矿井火灾束管监测及灌浆防灭火技术应用

张松宁

（晋能集团首阳煤业有限公司，山西 晋城 048000）

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，据有关数据统计，目前，我国有自然发火危险性的矿井占比高达60%以上[1-2]。矿井火灾可严重干扰正常生产秩序，威胁井下人员和设备的安全，严重时，甚至造成不可估量的损失[3]。可见，有必要对矿井火灾监测和防灭火技术进行研究设计，以最大限度的抑制井下火灾的发生，保证煤矿生产安全[4-5]。

1 工程概况

山西煤炭运销集团首阳煤业有限公司行政隶属山西省高平市，根据山西省煤炭工业厅综合测试中心于2019年3月提供的鉴定报告，首阳煤业15#煤层吸氧量为0.87 cm3/g，自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃煤层。15#煤层最短自然发火期天数为81天。故生产中必须加强通风，防止煤的自燃发生，同时应建立煤层自然发火监测系统并设计可靠的防灭火技术，保证首阳煤业作业安全。

2 火灾束管监测系统设计

2.1 束管监测指标体系

一般来说，自燃煤层发生自燃需经历三个氧化阶段，即缓慢氧化、加速氧化和激烈氧化。不同氧化阶段，产生的气体种类和气体浓度不同。可用来对煤层自燃和火灾进行监测的气体包括：CO、CO2、C1-C4烷烃、C2-C3烯烃及C2H2等。根据首阳煤业15#煤层自燃倾向检测报告，决定采用CO、C2H4、C2H2作为煤矿火灾检测的主要标志性气体，其中CO作为温度在30℃～160℃内的标志性气体。C2H4、C2H2作为温度在160℃～300℃之间的标志性气体。C2H6和C3H8作为15#煤层自然发火的辅助指标。

（1）CO气体浓度演化规律

CO存在于煤层自燃的整个过程中，且是自燃过程中出现最早的气体产物。CO浓度与煤层温度之间的关系见图1。CO浓度随着煤层温度的升高而升高，当煤层温度达到约60℃时便开始产生CO；当煤层温度在60℃～200℃之间，CO浓度随煤层温度的增长较为缓慢； 煤层温度在200℃～260℃时，CO浓度与煤层温度之间呈现指数型增长关系；当煤层温度大于260℃时，CO浓度与煤层温度之间呈现近似线性增长的关系。

图1 升温氧化过程中CO随温度变化关系

（2）烯烃、烷烃气体产生规律

煤层自燃过程中产生的烯烃（C2H2、C2H4和C3H6）和烷烃气体（C2H6、C3H8）等，其总的浓度变化趋势是随煤温的升高而逐渐增大。

2.2 束管监测系统选型

束管监测系统是通过对井下特定地点O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6、C2H2、H2等气体含量的监测分析，实现矿井自燃火灾的预报预警。束管监测系统可分为地面固定式和井下移动式。地面固定式是在地面设置分析室，通过束管将气体输送到地面进行分析检测。井下移动式是在井下设置采样基站，人工采样后送至地面进行分析。由于地面移动式可实现24h不间断监测，系统运行可靠稳定。因此，本文结合首阳煤业实际情况决定采用KSS-200型火灾束管监测系统，见图2。

图2 KSS-200束管监测系统

（1）工作原理

KSS-200型矿井自燃火灾束管监测系统工作原理见图3。

图3中系统工作时，先根据预埋束管采样地点气体的编号打开气体采样控制柜相应的进口控制开关，启动采样抽气泵使束管内形成负压，让井下被测地点的气体进入束管后，经气水分离器后进入采样柜取气口以供分析。系统操作步骤为：①打开控制柜和抽气泵组开关；②打开氢气发生器和空气发生器，等压力升到标准后，打开色谱仪开关；③打开电脑，设定各种参数，待色谱仪达到设定温度后，进行校正监测；④色谱仪校正好后在电脑上打开监测点的开关进行束管循环监测。

（2）系统技术参数

系统容量：8路（可扩充至32路）；分析气体：H2、O2、N2、CH4、CO、CO2、C2H2、C2H4、C2H6等； 系统精度：≤1.5%。；供电电源：220V，功率5 kVA（最大功率，含真空泵组）。

（3）采样系统的布置

以15202采煤工作面为例束管监测采样系统布置如下：

①回采工作面采样管路布置

图3 KSS-200型矿井自燃火灾束管监测系统工作原理

主管路：一趟8芯束管由地面检测室的控制柜出发，经副斜井敷设至集中辅助运输大巷，8芯束管总长度约900 m（不含地面）。支管路：在集中辅助运输大巷设置1处束管分路箱，将束管线分为8路1芯管。其中4路1芯束管沿一采区辅助运输大巷分别进入15101工作面回风侧防火密闭、15102工作面回风侧防火密闭内、15103工作面回风侧防火密闭内和15104工作面回风侧防火密闭内。现二采区辅运巷530 m处新增一处束管控制箱，由第一处束管控制箱引出4路与第二处束管控制箱内束管连接，4路1芯束管沿15202回风顺槽进入综采工作面，1路布置于上隅角、3路深入采空区内部150 m范围，50 m设一个测点，待测点超过工作面150 m后，即可停止观测。

②工作面正常封闭后采样管路布置

工作面在回采结束后45天内进行封闭，正常封闭后，在工作面回风密闭内布置一个测点。

3 灌浆防灭火技术

灌浆防灭火技术是将水和浆材制成的浆液，输送至井下防灭火地点，通过钻孔向自燃煤层灌注，达到防灭火的目的。灌浆防灭火的主要作用有两点：一是通过浆液封闭煤层裂隙、孔隙，隔绝氧气防止煤层进一步氧化；二是浆液中包含的水分可降低煤层温度，增加煤层湿度，抑制煤层的自燃。

3.1 灌浆系统选择

根据我国各矿区使用的灌浆系统，基本上可归为地面固定式集中灌浆系统和井下移动式灌浆系统两类，其特点见表1。

表1 两种灌浆系统的比较

根据表1中灌浆系统的优缺点，结合首阳煤业开采深度较深，井下采区较为集中，灌浆量大的特点，决定在首阳煤业选择地面固定式集中灌浆系统。

3.2 灌浆工艺

（1）灌浆系统

地面固定式集中灌浆系统主要由制浆机、注浆池、供水管路及灌浆管路组成。灌浆前由人工或机械取土（也可用粉煤灰或其它浆料），经皮带运输至制浆机中集中制备泥浆，经回风立井→集中回风大巷→一采区胶带巷→工作面灌浆管路→采空区，把泥浆送到灌浆点，进行灌浆。

（2）灌浆参数

为保证注浆得到应有的防灭火效果，根据15#煤层的地质力学数，裂隙、节理发育程度，地面制浆站与采空区的距离，浆液与管道之间的阻力，工作面和采空区的空间尺寸，工作面的生产作业制度等来确定注浆参数，具体参数如下：

①灌浆材料

常用的井下灌浆材料主要有：粉煤灰、黄土、矸石粉、尾矿等。粉煤灰由于具有灰质轻、流动性好等特点，常作为注浆材料的首选。但由于首阳煤业矿区内粉煤灰材料少，费用高，且矿区附近黄土储量丰富，是进行黄泥灌浆的有利条件。因此，采用矿井附近地表黄土作为注浆材料。需要注意的是矿井取土时尽可能过筛或使用较好的黄土，以保证灌浆工作的连续性。

②土水比

土水比是灌浆浆液的重要指标，土水比过大则浆液浓度大，输送阻力大，流速低，难以输送至所需地点。土水比过小则灌浆效果不好，常用的土水比为1:2～1:5，根据首阳煤业的地质情况，选用土水比为1:4。

③单次灌浆量

首阳煤业灌浆方式为采后灌浆，灌浆期间，每天二班进行灌浆，制浆机能力为60 m3/h，单次灌浆量采用以下方式计算：

式中：QW为矿井灌浆量，m3/h；G为累计产量，t；W为工作面灌浆宽度，工作面灌浆宽度W取值可按照工作面宽度小于100 m时取工作面宽度，大于100 m时取100 m；h为灌浆材料覆盖厚度，取0.05 m；ρc为煤的密度，取1.52，t/m3；δ为土水比的倒数，取4；M为浆液制成率，取0.9；H为工作面回采高度，取4.40 m；L为工作面长度，取194 m；N为灌浆添加剂防灭火效率因子，取1 m；D为灌浆天数；t为矿井日灌浆时间，每天二班灌浆，每班8 h，共计16 h。

4 结语

1）分析了煤矿火灾束管监测指标体系，决定在首阳煤业采用CO、C2H4、C2H2作为火灾检测的主要标志性气体，C2H6和C3H8作为15#煤层自然发火的辅助指标，结合首阳煤业实际情况，设计采用KSS-200型火灾束管监测系统，阐述了束管监测系统的工作原理、系统参数及布置方式等。

2）在首阳煤业设计采用地面固定式集中灌浆防灭火系统，采用矿井附近地表黄土作为注浆材料，土水比为1:4，并对单次灌浆量进行了计算分析，应用效果表明，灌浆防灭火可有效抑制采空区煤层自然发火，保证了井下的作业安全。