大倾角易燃特厚煤层倾斜分层开采矿井综合防灭火技术

［摘要］东峡煤矿煤层属大倾角特厚煤层，矿井火灾防治是东峡煤矿“一通三防”管理的重点和难点，本文着重从化学物理方法防治矿井内因火灾方面，介绍了东峡煤矿特定自然生产条件下综合防灭火技术的应用情况。

［关键词］大倾角；易燃煤层；综合防灭火

1 概述

东峡煤矿开拓方式为片盘斜井，煤层属大倾角特厚煤层，煤层厚度主采煤层煤6—1m，煤6—2，煤层倾角28～42°。目前矿井采用走向长壁倾斜分层全部跨落法采煤，炮采工作面使用荆芭假项，留设0.5～0.8m厚的煤皮回采，无黄泥再生项板。

矿井为低沼气矿井，沼气绝对涌出量1.64m3／min，相对涌出量为1.93m3/t。煤质属于低灰、低硫、高挥发份长焰煤，挥发份高达43.5％，煤尘具有强爆炸性，煤层易自燃发火，自燃发火期3～6个月，最短为37d，采用综合防灭火技术防治自燃发火. 

矿井通风方式为中央并列式，总进风量为2070m3／min，总回风量为2170m3／min，使用BD-II-6NO.16型高效节能对旋式轴流风机，配套电机75*2kw，矿井负压42mmH2O，有效风量率89.4％。回采工作面采用一源一汇的U型通风方式。

2 矿井自燃发火情况

东峡煤矿自燃发火情况十分严重，自矿井投产后10年，每年有8～10次自燃发火，近10年因采煤方法的改革和综合防灭火技术的深入开展，矿井百万吨发火率明显减小，平均每年有1～2次的内因火灾。

3防灭火技术

矿井内因火灾的防治方法，按其原理来分，有化学物理方法和技术物理方法两种，前者即利用化学阻化与填充剂，减弱煤的化学活性或阻止氧与煤作用，减少反应面，降低氧化能力，抑制氧化反应进行，如阻化剂防火，灌浆和注水防灭火等。而后者则是应用矿井开采技术知识，在矿井设计、建井和生产管理的各个环节中，采取一系列有效的技术措施，来控制自燃因素的产生和发展，以达到增加矿井先天性的防火能力，如提高回采率和应用无煤柱开采技术减少自燃的物质基础；采用先进的工艺流程和技术管理，提高回采速度，减少采空区自燃带稳定时间等。

东峡煤矿在积极采取开采技术防灭火措施的同时，依据矿井自然条件和开采条件，深入开展了化学物理方法进行矿井火灾防治，取得了较好的效果。

3.1灌浆防灭火

灌浆防灭火是东峡煤矿综合防灭火的一项主要技术，在矿井生产过程中，无论是防火还是灭火，都发挥了积极作用。

3.1.1灌浆防火

东峡煤矿属急倾斜特厚煤层倾斜分层开采，因煤层项底板较坚硬，无需灌浆生成再生顶板，加之回采工作面采空区自燃发火不是特别严重，同时，因大倾角工作面采空区注浆时，浆液在采空区内流动情况难以控制，特别是在煤层底板，有起伏变化时，浆液在采空区分布不均匀；当工作面倾斜长度大时，灌浆效果差，并常常发生泥浆或废水泄出，流入工作面，使工作面溜子道变为“流水道”。因此，东峡煤矿灌浆形式采用采后封闭灌浆，即在工作面回采跨过上下部进回风1周内，对石门进行永久封闭，并预埋好注浆管，当工作面推进距石门50～70m时，及时向回风石门沿倾斜方向对采空区进行灌浆，使其形成沿走向的泥浆带。如图1所示：

图1对采空区进行灌浆示意图

3.1.2灌浆灭火

巷道发火是东峡煤矿矿井主要发火地点，占总发火数的50％以上，而巷道发火尤以回采工作面进风石门端头及石门端头口以里20m范围的运输溜子道最为严重，如图2所示：

图2石门端头及溜子道发火点示意图

当石门端头或以里溜子道已经出现高温，冒烟等发火征兆及形成火区时，采用封闭火区反灌浆法进行灭火，如图3所示，在石门端头做一道密闭，然后根据火区位置及范围，在运输机石门适当位置打钻注浆。这种灭火方法只要找准火区位置，灭火速度相当快，大大缩短了影响生产的时间。

图3封闭火区反灌浆灭火

3.2阻化剂预防采空区自燃发火

阻化剂是国内普遍采用的一种防灭火材料，对其阻化效果的评价主要有两个指标，一是阻化率，二是阻化寿命。东峡煤矿煤质属长焰低硫煤，自燃发火期3～6个月，最短37d，因此阻化剂选用氯化镁。

东峡煤矿工作面长度较长，一般为85～110m，因工作面中段顶板跨落程度好，而上下老塘15m范围内顶板跨落不及时，空顶距离大，且该地点也是工作面采空区漏风源及漏风点，因此其发火的机率较大，为了提高阻化剂预防采空区自燃发火的效果和做好重点区域防范，将移动式汽雾阻化设备安装在工作面下巷，利用漏风将雾化的阻化剂雾气送入采空区。其优点是，阻化剂的雾粒能随漏风深入采空区内部，在漏风范围内阻化剂分布均匀，能够使采空区在较长时间保持空气温度，因而具有较好的阻化效果；同时喷雾点在下老塘，沉落的大量阻化剂对工作面下老塘的自燃发火做到了重点防范。

东峡煤矿这种工艺方法施工组织简单，防灭火成本低，突出重点，防灭火效果良好。

3.3注氮防灭火

东峡煤矿由于防灭火方法和手段比较单一，防灭火装备相对落后，并受灌浆土源不足的限制，工作面跨石门灌浆防灭火在一定程度上受到限制，加之矿井开采规模的不断扩大，工作面的接替速度相当快，给工作面分层开采防治自燃发火带来更大的困难。此外，由于矿井综采放项煤开采方法的实现，必将为矿井防灭火提出更高的要求，所以东峡煤矿建立了注氮防灭火系统。

东峡煤矿通过对目前国内各种注氮设备技术性能参数比较分析，结合开采水平下移速度快的特点，选用井下移动式变压吸符碳分子筛注氮机。

3.3.1采空区注氮防火

工作面采空区注氮防火的关键技术在于准确测定工作面采空区“三带”分布，合理确定注氮参数和注氮工艺，及时掌握注氮时机，将采空区自燃发火消除在萌芽状态。

东峡煤矿注氮方式选用非连续性注氮，即待采空区出现自燃发火征兆后再向采空区注氮。这主要源于东峡煤矿火灾柬管监测系统性能稳定，可靠，能及时、准确地进行自燃早期预报，根据历年发火统计情况来看，回采工作面采空区发火率较小，综采面推进速度较快，因此采用非连续性注氮方式。

（1）注氮参数选择 ①注氮方法根据巷道布置方式，回采工作面采空区采用钻孔注氮的局限性较大，不易实现，故采用压管注氮方法，即注氮管口由进风顺槽压埋在采空区，借助漏风将注入的氮气散布在采空区内。 ②注氮口的位置注氮口位置选择至关重要，依据对综采面特定条件下的采区“三带”测定结果，采空区漏风带宽度为40m，因此注氮口位置选择在氧化带的中部最为合理，即选在距工作面煤壁30m处。 ③埋管布置、移动方式工作面注氮管路布置如图4所示。 
图4工作面注氮管路布置由注氮方式、注氮方法的选择确定：注氮管由工作面进风顺槽接至采空区25m深处，采空区外露出的钢管为15m并随工作面的前移，在钢管的进气口端焊上拉钩，用进风顺槽的回柱绞车将采空区埋管拖动前移，始终保持钢管出气口距工作面煤壁25m，保证注氮口位于采空区氧化带中心部位，待注氮时机成熟时，接通注氮管路向采空区注入氮气进行灭火。由于拖管压在采空区的深度较长，用回柱绞车拉动拖管时，因压力较大，很可能拉断拖管。因此拖管需采用厚壁优质无缝钢管，考虑到氮气输送速度，可用φ89mm，壁厚为10mm的无缝钢管，其连接处为便于拖动，采取直接焊接，不可用法兰盘连接。 ④注氮强度按采空区防火时氧化带惰化氧含量计算，为326.4m3/h。

（2）防火注氮时机

综采注氮防灭火系统的建立，为矿井火灾防治提供有力的物质保障，而非连续性注氮防灭火的关键是注氮时机的准确判断，即如何及时准确的预测，预报采空区自燃发火的信息，尽早实施注氮防灭火措施，把火灾消除在萌芽状态。

在火灾的预测预报方面有着较为先进的设备和成熟的经验，特别是火灾束管监测系统在火灾防治方面发挥了巨大作用。因此对该系统进行了进一步改造完善，充分利用该系统监测回采工作面及采空区等地点的气体成分等，特别是一些火灾指标气体，进行注氮时机成熟与否的判断。根据煤层自燃发火的特点及火灾预测预报的经验，确定以下防火注氮时机： 

①人体生理感觉。主要指嗅觉、视觉和感觉。 ②指标气体。一当工作面下隅角和回风流出现CO气体，其含量向上递增，达到60PPm时，必须立即注氮。 ③当工作面在回采过程中，未达到正常每天少于2.4推进速度时，必须及时注氮，直到推进速度正常。 ④工作面测温地点温度高于进风风流温度5～10℃；放煤温度高于30℃时必须立即注氮。

（3）注氮终结

按氧化带氧含量惰化指标为7％，最大注氮量400m3/h计算，则最少注氮时间按下式计算： 

Qn=QC1/C2—Q 

式中Qn为惰化采空区氧化带的注氮量；C1为采空区氧化带平均氧含量，取15％；C2为采空区氧化带防火惰化指标，为7％；Q为氧化带体积。 

Q=氧化带宽度×工作面长度×采高×采空区密实系数

=30×100×3.4×0.7=7140m3 

则QN=8160m3 

制氮机最大流量为400m3/h，则每次惰化采空区氧化带至少需要时间t=Qn/Qmax=8160／400=21h。

3.3.2注氮灭火

矿井火灾的发生是一个复杂的过程，火灾发生的原因不同，地点不同，发火严重程度不同，注氮灭火的方法也不同。

结合矿井自燃发火的特点及国内注氮灭火技术，注氮灭火采取以下几种方法。

（1）巷道目标注氮灭火

当工作面巷道在掘进过程中有穿层穿入上分层采空区，或在回采过程中形成高冒区而形成自燃发火时，若火源位置能够准确判定，为了不影响生产，可以不进行封闭巷道，直接向火源打钻注氮，氮气释放口离火源目标的距离不超过5m，注氮量为200～400m3/h，注氮时间一般为1～3d。

（2）巷道封闭注氮

根据多年来自燃发火情况统计来看，巷道发火占发火次数的60％以上，而石门端头自燃发火则占巷道发火的90％以上。因此当石门端头出现自燃发火时，可采用封闭注氮的方法灭火。即在石门端头做一道砖密闭，在墙体中上部预插注氮管，在上部插好气体监测管和水柱计，以便进行注氮后火区气体的检测分析，判明火区是否熄灭。

（3）回采工作面封闭注氮

当回采工作面采空区发生火灾时，在采取措施不能消除，且采空区火势有扩大到工作面的趋势，必须立即对回采工作面进行临时封闭，进行注氮灭火。即在超前工作面5m处的上下顺槽，分别做一座砖密闭或板密闭。(并用黄泥抹面，减少漏风)封闭工作面，再利用采空区防火埋管以最大流量向工作面采空区注氮，迅速降低火势，窒熄明火，大流量注氮一般为2～3d，然后降低流量，以250～400m3／h的流量维持注氮。当火区CO含量降低0.001％以下，回风密闭O2含量降低5％以下，温度为常温时，可停止观察2d，如无变化，则可打开密闭恢复生产，加快推进速度，边生产边利用埋管继续注氮，将火源点甩到窒熄带。

注氮灭火因其发生地点不同，火势大小不一，注氮参数的选择也会因此发生变化。因而，在采取注氮灭火时，必须根据现场实际情况，制定灭火措施，明确注氮参数，选择注氮方式、方法、注氮强度、注氮口位置、注氮终结时间等。

4 结语

矿井防灭火是一项系统工程，它需要从矿井开拓开采技术、工作面回采工艺、采区通风系统及防灭火方式方法等多方面着手，采取综合防治措施，方可确保矿井防灭火需要。同时，矿井火灾防治工作，必须紧跟科技进步，不断引进新技术、新设备、新材料和新工艺，增加矿井防灭火管理的技术含量。东峡煤矿自开展综合防灭火技术以来，矿井自燃发火率明显下降，确保了矿井安全和正常生产，自矿井投产以来，未发生火灾事故，保障了职工生命安全，维护了企业良好的社会形象。