均压防灭火技术在黄白茨煤矿的实践与应用

徐中瑶

（国家能源集团乌海能源有限责任公司黄白茨煤矿，内蒙古乌海016000）

煤矿火灾事故是制约煤矿安全生产的主要矿井灾害之一，例如2013 年2 月28 日19 时43 分，河北省冀中能源张矿集团怀来艾家沟矿业有限公司井下发生一起重大火灾事故，造成13 人死亡，直接经济损失1425.08万元[1]。在所有煤矿火灾事故中内因火灾高达90%左右，外因火灾占10%左右[2]。因此我们必须加大煤矿火灾事故的防控力度，力争做到防患于未然。采空区自燃发火是煤矿内因火灾的主要表现形式，造成采空区自燃发火主要原因是采空区内遗留的大量的煤炭，这些遗留的煤炭有自燃发火倾向时在进入采空区的氧气与之发生氧化反应产生大量的热量，当这些热量有散不出去时就会使得遗留的煤炭升温，当温度达到其燃点的时候就会发生自燃[3]。通常防治采空区自燃的方法有均压防灭火法、采空区注浆法、采空区注氮法、采空区注液态CO2法等方法，其中均压防灭火技术是一种比较常用的防灭火方法，该方法作为一种比较成熟的防灭火技术在国内外得到了广泛地应用。使用局部通风机、风窗和调压气室等调压设备来改变漏风区域的压力分布，减小漏风的压差，并减少空气泄漏，从而抑制了煤的自燃并惰化了火区和熄灭火源是均压通风防灭火技术的实质[4]。波兰学者Han Bestron 于20 世纪1950年代提出了均压防灭火的概念。在1960年代，一些煤炭开采技术发达的国家争相采用了该技术进行了现场的防灭火工作，并成功地应用了很多次[5]。早在20 世纪80 年代，波兰和我国合作，对大同矿区煤峪口矿大面积火区实施均压通风，取得成功，均压通风便在我国得到全面推广应用[6]。煤科院重庆分院对新疆六道湾煤矿浅埋藏放顶煤工作面实施均压通风防火，也取得了成功，并经专家鉴定，成了煤科院的科研成果[7]。近几年我国开采浅埋藏煤层的同煤集团四台矿、大斗沟矿、同忻煤矿，新疆的韦湖梁矿、宁煤集团白芨沟矿和羊场湾矿、阜新孙家湾矿、汾西煤业的新阳矿、内蒙的东辰矿[8]。该技术仅用于加速封闭火区火源的熄灭，后来用于抑制非封闭区域内煤炭的自燃发火，且为工作面的安全高效地回采提供了重要的技术保障[9]。

1 矿井及工作面概况

1.1 矿井概况

黄白茨煤矿隶属于国家能源集团乌海能源有限公司管辖，位于乌海市乌达区南部，南面与五虎山煤矿相邻，西面和北面与苏海图煤矿以矿界保安煤柱接壤，东以乌达逆断层为界。黄白茨煤矿的井田面积6.33km2，其中东西宽1.606km，南北长3.94km。黄白茨煤矿通风方式为中央分列式，矿井进风井由主井、行人斜井、副井、10#风井四个井筒组成，总回风井为11#回风井，机械抽出式是主要通风机的工作方式。矿井核定生产能力为200×104t/a。该矿煤层均属自燃煤层，自燃发火等级均为Ⅱ类，煤尘均有爆炸危险性。目前矿井10#煤层布置1 个综采工作面、2 个掘进工作面；12#煤层布置1个综采工作面、1 个掘进工作面。矿井采掘工作100%的实现了机械化。

1.2 工作面概况

021005 工作面位于922 采区南翼区域内，距地表垂深约195～206m，西部为已回采完毕的021003 工作面，东部为021007 回风巷，南部为五虎山井田边界，北部为922 轨道下山等巷道。021005 工作面煤层厚度2.3m，煤层倾角3°～13°，平均倾角为7°，工作面切眼长度为216m，工作面走向长度为1150m。021005工作面采用走向长壁式采煤法，全部垮落法控制顶板，综放采煤工艺。

2 问题的提出

2.1 问题的提出

2019 年10 月份以来黄白茨煤矿021005 工作面回采过程中出现了CO气体，该工作面上隅角CO气体浓度为16ppm 左右。经过对工作面和地表的调查，对矿井的自然发火状况分析如下：工作面采空区浮煤已经开始低温氧化。

2.2 原因分析

造成021005工作面采空区浮煤低温氧化的原因如下：

（1）黄白茨煤矿所采的长焰煤为易自然发火煤层，其最短发火期为40～50d，当采空区浮煤长期氧化时，易产生CO气体。

（2）工作面的采空区内留有一定数量的遗煤，而且遗煤呈立体分布，位置较高，不管是洒阻化剂，还是黄泥灌浆，均顺底板流走，不易包裹这些遗煤，这些遗煤长期氧化，易自然发火。

（3）矿井为近距离特厚煤层开采，采空区的上部有9#煤层采空区，两层采空区层间距仅3.5m左右，在开采10#煤层的021005 工作面时，形成了地表→9#煤层90201 采空区→10#煤层021005 采空区→021005 工作面回风流的漏风。这个漏风通道在021005工作面的强大负压作用下长期漏风，使采空区浮煤易自然发火。

3 均压防灭火技术的实践与应用

3.1 均压防灭火技术的工作原理

使用风窗、风机和调压气室等调压设备和装置来改变漏风区域的压力分布来达到防灭火的目的是均压防灭火的工作原理，这样可以抑制遗留在采空区的煤炭的自燃，其目的是扑灭火源[4]。

特点：进风顺槽一侧的风流压力增加，回风顺槽一侧通风阻力增加和风量减小；本质是：减少风量，增加阻力，改变调压风路上的压力分布，达到调压的目的[10]。

3.2 均压防灭火技术的应用

021005 工作面采用“U”形通风方式，均压通风设计采用调压局部通风机和调节风窗的组合均压方式。即将风门安装在021005 工作面的胶运顺槽中，并将调压局部通风机的风筒放置在风门的外部。调压局部通风机产生的增压效果改变了采空区中的压力分布，减少了漏气，并与注氮技术配合使用，达到了抑制遗留在采空区的煤炭自燃的目的。

3.2.1 风门位置

在021005 工作面的进风顺槽进口处设置2 道风门，用1 台2×45kW 局扇和1 台2×30kW 局扇通风，Ø800mm 两趟风筒穿过均压风门接到离工作面约200m 处，在回顺出口处设置2 道调节风门，风门上设置调节风窗。在进风顺槽均压风门和回风顺槽均压风门上分别设置水柱计和传感器。

将工作面压力增加约25mm 水柱，工作面回风顺槽的风流量约为1000m3/min。必须减少从地面到工作面采空区的空气泄漏，并减少均压局部通风机向采空区的气流。在进行均压通风防灭火的过程中，必须保持工作面均压通风系统的稳定性。均压通风各风门、风机设置位置如图1所示。

图1 021005工作面均压通风防灭火布置图

3.2.2 工作面风量计算

（1）按瓦斯涌出量计算（根据《煤矿安全规程》采煤工作面回风流中瓦斯或二氧化碳浓度不超过1.0%的要求计算）：

式中：Q采——回采工作面实际配要的风量，m3/min；

100——按采煤工作面回风流中瓦斯的浓度不应超过1%的换算系数，黄白茨煤矿瓦斯浓度按0.8%进行管理，换算系数为125；

q瓦采——回采工作面回风巷风流中平均绝对CH4涌出量，根据瓦斯涌出量鉴定报告9#煤层综采工作面绝对CH4涌出量为0.56m3/min，则q瓦采=0.56m3/min；

K采通——回采工作面瓦斯涌出不均匀的备用风量系数，取1.4。

（2）按二氧化碳涌出量计算：

式中：Q采——回采工作面实际配要的风量，m3/min；

67——按采煤工作面回风流中CO2的浓度不应超过1.5%的换算系数；

q二氧——回采工作面回风巷风流中平均绝对CO2涌出量，根据瓦斯涌出量鉴定报告9#煤层综采工作面绝对CO2涌出量为2.57m3/min，则q二氧=2.57m3/min；

K采通——回采工作面CO2涌出不均匀的备用风量系数，取1.2。

（3）按工作面人员数量计算：

式中：N——回采工作面交接班的最多人数，50人；

4——每人需风量，4m3/min。

（4）按气象条件计算：

式中：Qcf——回采工作面实际配要风量，m3/min；

Vcf——回采工作面的风速，取1.0m/s；

Scf——回采工作面平均有效断面积，18.14m2；

Kch——回采工作面采高调整系数，1.2；

Kcl——回采工作面长度调整系数，1.2；

70%——有效通风断面系数；

60——单位换算产生的系数。

则：Qcf=60×70%×1.0×18.14×1.2×1.2=1047（m3/min）

（5）风速验算：依照《煤矿安全规程》第136 条规定，90204 综采工作面在采取采煤机喷雾降尘等综合防尘措施后的最低风速为0.25m/s，最高风速不得高于5m/s，通过上面三种方法计算后，取最大值进行验算。

验算最小风量：

验算最大风量：

式中：Scb——采煤工作面最大控顶有效断面积，m2；

lcb——采煤工作面最大控顶距，5.76m；

hcf——采煤工作面实际采高，3.2m;

Scs——采煤工作面最小控顶有效断面积，m2；

lcs——采煤工作面最小控顶距，5.06m；

0.25 ——采煤工作面允许的最小风速，0.25m/s;

5.0 ——采煤工作面允许最大风速，5.0m/s;

70%——有效通风断面系数。

通过验算，90204 采煤工作面实际需风量1047m3/min，满足工作面风速要求。

（6）配风量的确定：经以上计算，90204综采工作面配风量取1047m3/min。

3.3.2 调节风窗的阻力计算

当S窗/S≤0.5时，调节风窗面积的计算公式为：

式中：S窗——调节风窗的面积，m2；

S——巷道的净断面积，m2，15m2；

Q——通过风窗的风量，m3/s，8.33 m3/s；

H——调节风窗阻力，Pa。

当调节风窗的面积为1.2m2时，调节风窗的阻力为60Pa，因此调节风窗阻力最小值为60Pa。

3.2.4 局部通风机

当前矿井通风的负压为1860Pa，工作面入口侧的负压约为620Pa。当工作面的风量为约1000m3/min时，工作面区域的通风阻力为约70Pa。确定局部通风机的性能参数如下：风量为850～1750m3/min，两台局部通风机其中一台为2×45kW 另一台为2×30kW 的风机一备一用。根据风量要求，选择风机型号为FBD系列局部通风机，风量为810～1740m3/min，风筒直径为Φ800mm的阻燃风筒。

3.2.5 均压时应注意事项

（1）必须保证两个均压风门之间能够自动联锁。

（2）加强堵漏巷道排水沟和风道孔的工作。

（3）在进入井之前，下放物料车时工作人员必须及时与矿调度室和运输主管部门沟通，严格按章作业。

（4）均压风门前后5m 内的巷道得到良好支撑，没有碎屑、淤泥和水。

（5）均压风门的建造完成后，监控中心负责安装风门打开和停止传感器。

（6）在井下运输笨重的物料时，运输物料的工作人员必须互相照顾，并且靠巷道两侧堆放的物料必须整齐，且不影响运输、行人和通风。

（7）当采用均压通风方式时，必须在运输和回风通道的均压通风风门上增加一个“U”型差压计，并由专人负责调节风门并注意观测“U”型差压计数据，随时测量工作面的风量，将风量控制在约1000m3/min，并进行记录。

（8）在工作面回风顺槽设置CO 气体传感器，通过矿井监测系统监测工作面CO气体浓度。

（9）瓦斯检查员常规检查，每班均检查工作面上隅角、回风流和支架上部CO气体浓度和温度。

4 均压防灭火效果分析

黄白茨煤矿021005 综采工作面的上隅角出现CO气体后，该矿的领导们高度重视，并成立了以矿长为组长，总工程师为副组长的防灭火领导小组，并开始尝试运用均压通风防灭火技术来进行防灭火治理工作，收到了良好的治理效果。2019 年11 月2 日运用均压通风防灭火后工作面进风顺槽的风量为1035～1079m3/min，回风顺槽风量为1062～1084m3/min，有效地抑制了采空区CO 向上隅角和回风顺槽涌出，工作面上隅角CO 气体浓度从22ppm 左右降到0ppm，确保了021005综采工作面安全、高效地生产。