慈林山煤矿15102沿空留巷工作面综合防灭火技术研究

杜艳奎

（潞安化工集团慈林山煤业公司慈林山煤矿，山西 长治046600）

1 工程概况

潞安化工集团慈林山煤业公司慈林山煤矿15102工作面走向长度1120m，倾斜长度230m，工作面开采15#煤层，平均厚度3.6m，煤层顶板岩层为K2灰岩，底板岩层为泥岩。15#煤层自燃倾向性等级Ⅱ，属自燃煤层，最短发火期天数89d。15102工作面采用切顶卸压自动成巷无煤柱开采技术，工作面采用该技术后，因切顶卸压成巷时墙体接顶不实、墙体局部压裂等问题造成采空区及停采线等地段遗煤自燃发火，现为保障需针对'110工法'的漏风大的特征，进行采空区防灭火方案的设计与研究。

2 “110”工法防灭火问题及对策

2.1 防灭火问题

根据15102工作面的地质条件，工作面采用无煤柱自成巷技术时，采空区除和工作面连通外，还和切顶卸压新形成的墙体及地表裂隙相联通，新形成的墙体由于接顶不实，会造成采空区大量漏风。当漏风量及风速达到一定条件是会造成采空区内遗煤自燃现象出现。由于采空区漏风通道多、漏风来源复杂，造成采空区漏风不稳定，从而给防灭火工作带来了极大的困难[1-3]。

2.2 防灭火对策

15102工作面采用无煤柱自成巷“110工法”工作面回采过程中，针对回采工作面采空区遗煤自燃，除针对采空区采区正常的防灭火措施外，还需重点针对工作面留巷内靠工作面碎石帮漏风问题，采用了综合预防采空区遗煤自燃方案，结合无煤柱自成巷通风特征，确定采取以下措施：

1）对工作面留巷区域成巷段墙体及接顶处进风喷浆封闭，加大地表裂隙的充填力度。

2）完善回采工作面煤层自燃监测监控系统，利用人工监测手段，强化管理人员现场检查的闭合管理，最终确保切顶卸压成巷期间工作面的安全回采[4]。

3）回采工作面采空区预埋注氮管路，当监测到工作面留巷段采空区出现煤层自然发火征兆时，对发现的自燃隐患区域实施封闭注氮灭火，确保矿井的安全生产。

3 综合防灭火方案

3.1 防灭火方案

根据15102工作面采用无煤柱自成巷技术时，采空区遗煤易自燃的原因分析，基于防灭火控制对策，确定工作面防灭火方案为：束管监测+喷洒阻化剂+喷浆封堵+采空区注氮的综合防灭火方案，具体各项防灭火措施如下：

3.1.1 束管监测系统

工作面回风巷采空区布置3个测点，测点间距50 m，1个束管采样器连接1个束管，随着工作面的推进，1、2、3号束管采样器依次进入采空区，在推至过3号点约50 m时，把1号点截开，重新布点，依次循环，直至整个工作面采煤过程结束[5-6]，测点布置如图2所示。

图2 15102工作面束管监测测点布置图

3.1.2 喷洒阻化剂

阻化剂喷洒系统由阻化液储液箱、阻化剂输送管路、加压泵、喷头组成。在工作面进风顺槽泵站硐室处，硐室内置平板车、阻化泵、液箱和阻化剂，按所需浓度（15%）将工业CaCl2倒入储液箱，供水管路严格按比例加足清水配成溶液搅拌均匀后，矿用阻化泵通过φ19 mm胶管吸液和φ19 mm的高压胶管连通至工作面（工作面管路从机头到机尾沿支架后立柱布置），具体工作面移动式喷洒系统工艺见图3。每10个架接1个三通带截止阀，用1根10 m长φ19 mm的高压胶管喷枪相连，工作面正常回采期间采空区每天喷洒1次，喷洒宽度为4 m，从刮板输送机机头向机尾沿支架间隙向采空区喷洒。

图3 阻化剂移动式喷洒系统工艺图

3.1.3 喷浆封堵

工作面留巷内靠工作面碎石帮侧安装的档矸网由钢筋网和菱形铁丝网组成，为了防止采空区漏风现象发生，采取在工作面留巷内架后支护的钢筋网靠工作面碎石帮侧铺设风筒布，高度取3 000 mm上下各超出150 mm，风筒布搭缝处宽度300 mm，待顶板垮落并稳定后，对巷道上部切缝处和垮落不充分的区域进行喷浆填充，喷浆厚度不小于100 mm，喷浆范围为整个墙体表面及墙体与顶板接茬处。

3.1.4 采空区注氮

1）注氮工艺。工作面顺槽巷采用切顶卸压自动成巷技术，待留巷50 m后，在切顶成巷的墙体上向采空区埋设第一根注氮管，然后沿走向每50 m埋1根长度1 500 mm、φ159 mm×4.5 mm带堵头无缝钢管，安装高度距底板300 mm左右，以便每成巷100 m就在后方50 m注氮惰化采空区，防止采空区内残煤自燃以及瓦斯、C O等有害气体超限，注氮管路释放口位置见图4。

图4 采空区注氮管路布置方式示意图

2）注氮流量。为保障注氮效果，保障注入的氮气能够有效扑灭采空区火灾，灭火所需的注氮量的计算公式如下：

式中：QN为注氮量，m3；W0为火区体积m3；C1为火区原始氧浓度，20.5%；C2为注氮区欲达到的氧浓度，取3%。根据众多理论研究和工程实践可知，一般按灭火时间5～10 d确定灭火注氮流量，井下留巷的最大宽度按50 m计算，工作面采高2.62 m，长度200 m，按扑灭火10 d确定注氮流量为746 m3/h。

本次注氮作业采用井下移动式制氮设备，通过上述计算，需要注氮流量746 m3/h，结合煤矿具体情况考虑1.3的富余系数，需要注氮流量969.8 m3/h，确定注氮灭火流量1 000 m3/h。

3）注氮条件及时机：本次采空区采取间歇式注氮措施，根据工作面自然发火预测预报分析结果，当自然发火指标气体出现异常时，采取相应的注氮方法，具体如下：①当工作面回风隅角C O浓度大于70×10-6或回风流中C0浓度大于24×10-6且有持续升高的迹象时，对采空区进行封闭注氮。只有工作面上隅角及回风流中C O浓度小于24×10-6时，方可停止注氮；②当工作面温度达到26℃并持续升高时，对采空区进行封闭注氮。温度恢复到之前正常数据时，方可停止注氮；③当束管监测或人工监测采空区局部区域出现自然发火标志性气体，且出现持续稳定上升趋势，有发火迹象，需对局部区域封闭注氮；只有局部区域标志性气体消失且工作面上隅角、回风流中C O浓度小于24×10-6时，方可停止注氮。

3.2 效果分析

为有效验证15102工作面采用防灭火方案的应用效果，在工作面留巷时，采空区采用防灭火措施后，通过束管监测系统进行采空区进风侧和回风侧50 m处的C O浓度和O2的监测分析，根据监测结果得出如图5所示的曲线图

图5 采空区内C O和O2浓度曲线图

分析图5可知，15102工作面采用无煤柱自成巷期间采用上述防灭火方案后，采空区内C O浓度最大为87×10-6，工作面回风流中的C O浓度始终小于14×10-6，工作面回采留巷期间，采空区内无严重的遗煤自燃现象出现，为安全高效回采提供了保障。

4 结论

根据15102工作面地质条件及煤层自燃条件，通过具体分析“110”工法下防灭火问题及对策，提出针对工作面留巷内靠工作面碎石帮漏风问题重点采区防灭火措施，确定工作面采空区采用束管监测+喷洒阻化剂+喷浆封堵+采空区注氮的综合防灭火方案，根据防灭火方案实施后的效果分析可知，防灭火措施有效解决了无煤柱自成巷下采空区遗煤易自燃的问题。