管埋入采空区的深度为20 m时，即可开始注氮作业，当注氮管路埋入采空区40 m后，即可停止注氮作业。采用该种注氮工艺能够确保同时有两趟注氮支管向采空区内注入氮气，在工作面正常回采期间，确保注氮管路正常运行，保障采空区内持续有氮气注入。97306工作面采空区埋管注氮系统布置如图4所示。

图4 工作面埋管注氮工艺示意

3.2 效果分析

97306工作面采空区防灭火方案实施后，工作面回采期间，通过束管监测系统进行采空区内CO和O2浓度数据的监测作业，进风巷60 m和回风巷60 m内束管监测结果如图5所示。

分析图5可知，回采期间，工作面进风巷和回风巷内CO浓度最大值均小于87×10-6，且回风巷中的CO浓度未超过14×10-6，另外通过工作面回采期间的观测分析可知，回采期间采空区无自燃现象，为工作面安全回采提供了保障。

图5 工作面采空区束管监测结果

4 结 语

根据97306工作面的地质条件，通过束管监测的方式进行采空区自燃“三带”规律分析，基于分析结果分别确定出采空区进风侧和回风侧氧化升温带的范围，结合自燃“三带”分布规律，设计采空区采用监测监控+汽雾阻化技术+封闭注氮技术相结合的防灭火方案。根据防灭火方案实施后的效果分析可知，工作面回采期间各项指标均在合理范围内，为工作面的安全回采提供了保障。