煤矿综采工作面综合防灭火技术的应用研究

＊肖剑 张露

（1.枣庄矿业（集团）有限责任公司滨湖煤矿 山东 277500 2.枣庄矿业（集团）有限责任公司柴里煤矿 山东 277500）

伴随着我国综合实力的持续增强，煤炭开采已经成为了国家进步和发展的主要基石，并且得到了国家和社会各方面的日益重视。然而，根据我国煤炭企业的总体发展状况，由于火灾引发的程度不一的安全事故时有发生，这不但给施工人员的生命财产带来了巨大的威胁，还对煤炭企业的自身发展产生了一定的影响。煤矿的五大灾难中，自燃火灾是其中的一种，如果这种情况出现，将有可能使得矿山的煤炭资源及生产设施受损，进而导致工作区域及整个矿山的停止运营，同时也可能触发如瓦斯和煤尘的爆炸等严重的安全问题，这将对社会的稳定及企业的健康发展带来巨大的威胁。为此，应积极进行综采工作面综合防火技术的应用研究，以降低煤矿安全事故的发生几率。

1.煤自燃的原理及危害

根据有关的调查和研究，煤炭的自燃属性是导致煤矿发生火灾的首要因素。煤的自燃现象是由于其在被粉碎后，由于持续的氧气供应，其产生的热量超过了消耗的热量。这使得粉碎后煤层积累的热量达到了其燃烧的最高点，从而引发了煤的自燃。在图1中给出了煤炭自燃的具体条件。

图1 煤发生自燃现象的条件

2.综采工作面防灭火技术的种类

（1）液态CO2防灭火技术。在综采面上，液态CO2通常不会与煤炭等其他物质发生反应。通过将液体CO2注入到综采工作面，使其吸附于煤层表面，渗透到工作面的裂缝中，大大降低了与煤层表面接触的氧气。液体CO2能将空气中的氧气排出，实现降低氧气浓度的目的。此外，CO2的液态也具备吸取部分热量的功能，这样可以降低煤层的温度和氧化速度，进而有效地管理煤层的氧化自燃，从而降低火灾的风险。

液态CO2防灭火系统分为两大类，一是生产系统，二是附属系统。生产系统由二氧化碳储存槽及防爆橡胶管道组成，附属系统有自动升压装置、自热式气化炉及防爆气凝胶管道组成。在火灾区用液态CO2进行灭火时，需要做如下几个步骤：①首先用液体二氧化碳清洗输送管线，保证管线中没有残留氧气。②断开综采工作面一切电气设备，撤离现场。③采用液体二氧化碳灭火系统时，必须对采掘面上的瓦斯含量及组分进行实时监控，以了解采掘面上的煤层自燃状况。

（2）注液氮防灭火技术。N2属于一种无助燃效果的无毒气体，其有效地分隔了易燃物质和氧，并有效地遏止燃烧现象。因此，使用液态氮进行灭火处理，其依据就是N2在正常环境下，无法与煤炭产生化学反应。通过液态氮在气化阶段吸取周边环境大部分热量，这样就有效地降低了采空区内的氧气浓度，进一步实现了对整个开采过程中煤炭自身燃烧的控制。在真实的操作过程中，首要考虑的是预防性的开放式注氮方法。如果工作区域的CO浓度不断增加并且温度有所提升，这可能是煤炭自燃的迹象，那么就应该采取封闭式注氮的方法来进行灭火。

在初采初放期间、综采期间和收尾期间，要及时地调整注氮的方式和方法，科学地运用注氮技术，注液氮的安全防范措施如下几点：

①利用气体浓度与成本监测系统，对整个采矿过程中的N2、O2、CO等气体的含量进行实时跟踪。如果发现高温或者有毒有害气体的含量超标，应立即增加液态氮的供给。②如果增加了液氮的注入量，但毒气的数量并没有降低，那么就应该立即撤离操作员，并对其进行状况分析，找出潜在的故障隐患。③在第一次注入液氮或在停止注入氮气后，再次进行注入液氮的作业，首先要用液氮来清洗管路，避免被注入的部位存在空气。

（3）均压通风防灭火技术。所谓的均压通风防灭火技术，就是运用如风窗、风机、连接管道、调压空间等各种通风调控工具，来改变泄露空间的压力分布，并且能够有效地抑制泄露空间的压差，从而达到阻止煤炭自燃、消除静态火源、消除火源的效果，确保矿山的顺利运作。此外，这种技术还能被进一步划分为如风窗和风机联合均压法、正压通风法等。

①风窗与风机联合均压法。这种均压式的通风方法有两种：A.当采空区后方有漏风时，在综采工作面的进风巷中，安装与之相匹配的移动风门，并在回风巷中，安装与之相匹配的调整风窗，将工作框架拆下，并在该位置放置木垛。拆除支架时，需加强进风侧的防灭火。B.在进风巷中，局部通风设备设置在离回风巷较近的地方。当回风巷中安装了调风孔后，运输巷必须进行封闭。②边眼畅通均压法。为了便于采煤过程中的煤炭运输，大部分矿井都会在综采工作面上设置边眼。开采结束后，拆除边孔内的控气装置，对采场进行封闭，降低运输巷和运料巷口的压差，防止漏风造成的煤层氧化，降低煤层的自燃能力。③预埋管路导风均压防火法。进风巷、停采线和回风巷的交界点安装一条开放式的消防通道，同时，在通道的连接点建立一堵严密的防火隔离墙。在煤炭的裂缝里，泄露的空气会被引导到消防管道，从而减少了采矿区域周围的大气压。

3.煤矿综采工作面综合防灭火技术的实际应用

(1)工作面概况

矿井南侧的某煤矿综采工作面，其右侧有三个主要的巷道：材料巷、皮带巷及回风巷。寺塔矿位于采场的南部和西部，与同煤集团毗邻；2-104采场位于北部，1采场巷道位于东部。经过区内批准的可开采煤系为山西组2#煤，其存在状况相对稳定，2#煤系的自燃倾向为II级，属于自燃煤层类型。虽然平均倾斜角度为2°，平均厚度可达5.2m，但是某些煤层的厚度并不一致，其中包含0～2层的夹矸，这些夹矸的厚度大约是0.1m。该煤矿是一个高瓦斯的矿井，自2015年5月12日起，它的综合采掘区域已经进行了抽取，据估算，在整个采掘过程中，其绝对的瓦斯排放量大概在5.094m3/t左右。

(2)工作面综合防灭火技术

①埋管注氮技术。针对综采工作面煤层自燃和采矿技术特征，采用了埋管注氮技术。其施工方法是：沿着采空区，在工作面进风侧埋置2条氮气输送管线，分别为1#、2#管线，并与进风巷中的主要氮气输送管线对接；由于采空区的氧化区域为20～60m，所以在管线埋进老塘30m时，就可以进行氮气注入，在氮气注入管口埋进老塘60m时，就可以停止注入，切断氮气注入管，然后从30m处再次打开氮气注入，这样就可以一直进行下去，直到工作面停采。按照矿通风区防火设计，在氮气注入过程中，每小时至少要注入500Nm3。

②阻化剂防灭火系统。设备列车内部安装了这个系统的关键部分，并与工作区域的喷水泵站建立了连接，随后进行了移动。工作面采用“四六”系统，每天进行两次采集，每次进行四个轮次，喷洒任务由固定的检查班次完成。当工作面向前推进50m时，向采空区喷洒一次，然后在300m的间隔内再次喷洒，喷洒量不能少于2t，如此循环。

A.喷洒压注工艺及设备。采用电动喷洒压注系统，每个采矿作业区都需要一套喷洒泵。下面是详细的操作流程：首先，将50mm的输送胶管连接到喷射泵，接着启动电机，利用喷射泵进行压注。然后，将溶液通过75mm的铁管和50mm的输送胶管传送至作业区，并执行喷洒任务。大部分喷洒区域位于采矿作业面的上、下端口及底板（顶）易燃煤的区域。

B.阻化剂材料选择。根据阻化剂的选择标准，选择了具有优秀阻化性能且易于保存和运输的工业氯化钙。阻化剂溶液质量分数为15%～20%。根据2-105工作面煤层的自然发火特点，采用浓度为1.05t/m3的阻化剂溶液进行了试验研究。

③通风防灭火技术。工作面的推进率应保持恒定，每月推进率不得低于90m，并应合理分布，风量应保持在913m3/min。在该综采工作面前后两端设置“L”形风墙，可使采空区气流分布发生变化，降低气体向采空区的渗透率，使采空区的第三阶段着火区域减小，从而减少工作面内的扑救难度。

④气体束管监测。在考虑到矿区通风设施的防火需求后，束管监控系统能够连续24h地进行观察，采用KSS-200型多参数气相色谱监测系统，完整、精确、即时地跟踪和掌握工作场所和采空区的气体浓度的变动。

A.束管监测系统选型及主要指标气体种类。这个系统通过使用束管进行取样，并配备了地面上的抽气泵、各类分析设备和微型计算机等，对矿井巷道、采空区和封闭区域中的CO、O2、C4H10、SF6、H2、N2、CO2、CH4、C2H2等多种气体成分的含量进行了连续的测量。同时，还运用GC技术对煤层自燃上升阶段的各类气体成分进行了分析。本系统以CO、C2H4为主要指示性气体，在这些指示性气体接近临界值时，应立即向采空区或易发生自燃的部位注入浆液或胶凝。

B.束管采样系统的布置。在辅助坑道附近设地表束流监控中心，以回采工作面采空区和封闭式采空区为主要监控点。将30根主要的管线放置于地面的监测系统中，然后穿过副平巷，直达2#煤层201盘区，同时还会在盘区周围布置井底的分流器。

a.工作面封闭前测点布置。在工作场所的入口、出口及排水沟道内，根据特定的距离，各自安装3个束管采集器和4个束管采集器，以便对采空区域进行检查。在150m的范围内，每40m就安排1个检查站，并且要同时监控上下排水沟道。工作面的测点分布见图2。

图2 工作面封闭前测点布置

b.工作面封闭后测点布置。一旦工作区域被完全封锁，需要在入口和出口的密封环境中各设立一个检测点，同时将束管和封闭的观察孔管道连接起来。此外，在与火源区域相连的封闭墙壁上，也需要设立适当的检测点，以便于对其进行监控。工作面的测点分布见图3。

图3 工作面封闭后测点布置

c.人工检测和取样分析。在日常工作中，按现场条件选取测点，特别注意CO、C2H4、O2的温度，每个班次都会进行两次检测。一旦CO的含量或者温度发生变化，就需要立即提高每个班次的监控频率。

4.结语

综上所述，在综合煤炭开采的过程中，由于采空区的间距较大，顶板的滑落高度也相当高，因此容易在这个区域形成大量的松散煤块。本文主要讨论的是2#煤层在某煤矿的综合开采中容易产生的自燃问题，对其实施综合防灭火技术。通过埋管注氮、电动喷洒阻化剂等技术，同时利用气体束管进行持续的观察和控制，使煤层的自燃几率大大降低。在进行工作面的回收过程中，回风流量监测区CO含量始终维持在（0～1.8）×10-6之间，且无C2H4含量，有效降低了煤层自燃风险，保障了煤矿安全生产。