保德煤矿防灭火设计研究

李健威，罗伙根，张增辉

(神华神东煤炭集团保德煤矿，山西 保德 036600)

保德煤矿是神东煤炭集团所属的大型石炭二叠纪出口煤配煤基地，井田南北走向长平均12.3 km，东西倾向宽平均5.7 km，井田面积55.9068 km2，煤层倾角3°～9°，总体上为平缓的单斜构造形态。区内可采煤层共4层，分别为二叠系山西组8#煤层(目前正开采)和石炭系太原组 10#、11#、13#煤层，其中8#、11#煤层全区可采，10#、13#煤层局部可采。根据煤炭科学研究总院沈阳研究院鉴定，8#煤层属II类自燃煤层，发火期为4～6个月，且煤尘具有爆炸危险性。

1 井下自燃火灾监测系统

火灾的早期发现和监测是矿井火灾防治的前提，根据《矿井防灭火规范》规定:一、二级自燃矿井应建立火灾预测预报系统。目前矿井火灾监测系统最常用的是矿井自燃火灾束管监测系统。束管监测系统主要由束管取样系统和地面气体分析中心组成，通过束管将监测点气体取样到地面，利用气相色谱分析仪连续分析气体组分浓度，通过各组分浓度的变化对煤层氧化自燃过程进行判断分析，并进行煤自燃发火的早期预测预报。

针对保德煤矿井下生产实际布局，确定建立地面型束管监测系统和人工采集气体进行综合预测预报监测系统。二盘区和三盘区可采用地面束管监测系统进行自燃发火预测预报;五盘区综合考虑经济性和实用性，确定采用简易束管采样系统和人工采集气体综合进行分析观测［1］。

1.1 地面型束管监测系统

束管管路布置:束管布置由地面监测室开始沿辅平峒—措施巷—一号主运大巷—三盘区措施巷—二号辅运大巷—联巷—81305二号回风顺槽—联巷密闭—采空区。从地面监测室至三盘区口敷设12芯束管2500 m，三盘区口至81305二号回风敷设3000 m三芯束管至联巷密闭，三盘区口至一号回风巷敷设3000 m单芯束管至工作面上隅角。

监测点分为固定点、移动点和临时观测点。观测点应设置在能采集到观测区内有代表性的气体的地点。尤其固定观测点、移动观测点，应尽量设置在巷道周围压力较小，支架完整，没有拐弯，断面没有突然扩大或缩小的地点。预留2路，其余10路通过平硐下放至各监测点。根据上述要求监测点主要布置在以下地点:

1)工作面监测点1个，布置在工作面上隅角，随工作面开采而移动。

2)采空区监测点，布置在工作面回风顺槽远离工作面侧，随工作面推进埋入采空区，一个工作面布置3个点，测点间距100 m。当测点采空区氧浓度降到5%后，断开该测点，重新布置采样探头。采空区测点布置示意图见图1。

图1 工作面采空区束管埋设示意图

布置两条回风巷的工作面可按图1(a)所示进行铺设。布置一条回风巷的工作面可按图1(b)所示进行埋设，埋入采空区的束管要用DN25～50 mm的钢管加以保护，保护套管埋入采空区不回收。

通过束管取样，利用安装在地面的抽气泵，将所采样的气体送入分析仪进行分析。对井下任意地点的 O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2等气体含量实行24 h连续循环监测，经过对自燃火灾标志气体的确定和分析，及时预测预报发火点的自燃进程变化，为煤矿自燃火灾和矿井瓦斯事故的防治工作提供科学依据。

1.2 建立人工采样分析系统

没有布置束管采样点或采样束管不能到达，同时又需要进行气体分析的地点，可人工利用取气囊进行取样。气体分析则由气相色谱仪完成。取样时间可每天或根据需要定期取样，取样前必须用取样地点气体对取气囊进行2～3次冲洗。气样采集后12 h内必须送至气样分析室进行数据分析，如超过12 h，气样应舍弃不用，重新取样，以保证分析数据准确。

对于五盘区工作面采空区的气体观测，可建立简易束管采样系统。简易束管采样系统由束管管缆、气囊、小型真空泵(2X－4G)、手动取样器、保护套管和采样探头组成，观测范围200～300 m。简易束管采样系统示意图见图2。

2 自燃防治措施

据历史资料统计表明，保德矿及周边矿井从开采至今，8#煤层未发生过煤自燃发火事故。随着不断开采，使得采空区的范围越来越大，由此形成的密闭也会更多，并且随着井下风量和负压的进一步增大，造成遗煤更多与空气进行接触，极易形成煤自燃发火隐患。“预防为主、综合治理”是矿井火灾防治工作的指导方针，目前，防治自燃火灾的技术主要包括堵漏、注浆、喷洒阻化剂、注惰气、注凝胶和泡沫材料等。根据《煤矿建设项目安全设施设计审查和竣工验收规范》(AQ1055－2008)规定，开采容易自燃或采用放顶煤开采自燃煤层的矿井，必须设计以灌浆为主的两种以上综合防灭火措施。结合保德煤矿实际生产情况，确定选择以灌浆、注氮为主的综合防火措施。

图2 简易束管采样系统示意图

2.1 灌浆防灭火

保德煤矿矿井上、下高差小(工业广场至工作面的高差为70～270 m)，井田面积大(55.9 km2)，输送距离远(最远可达13 km)，地面灌浆输送倍线明显不够，如式(1)。采用地面分区注浆站受到山区地表等条件限制，可行性小。而且保德煤矿大多为大采高工作面，采空区为高顶高冒状态，灌入低浓度浆液会沉淀拉沟，达不到预期目标［2］。

保德矿注浆管的倍线为:

式中:

N—输浆倍线，一般控制在3～8之间;

L—浆液自地面管路的入口至灌浆区管路的出口管线总长度，m;

H—浆液入出口之间的高差，m。

所以保德矿注浆倍线太大，不利于浆液输送，故不能采用地面集中灌浆系统。因此，采用井下移动灌浆系统，向采空区灌注高浓度泥浆或化学浆液，应是首选方案。

根据矿井防火注浆量，每个工作面配备1台注浆装置，因此，设计选用3台ZHJ－1.2/12型井下移动式防灭火注浆装置(2用1备)。泥浆输送采用专用管路，为使注浆装置达到更好的工作状态，注浆装置安放地点距离灌浆点距离尽量近些(小于500 m)。输浆管路选用直径为DN75 mm的无缝钢管，沿工作面回风巷底板铺设［3］。

依据煤的自燃倾向性和采煤方法，灌浆方法采用踏步式埋管灌浆，即随着回采工作面推进，向采空区内埋设管道进行注浆(出浆口距工作面的距离应不小于30 m，由高位向低位注浆)，以充填采空区空隙，覆盖采空区遗煤，防止采空区发生自燃。注浆步距确定为50 m。在工作面回采过程中，当推进速度大于防火最小推进度时，可不采取注浆防火措施。如出现自燃发火征兆(CO浓度呈上升趋势或出现C2H4、C2H2自燃发火标志气体)，及时向采空区注浆防灭火，直至自燃发火征兆消除为止。对布置一条回风巷的工作面注浆工艺见图3(a)，布置两条回风巷的工作面注浆工艺见图3(b)。

图3 埋管注浆工艺示意图

当工作面采空区存在高温点时，可在回风巷(或进风巷)靠工作面一侧煤体内开辟钻场，向采空区内打钻，压注阻化泥浆或胶体泥浆，见图4。注浆钻孔，钻孔开孔孔径应不小于d108 mm，终孔孔径应不小于d89 mm，封孔要严密，钻孔与输浆管路的连接要牢固，并能承受最大的注浆压力。钻孔的布置必须能将火源包围，能控制火源的发展以利于灭火。

图4 钻孔注浆工艺示意图

火灾区密闭后采用密闭墙插管注浆，从密闭墙上方的注浆管插到采空区，向采空区注浆，见图5。此时，密闭墙的强度应满足注浆的要求，注浆时应派专人监护，一旦发现有溃浆征兆时，应立即停止注浆。

图5 插管注浆工艺示意图

2.2 注氮防灭火

保德煤矿大多为综放工作面开采，采空区为高顶高冒、丢煤多、空间大，单独采用注浆措施难以达到防火效果，需要采用注氮的方法对采空区进行全方位惰化，抑制高顶高冒区的氧化自燃。因此，同时选择注氮防火方案，作为综放面采空区防火的另一主要方案。综合考虑保德煤矿井下工作面实际布局情况，如建立地面固定式注氮防灭火系统，由于输送管道系统较长(最大距离13 km)，注氮系统的管路出口压力难以满足大于0.2 MPa的要求，并且在日常管理上的难度较大，因此，选择建立灵活机动的井下移动式注氮防灭火系统［4］。

注氮防灭火惰化指标:

1)采空区防火惰化氧浓度指标不大于煤自燃临界氧浓度，根据8#煤层煤样的临界氧浓度鉴定结果表明，采空区防火惰化指标以7%作为设计依据。

2)惰化灭火氧浓度指标不大于3%。

3)惰化抑制瓦斯爆炸氧浓度指标小于12%。

根据矿井防火注氮量，选用2台MD－1000型井下移动式膜分离制氮机。输氮管路选用DN100无缝钢管，长度约为3400 m。管口末端压力为0.2 MPa的情况下，制氮设备的供氮压力只需0.45 MPa。输氮线路:移动式制氮机→工作面回撤通道→联巷→辅运顺槽→联巷密闭→采空区，输氮管路布置图见图6。

图6 注氮系统示意图

2.2.1 注氮防灭火工艺

注氮方式从空间上分为开放式注氮和封闭式注氮;从时间上分为连续性注氮和间断性注氮。工作面开采初期和停采撤架期间，或因遇地质破碎带、机电设备等原因造成工作面推进缓慢，宜采用连续性注氮;工作面正常回采期间，可采用间断性注氮，如出现自燃发火征兆，及时向采空区注氮防火，直至自燃发火征兆消除为止［5］。

1)开放式注氮。当自燃发火危险主要来自回采工作面的后部采空区时，应该采取向本工作面后部采空区埋管注入氮气的防火方法。具体方法如下:在工作面辅运顺槽内铺设一条注氮管路。当工作面回采一定长度(30 m)，联巷打好密闭后开始注氮。当第二道密闭打好后，工作面向前推进20～30 m，此时关闭第一道密闭注氮管，同时开启第二道密闭注氮管。

注氮管的埋设及氮气释放口的设置应符合如下要求:

a)保德煤矿综放面采用两进一回型通风，将注氮管铺设在辅运顺槽中，注氮释放口设在联巷密闭内，见图7。

图7 注氮管埋设及释放口位置示意图

b)氮气释放口应高于底板，位于联巷密闭顶部，与工作面保持平行。

c)氮气释放口之间的距离，应根据采空区“三带”宽度、注氮方式和注氮强度、氮气有效扩散半径、工作面通风量、自燃发火期、工作面推进度以及采空区冒落情况等因素综合确定。由于保德煤矿无采空区“三带”宽度数据，设计第一个释放口设在起采线位置，其它释放口间距为50 m。

2)封闭式注氮。封闭式注氮主要用已封闭的采空区进行防灭火，其注氮方法有以下三种:

a)钻孔注氮。施注地点附近巷道向井下火区或火灾隐患区域打钻孔，通过钻孔将氮气注入火区。

b)插管注氮。工作面起采线、停采线、或巷道高冒顶火灾，可采用向火源点直接插管进行注氮。

c)墙内注氮。利用防火墙上预留的注氮管向火区或火灾隐患的区域实施注氮。

2.2.2 防止采空区氮气泄漏的措施

采空区漏风状态决定了氮气在采空区内的滞留时间，同时也决定着间歇式注氮时的注氮周期。采空区的漏风强度越小，两次注氮的间歇时间就越长，此时的注氮效果好且比较经济。因此，采取措施减少采空区氮气泄漏也是提高采空区注氮效果的有效途径［6］。

1)直接堵漏措施。采空区直接堵漏措施是每隔50 m在采空区上、下隅角垒砂袋、注粉煤灰或喷涂聚氨脂等。

2)均压措施。利用开区均压的原理，降低工作面两端(即进、回风侧)压差，从而减少漏风，起到防止或减少采空区氮气泄漏的作用。

2.3 其它综合防灭火措施的选择

保德矿综放工作面防火采用以灌浆和采空区注氮为主的防灭火措施。针对不同情况、不同地点还应采取以下辅助措施:

1)针对工作面回采异常时，除采用注浆、注氮外，还可以采用工作面调压、上下隅角建立封堵墙等综合防火措施。

2)对煤巷、联络巷、开切眼、停采线、煤柱等裂隙存在自燃发火危险时，可采用压注阻化剂、化学凝胶等方法进行局部处理。

3)对采空区密闭加强管理，对可能存在漏风通道的地方进行漏风观测，对易发生煤自燃征兆的采空区，采取加强封闭采空区措施。

3 结论

1)结合保德煤矿井下实际生产情况，针对性的设计出了井下自燃火灾监测系统和煤炭自燃防治防灭火措施。

2)通过束管抽取监测点的气样，利用气相色谱分析仪分析气样中标志性气体组分浓度，并根据各组分浓度的变化对煤层氧化自燃过程进行判断分析，从而及时有效地对煤炭自燃发火进行早期预测预报。

3)根据保德煤矿采用综采放顶煤开采易发生自燃煤层的实际情况，设计出采用以灌浆、注氮为主，以调压、建立封堵墙、注阻化剂、注凝胶、封闭采空区为辅的综合防灭火措施，有效地解决了保德矿煤炭自燃的难题，取得了较好的效果。

［1］徐爱建，马同福.束管自动监测系统预测预报自燃火灾［G］//安全生产与可持续发展论文选编.济南:山东省科学技术协会，2004:179－180.

［2］冀致森，乔双树，白常春.关于防灭火灌浆系统的研究［J］.山西焦煤科技，2008(7):18－19.

［3］王 菲.灌浆防灭火法及其应用［J］.山东煤炭科技，2012(2):21－22.

［4］兰中田.综放工作面注氮防灭火技术［J］.煤炭技术，2007，26(7):63－64.

［5］马文瑞.浅析注氮防灭火技术在综放工作面的应用［J］.科学之友，2007(B):25，27.

［6］俞学平，高正强，汤晓东，等.提高注氮防灭火效果的技术应用研究［J］.矿业安全与环保，2007，34(2):31－32.