韩家洼煤矿22402 工作面综合防灭火技术研究与应用

柴卫军

（山西煤炭进出口集团 左云韩家洼煤业有限公司，山西 大同 037000）

1 概 况

韩家洼煤矿井田位于大同市左云县，井田面积约为4.5 km2，设计资源储量77.2 Mt，设计服务年限35.5 a，矿井主采16-2 号、19 号、22 号和25号煤层，22402 工作面位于22 号煤层采区，地表为黄土台地冲沟和农田，工作面煤层深216 m，煤层厚度2.16～5.43 m，平均厚度4.05 m，工作面长度249 m，煤层倾角为3°～11°，采区内揭露3条落差10 m 以上断层。22402 工作面采空区遗煤多、漏风严重[1]，采空区瓦斯量较大，矿井危险性增高[2]，基于此进行井下防灭火技术研究，实时监测井下自然气体指标，对出现自然的区域采用多系统协同灭火作业，杜绝井下火灾事故的发生。

2 22402 工作面煤自燃因素分析

2.1 煤自燃倾向

2022 年5 月山西省煤炭工业局测试中心对煤矿各煤层进行了自然倾向分析，煤层吸氧量数据见表1，吸氧量均大于0.4 cm3/g[3]，表明韩家洼煤矿煤层具有自然倾向，其中22402 所属的22 号煤层吸氧量为0.59 cm3/g，自燃等级为Ⅱ级[4]。

表1 煤的自燃倾向性分析结果汇总表Table 1 Coal spontaneous combustion tendency analysis results summary table

2.2 瓦斯抽采

矿井在工作面和风巷均配置有瓦斯抽采管路。工作面风量设计为1 380 m3/min，根据工作平均断面计算风速约为1.62 m/s，达到规定要求；22402回风巷道实际风量约为863 m3/min，，回风流平均风排瓦斯量为2.11 m3/min，则回风流中瓦斯浓度为0.24%，满足规定要求，因此22402 工作面当前设置的瓦斯抽采系统达标，可以有效降低瓦斯爆炸风险。

2.3 采空区漏风

22402 工作面采用综采放顶煤工艺开采，且采区内揭露了3 条大落差断裂带，加之工作面开切横截面面积大，受到地层运动影响，煤层裂隙增多[5]，在井下通风系统作用下，裂隙、断裂带与采空区内漏风量增加，进一步加剧煤层自燃风险。

3 综合防灭火技术

基于22402 工作面煤层的自燃特性以及风险因素分析，韩家洼煤矿利用多种防灭火技术进行综合防灭火系统搭建，旨在实现火灾预警与多系统配合灭火功能。矿井于2018 年设置JSG8 型束管采样系统，该系统能够对区域内火灾危险气体浓度进行实时监测[6]，并在气体浓度超出设定阈值情况下自动报警；2019 年建立以采空区灌浆防灭火为主，注氮防灭火为辅的综合防灭火系统。

3.1 JSG8 型束管采样系统

（1）系统结构。

JSG8 矿井火灾束管监测系统由井下样气采集与分析模块、地面色谱分析工作站以及数据传输与共享模块构成[7]，如图1 所示，实现井下气体火灾危险组分浓度实时监测、火灾预警与报警以及数据共享与联动控制等功能[8]。①样气采集与分析模块主要包括JSG8-CB8 束管样气采样泵、监测分站等核心硬件，其中监测分站配置N2、CO、CH4、O2、CO2、C2H2、C2H4、C2H6浓度分析仪以及氧气检测器、控制组件、自动校准和显示组件、数据接口组件等，完成组分气体浓度测算原始信号收集；②地面色谱分析工作站包括色谱分析仪、监控主机、地面光端机和工控机等，将组分气体采集系统的样气进行色谱分析，确定组分浓度；③数据传输与共享模块包括隔爆型矿用数据交换机、工业环网、系统软件以及上位机等，负责系统原始信号与工程数据的存储、分析、共享，并利用系统软件将组分气体浓度数据应用到联锁控制系统，最为预警、报警等系统动作的触发信号，控制室上位机通过组态软件将系统设置状态、监测区域组分气体浓度、联锁控制系统状态等集中显示。

图1 JSG8 型束管采样系统结构示意Fig.1 Structure of JSG8 beam tube sampling system

（2）井下监测方案。

22402 工作面在综采阶段和工作面封闭后采用不同的组分气体测点布置方案，综采阶段JSG8 矿井火灾束管监测系统束管采样器设置在进回风顺槽巷道，上下顺槽同时监测，采样点间隔50 m，进回风巷道各设置3 个监测点，布置方案如图2 所示，距离工作面最远处的采样点距离超过180 m后，即可结束监测，即组分气体浓度监测区域为距离工作面180 m 内的采空区。

图2 综采阶段22402 工作面进回风顺槽测点布置方案Fig.2 Layout scheme of measuring points in intake and return air crossheading of No.22402 Face in fully mechanized mining stage

22402 工作面正常封闭后将测点设置在密闭区域的进回风侧，在进、回风侧密闭分别设观测孔，并在密闭内各布置1 个测点，测点布置如图3 所示。

图3 工作面封闭后测点布置方案Fig.3 Layout scheme of measuring points after working face closure

3.2 黄泥灌浆灭火系统

韩家洼煤矿黄泥灌浆灭火系统由智能灌浆、机械搅拌灌浆组成，智能灌浆能力为80 m3/h，2 组机械搅拌灌浆池互为备用，每组搅拌能力为100 m3/h。

根据《煤矿注浆防灭火技术规范，MT/T 702-1997》 规定，采用粉煤灰浆防火时，灌浆系数为5%～15%。韩家洼煤矿灌浆系数为8%，泥浆土水比为1∶3，注浆压力为0.35 MPa，注浆量按照煤矿注浆防灭火技术规范（MT/T 702—1997）第7.3 条灌浆量计算公式确定，矿井灌浆量为59.2 m3/h。

式中：QW为矿井灌浆量，m3/h；k 为灌浆系数，取8%；G 为日产煤量，取3 100 t；δ 为泥浆水土比，取3；M 为浆液制成率，取0.9；rc为煤层密度，22402 综采工作面煤层容重为1.40 t/m3；t 为日灌浆时间，三班倒，每班4 h，取12 h。

22402 工作面黄泥灌浆灭火工艺流程如图4 所示，将联合制浆机将土与水按照设定比例制成浆液，通过添加悬浮剂，利用浆液自身重力与渣浆泵形成压差，通过注浆管路将浆液输送到注浆区域，灌浆站采用φ219 mm 无缝钢管进行浆液运输，注浆区域采用φ133 mm 无缝钢管注浆，注浆孔φ113 mm。

图4 黄泥灌浆防灭火系统流程示意Fig.4 Flow diagram of yellow mud grouting fire prevention and extinguishing system

3.3 注氮灭火

22402 工作面配置了1 套井下移动式JDY1200/97 氮气发生装置，作为黄泥灌浆系统的辅助防火手段。装置通过空气压缩机将井下通风系统空气压缩后，通过碳分子筛进行氮氧分离，装置出口产出浓度为97%以上氮气，通过工作面注氮管路将氮气输送到采空区，降低采空区氧含量，防止煤层自燃。制氮装置通过井下工业环网与井上控制室上位机进行通讯，可以实现装置运行状态数据远程查询、装置远程集控等，图5 为控制室上位机制氮装置监控界面。22402 综采工作面进风顺槽沿采空区埋设DN250 注氮管路，注氮管道埋深达到25 m 后开始注氮，注氮压力为0.4 MPa，采空区达到压力后停止注氮，氮气发生器随工作面推进移动，继续在采空区铺设注氮管道，如此循环直至工作面开采完成。

图5 上位机制氮装置监控界面Fig.5 Monitoring interface of upper mechanism nitrogen device

4 防灭火效果分析

2022 年4 月韩家洼煤矿JSG8 型束管采样系统监测到22402 综采工作面采空区瓦斯气体浓度升高，煤层自然风险急剧增大，煤矿及时启动黄泥灌浆系统和注氮灭火系统后，瓦斯气体浓度恢复到安全数值，各类危险气体浓度变化见表2，表明韩家洼煤矿综合防灭火系统能够达到设计目的，防灭火效果明显。

表2 综合防灭火系统启动前后组分气体浓度监测值汇总表Table 2 Summary of monitoring values of component gas concentration before and after the start-up of the comprehensive fire prevention and extinguishing system

5 结论

针对韩家洼煤矿22402 工作面采空区遗煤多、漏风严重，采空区瓦斯含量高，矿井危险性较大的问题，进行综合防灭火技术研究，形成以下结论。

（1）设计单巷和工作面封闭后2 种监测方案，采用JSG8 矿井火灾束管监测系统实时监测分析22402 工作面矿井气体，分析结果通过工业环网显示在集中控制室上位机。

（2）搭建了采空区灌浆防灭火为主，注氮防灭火为辅的综合灭火防治系统，通过工程验证了综合防灭火系统的有效性。