采空区均压防灭火技术在滕东煤矿的应用

李兆生 彭宗芹 许振宏

（1.国家矿山安全监察局山东局，山东 济南 250031；2.枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 277000）

滕东煤矿矿井通风方式为中央并列式，主井兼作回风井，采用抽出式通风，为冲击地压矿井，矿压显现明显。目前采空区有密闭漏风现象，在不采取任何治理手段的条件下，采空区内氧气浓度急速升高，可能产生自燃隐患，迫切需研究有效的采空区遗煤自燃防治技术手段，从根本上改善采空区环境。

采空区遗煤自燃防治措施[1-3]，目前主要有提高放顶煤回收率，增加漏风通道风阻，调节风压；加强采空区顶板垮落管理，注水，注浆，注氮，上下隅角封堵等。采空区漏风[4-5]是引发遗煤自燃的重要原因，是煤矿生产必须解决的一个重要安全问题。采空区漏风是由于采空区内外气压不平衡所导致[6-8]。因此，开展采空区均压防灭火技术研究，充分利用气压调整采空区内外压差[9-11]，可以从根本上减少采空区的漏风量，减缓煤的氧化过程，降低采空区遗煤自燃的可能性。

1 均压通风防灭火机理

根据众多研究，造成采空区漏风的必要条件有2 个[12]：一是存在漏风通道，二是漏风通道两端存在压差。采用砖墙密封的采空区，通常密封效果较差，造成采空区与外部巷道存在漏风通道[13-14]。对于抽出式通风矿井，风机进风侧至地表处于负压区，相对压力为负，即两端存在压差，采空区转变为外部漏风点，外部空气通过采空区漏风通道不受控状态直接进入采空区内部。对于压入式通风矿井，风机出风侧至回风井口风路处于正压区，相对压力为正，同样形成了两端压差，此时具有贯通通道的采空区将产生外部漏风点，风机送入井下的风流可能在未进入作业面前通过采空区直接排出地表[15-17]。正负压漏风示意如图1。

图1 风路漏风示意图（单位：Pa）

2 矿井概况

滕东煤矿位于滕州市鲍沟镇境内，为冲击地压矿井，设主井、副井两个井筒，主井深936.2 m，副井深950 m，井底车场标高-865 m，为鲁南第一深井。矿井通风方式为中央并列式，主井兼作回风井，采用抽出式通风。矿井恒温带深度37.8 m，温度为15.57 ℃，全井田平均地温梯度为2.72 ℃/100 m，地温随深度增加而升高。该矿井设计能力45 万t/a，核定生产能力45 万t/a，服务年限59.5 a。2021年9 月停产重组。

滕东煤矿停产重组时，一采区及三采区开拓巷道已大范围封闭（图2）。

图2 滕东煤矿三采区通风路线图

未采工作面为3下115 面，该工作面2021 年7月31 日停采后于2021 年8 月29 日封闭。与3下115 采空区相邻的有3下113 采空区，以上两处采空区周边密闭有4 处，分别为3下113 运联密闭、3下115 运联密闭、3下117 回风通道密闭及3下113 轨道巷密闭。

3 均压防灭火方案设计

依据均压防灭火原理，根据滕东煤矿的实际情况，从均压气室连接设计、均压气室设计两个方面设计均压防灭火方案。

3.1 气室连接设计

如图3 所示，4 个均压气室建设地点位于3下113 运联密闭、3下115 运联密闭、3下117 回风通道密闭及3下113 轨道巷密闭外侧0.5～1.0 m 处。

图3 气室连接示意图

均压气室施工期间在墙体预留连接管路（管路外径89 mm），管壁四周与墙体间用混凝土填实不得漏风。以上均压气室施工完毕后用外径89 mm 无缝钢管沿北翼轨道大巷、北翼回风大巷经5#通道、6#通道双回路与以上均压气室预留连接管相连，使4 处均压气室内空气通过连接管相互连通达到气压均衡，避免采空区漏风引起自然发火的目的。

3.2 均压气室设计

建设均压气室前必须将原密闭墙体上开裂浆皮、喷涂附着物清理干净，对原密闭墙重新用混凝土喷浆处理，确保密闭墙严密不漏风。

如图4 所示，将原密闭墙“三孔”（即：措施孔、观察孔、反水孔）用无缝钢管连接后引到均压气室墙体外。以上“三孔”孔口分别用封堵盖、“U”型压差计及阀门连接，便于监测密闭内气体、压力情况。孔口连接处密封圈齐全、螺丝紧固，封堵严密不得漏风。

图4 密闭墙处理正视图

如图5 所示，均压气室墙体用红砖砌筑，墙体厚度500 mm，砌筑前将墙体四周破碎的浮煤、矸石清理干净，掏槽至实顶、实帮和坚硬底板。砖缝用混凝土砂浆填满（混凝土水泥、砂比例不低于1:3）。均压气室施工必须保证墙体平整，砌筑完毕后用同比例混凝土对墙体喷浆加固。

图5 密闭墙处理侧视图

4 应用效果分析

在均压防灭火方案应用前后分别对滕东煤矿井下3下113 运联密闭、3下115 运联密闭、3下117 回风通道密闭及3下113 轨道巷密闭内各气体进行取样检测并记录数据，将前后数据进行对比分析，验证方案的有效性。

4.1 现场实测

为对比方案施工前后气体的变化和密闭内外压力的变化，分别在均压防灭火实施前的2023 年3 月16 日和3 月23 日井下作业前，携带便携式气体检测仪以及精密气压计对各测点进行逐点测定，监测对象包括一氧化碳、甲烷、氧气以及测点压力，并计算得到测点间的压差关系。测定数据见表1 和表2。

表1 3 月16 日井下气体分析表

表2 3 月23 日井下气体分析表

在2023 年7 月22 日和7 月31 日井下采空区密闭实施均压调节后，继续利用便携式气体检测仪以及精密气压计对各测点进行逐点测定，测定数据记录见表3 和表4。

表3 7 月22 日井下气体分析表

表4 7 月31 日井下气体分析表

4.2 数据分析

从表3 和表4 可以看出，在均压防灭火技术运用之前3下113 轨道巷闭内和3下117 回风通道闭内的CO 浓度一直维持在1.0×10-5～1.6×10-5，均压防灭火技术运用之后，CO 含量降为0×10-6；均压防灭火技术运用之前3下117 回风通道内的CO2浓度维持在3.23%～3.33%，3下113 轨道巷闭内CO2浓度维持在2.22%～2.50%，均压防灭火技术运用之后，3下117 回风通道内的CO2浓度降到0.99%～1.62%，3下113 轨道巷闭内CO2浓度降到1.58%～1.60%。说明之前采空区内外存在压差，采空区内部CO 和CO2沿着采空区漏风通道运移至回风巷道闭内，而均压防灭火将采空区内外压差基本维持在0 Pa，采空区内部气体没有向巷道内漏出。

7 月22 日的各密闭气体取样分析检测中，氧气的含量分别为3下113 轨道巷闭内18.05%、3下115运联闭内19.53%、3下117 回风通道闭内19.56%、3下113 运联闭内18.74%；在7 月31 日的各密闭体取样分析检测中，氧气的含量分别为3下113 轨道巷闭内18.07%、3下115 运联闭内18.77%、3下117 回风通道闭内18.67%、3下113 运联闭内18.70%。通过上述数据可以看出，实施均压防灭火技术之后氧气浓度均有所下降。分析原因主要是采空区均压防灭火技术之后，巷道气体不再沿漏风通道向采空区内部泄漏。

根据上述数据分析结果可以看出均压防灭火技术在滕东煤矿的使用效果较好，有效解决了采空区漏风供氧、遗煤自燃问题。该技术具有较好的社会效益、经济效益和推广应用价值。

5 结论

该文主要针对滕东煤矿进行了均压防灭火技术的应用，在对滕东煤矿通风系统充分分析后，基于均压通风原理，合理设计均压防灭火施工方案，最后对应用结果进行对比分析，主要得出以下结论：

1）均压防灭火技术的应用能够将密闭内外压差控制在0～20 Pa，使采空区密闭内外压力达到均衡，阻止气体的外逸。

2）均压防灭火技术的应用，有效防止向采空区漏风供氧，从而防止采空区遗煤发生自燃。

3）推广应用后，经测算每年产生直接经济效益100 万元，具有较好的社会效益和经济效益。