综采工作面采空区防灭火技术研究

任贵虎

(山西焦煤华晋焦煤吕梁公司，山西 孝义 032300)

煤炭资源回采期间，煤层自燃不仅会严重浪费资源，而且容易引起人员伤亡，给矿井正常生产带来制约[1-2]。综采工作面回采期间，综采设备可明显提升煤炭开采效率、降低工作人员劳动强度，但是由于综采设备体积及重量等较大，若采面回采时出现火灾会给综采设备带来损伤、影响矿井经济效益[3-5]。众多的研究成果及工程实践表明，采用单一的防灭火技术措施防灭火效果较差，难以有效防治煤层自燃[6-9]。因此，对于容易自燃煤层综采工作面，采用综合防灭火技术措施，对预防煤层自燃以及自然发火治理具有重要意义。文中就对山西某矿11506综采工作面回采期间采用的防灭火技术进行分析，以期为其他矿井采面防灭火工作开展提供经验借鉴。

1 工程概况

山西某矿主采5号煤层，煤层自然发火倾向性为II类(自然发火期介于65～106 d)，煤厚4.5～5.3 m，均值4.8 m，顶底板以粉砂岩、炭质泥岩及砂岩为主。11506综采工作面位于11采区中部，采面布置4条回采巷道，通风采用“两进两回”方式，设计走向长度2 105 m、倾向长度200 m.11506综采工作面回采范围内地质构造发育，回采范围内发育有多条落差为0.5～1.2 m的断层同时部分位置煤层有夹矸、顶板破碎，地质构造对采面回采影响有一定影响，在构造发育区内回采时推进速度较慢。11506综采工作面设计采高为4.7 m，采用全部垮落法管理顶板。由于采空区内遗留有部分遗煤，采面回采期间面临的主要安全风险为采空区遗煤自燃。为实现采空区防灭火工作高效开展，矿井综合采用束管监测、采空区注氮、减少采面漏风以及喷洒阻化剂等防灭火措施。

2 综合防灭火技术

2.1 束管监测

采空区三带分布直接影响防灭火工作开展，为掌握采空区三带具体分布范围，矿井在地面建设有防灭火实验室并配备相关分析设备，在11506综采工作面建立束管监测系统，每天均对采面后方采空区、回风流及回风隅角气体成分进行分析，每周对气样温度及成分变化情况进行综合分析。依据11506综采工作面现场情况，在采面布置4个束管监测点，1号点、2号点、3号点及4号点分别位于采空区、回风上隅角、采面回风流以及进风隅角位置。

根据相关研究成果将采空区分为散热带(氧气浓度超过18%)、氧化带(氧气浓度介于5%～18%)以及窒息带(氧气浓度在5%以内)。11506综采工作面束管监测系统获取得到的采空区不同深度时氧气浓度变化曲线如图1所示。根据图1数据确定，11506综采工作面采空区散热带范围内采面后方0～90 m、氧化带范围内采面后方90～200 m、窒息带范围内采面后方200 m以外。

图1 采空区内氧气浓度变化曲线

2.2 采空区注氮

采空区防灭火可选择插管、埋管、施工钻孔注氮方式，依据11506综采工作面现场情况，采用埋管注氮方式进行防灭火。通过向采空区内注入高浓度氮气可减少采空区氧气浓度，缓解甚至抑制遗煤自燃氧化进程；同时氮气在流动时可吸收部分遗煤氧化释放热量，降低遗煤周边温度，通过破坏遗煤氧化条件达到延缓遗煤氧化自燃进程。具体11506综采工作面采用的注氮方法为：

从11506综采工作面胶带顺埋入一趟注氮管路，当注氮管路埋入到采空区50 m时，开始埋深第二趟注氮管路。当第二趟注氮管路出氮口靠近散热带边界时(出氮口埋入采空区约100 m)开始向采空区注氮同时停止第一趟管路注氮。如此循环注氮，直至采面回采完毕，具体采面注氮管路布置情况如图2所示。

图2 采面注氮管路布置示意

依据采空区三带分布情况，将注氮管路出氮口布置采面后方100 m位置处，出氮口压力为0.2 MPa，氮气在走向方向有效释放半径超过25 m，注氮口释放间距50 m可满足注氮需要。具体连续注氮24 h期间注氮影响范围内氧气浓度变化曲线如图3所示。

图3 注氮影响范围内氧气浓度变化曲线

从图3中看出，连续注氮8 h后，注氮影响范围内采空区氧气浓度由17.8%左右降低至12%左右、注氮24 h后氧气浓度降至4%左右。通过采空区注氮可缩小氧化带范围，使得采空区遗煤及时进入到窒息带内，消除遗煤自然发火环境，实现防灭火。

2.3 减少采面漏风

采面漏风会增加采空区遗煤自燃危险性，增大防灭火治理难度。采面供风量过大会增大采空区漏风量，在满足采面供风需要基础上，应适当减少采面配风量，现阶段11506综采工作面将配风量由1 550 m3/min调整至1 300 m3/min.此外，在采面进风及回风隅角位置悬挂风障，增大采空区漏风通道阻力，减少采空区漏风量。

2.4 喷洒阻化剂

阻化剂可吸附到遗煤表面，形成抗氧化保护膜，降低吸氧能力，通过喷洒雾化阻化剂，达到降温、隔热、隔氧、隔气的功能，提高阻燃效果和防灭火效果。当11506综采工作面回采遇地质构造(断层、褶曲或者煤层夹矸等)或者受到其他因素导致采面推进速度缓慢时，采用喷洒阻化剂方式进行防灭火。在11506胶带巷设备列车上布置型号BZ4/15-G型矿用阻化泵，出口压力控制在0～15 MPa，CaCl2溶液(阻化剂)放入到储液筒内进行搅拌，浓度按照15%～20%配置。通过矿用阻化泵将阻化剂泵送至采面，从采面上下隅角位置向采空区内、采面内喷洒，在煤体表面形成保护膜，实现遗煤与氧气隔绝，达到灭火目的。

3 防灭火效果分析

11506综采工作面回采期间，通过束管监测系统以及安全监测系统对采空区内、回风隅角、回风巷等位置CO浓度、O2浓度等进行持续监测。通过监测发现，在采面正常回采期间，采空区内O2浓度不断降低，当进入到采空区内60 m后，O2浓度在4%以内且趋于稳定；采空区CO浓度在采空区内45～75 m位置较高，其中在采空区内50 m位置浓度最大，为35×10-6.采面回风巷以及回风隅角内均未监测到CO.现场应用成果表明，在11506综采工作面采用的综合防灭火技术取得较好成果，可满足采空区遗煤防灭火需要。

4 结 语

1) 通过布置的束管监测系统并以采空区内氧气浓度为判据，确定11506综采工作面采空区内三带范围为：散热带范围内采面后方0～90 m、氧化带范围内采面后方90～200 m、窒息带范围内采面后方200 m以外。

2) 在11506综采工作面回采期间，采用束管监测系统、安全监控系统对自然发火进行监测，并综合采用采空区注氮、减少漏风、喷洒阻化剂等措施进行防灭火。将注氮口释放位置确定在采空区散热带与氧化带边缘位置，即采空区内后方100 m位置，释放压力为0.2 MPa，氮气连续释放24 h后，注氮影响范围内氧气浓度降低至4%以内，通过注氮可明显降低采空区内氧气浓度、增大窒息带范围；通过适当减少采面配风，在进风及回风隅角位置布置风障，达到减少采空区漏风目的，减少采空区内氧气供应量；在采面回采遇地质构造或者推进缓慢位置喷洒阻化剂，隔绝氧气与遗煤，抑制遗煤自然氧化进程。

3) 现场应用后，11506综采工作面在回采期间仅在采空区内监测到CO浓度，最大为35×10-6，采面回风隅角及回风巷监测CO浓度均为0，表明现场采用的防灭火技术措施应用效果显著。