厚煤层131303综放工作面回采期间综合
防灭火技术研究
Research on Comprehensive Fire Prevention and Control Technology in the Recovery of Thick Coal Seam 131303 Fully-mechanized Caving Face
宋汉宾 SONG Han-bin
（国投新集能源股份有限公司新集一矿，淮南 232170）
（State Development & Investment Xinji Energy Co.，Ltd. Xinji No.1 Mine，Huainan 232170，China）
摘要： 矿井火灾防治是新集一矿“一通三防”管理的重点和难点，考虑抽采与防火的关系，新集一矿主要开采煤层为13煤、11煤、9煤、8煤、6煤均有自燃倾向性，自然发火等级Ⅱ级，自燃发火期一般为3～6个月。自1993年投产以来共发生自然火灾16次，发生自然火灾的煤层主要为13煤层，8煤层仅在巷道过断层处发生1次。为保证13煤层的安全回采，开展了煤层“三带”研究，确定防火措施。本文介绍了131303综放工作面回采期间自燃标志性气体的确定，并对采空区自燃“三带”进行测定，并针对性的采取综合防灭火技术的应用情况。
Abstract: Coal mine fire prevention and control is the emphasis and difficulty in ventilation and safety management of Xinji No.1 Mine. Considering the relationship between extraction and fire prevention, the main mining coal seams of Xinji No.1 Mine are Seam 13, Seam 11, Seam 9, Seam 8 and Seam 6, all of which have the spontaneous combustion tendency, and the spontaneous combustion level is Ⅱ. The spontaneous combustion period is commonly 3 ~ 6 months. Since its launch in 1993,a total of 16 times of spontaneous fire have occurred. The main involved coal seam is Seam 13. The Seam 8 only has one time of fire accident at the roadway crossing fault. In order to guarantee the safe mining of Seam 13, the coal seam “3 zones” research is carried out and fire prevention measures are determined. This paper introduces the determination of iconic spontaneous combustion gas and carries on the determination of spontaneous combustion "3 zones" in the goaf, and adopts comprehensive fire prevention and control technology.
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关键词 ： 一通三防；厚煤层；三带；综合防灭火
Key words: ventilation and prevention；thick coal seam；3 zones；comprehensive fire prevention and control
中图分类号：TD752.2 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2015）20-0101-04
1概述
131303综放工作面位于1水平三采区（北中央采区）是三采区首采综放工作面，开采的煤层为13-1及13-1下煤层。工作面平均全层厚度7.26m，平均纯煤厚度6.40m，平均含夹矸厚度0.86m，13煤层走向240°～300°，倾向330°～30°，煤层倾角3°～28°，平均15°；工作面南部由于距离F10断层较近，受F10断层的影响，煤层起伏变化较大。131303工作面回采期间的相对瓦斯量为：2.06~3.74 m3/t；13煤层属于煤尘有爆炸性危险的煤层，煤尘爆炸指数为55.21%；13煤自燃倾向性等级为Ⅱ类，自燃倾向性为自燃，煤层自然发火期一般3～6个月；地温：28℃～34℃；地压：因本工作面下部为11-2煤层采空区，地应力平衡曾经受采动破坏，裂隙较为发育，回采期间原始应力平衡再次被破坏，局部应力集中，特别是过断层期间，会出现压力增大，易发生冒顶。
矿井采用混合式通风方式，混合井、副井进风，中央回风井及西风井回风。中央主扇与西风井主扇均为抽出式，两风井主扇各有一台使用，一台备用。中央主扇型号为2K56-4NO.30，西风井主扇型号为GAF26.6-15-1，两个风井主扇运行平稳、可靠。中央主扇静压为2270Pa，西风井主扇静压为3080Pa。矿井总进风量20958 m3/min，总回风量21597 m3/min。
2131303综放工作面煤层自燃特性实验及采空区“三带”测定
煤层最短自然发火期是绝热条件下煤样从常温缓慢氧化、自热升温到加速氧化临界温度所需的时间。通过差示扫描量热法测定煤样比热、自然发火模拟实验确定煤样加速氧化临界温度，以实验中气体产物的浓度变化计算煤样的放热速率，根据建立的数学模型解算实验煤样的最短自然发火期。以程序升温实验过程中煤热解产生的多种气体分析，结合自然发火标志性优选原则，确定气体产物生成量和煤温之间的关系，以及适合煤炭自燃火灾早期预报的指标气体。
2.1 实验结果及内容
2.1.1 煤样工业分析及自燃倾向性试验结果
实验煤样工业分析及自燃倾向鉴定结果见表1。
2.1.2 煤样升温氧化试验结果
煤样升温氧化过程中气体产物及其浓度变化见表2，临界温度162℃。
2.1.3 煤样比热
根据对不同温度条件下不同煤种煤样的比热进行的差示扫描量热分析测试实验室试验的结果，131303风巷煤样进行自然发火期解算。
2.2 自燃标志性气体
标志气体是指在煤低温氧化过程中生成并能用来预报煤炭自然发火的气体。煤在热解过程中会产生多种气体，由于煤质的不同，气体生成的量和煤温之间的关系，以及各种气体产生的最低温度也会随之变化。所以，通过试验选择最佳的标志气体是很有必要的。具体的试验过程是：首先把选取密封好的煤样运至实验室，要求煤样已经剥去了表面氧化层，重50g，粒度是40～80目。然后将煤样放到铜质煤样罐内，并将其整个放到程序控温箱内。之后连接好进气气路、出气气路和温度探头，并检查气路的气密性。测试时向煤样内通入50ml/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热，加热速率1℃/min，当达到指定测试温度时候，恒定温度5分钟后采取气样进行气体成分和浓度分析。
实验结果：
所取煤样程序升温实验过程中煤样最低温度、最高温度和进气温度对应关系以及产生的气体成分随升温温度变化结果如图1~图3所示。
分析上述试验结果发现，CO早于C2H4出现，并且CO贯穿于整个氧化过程，随着C2H4的出现，表征煤会进入加速氧化阶段，对应温度超过200℃。
CO是最佳的自燃标志气体，可采用CO相对量和变化率为自燃趋势预测预报指标，结合C2H4相对量进行自燃状态预测预报。
2.3 采空区自燃“三带”测定
采空区自燃“三带”的测定，应有正确合理的测点布置方式及先进的技术测试设备与手段，通过采空区气体的成份变化规律的测定，正确全面的分析采空区遗煤氧化变化规律，并得出131303工作面自燃“三带”分布。
采用试验现场埋管，采空区中的气体通过便携式抽气泵抽入到球胆中，然后将球胆连接到束管监测系统，通过色谱分析系统测试气体组分，得出采空区各种气体浓度变化规律，从而研究分析出采空区自热变化与分布规律，确定综放工作面自燃“三带”的分布范围。并依此为理论依据，制定出科学有效的防灭火技术方案。
2.3.1 项目实施地点概况
根据矿井生产安排，项目实施地点定在131303综放工作面。工作面倾向长度153.74 m，该煤层均厚为7.26 m，煤层倾角一般3°～28°，平均15°；工作面南部由于距离F10断层较近，受F10断层的影响，煤层起伏变化较大。8月1日开始铺设束管，但由于一些客观原因，8月6日管路正式铺设完成。
2.3.2 项目实施方式
在进回风巷内沿底板向采空区分别埋设4根单芯束管，束管最长200 m，沿进回风巷向外每隔25 m设置一个测样头。以上测样头一旦进入采空区即开始抽气分析，直至取气分析结果表明测样头已经进入窒熄带。若出现意外情况造成分析结果无意义时必须重新铺设束管，束管铺设见图4和图5所示。
2.3.3 数据的记录与整理
根据参数测定记录气体成份（CO、O2、C02、N2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2等）变化情况，根据变化曲线分析采空区煤炭氧化规律、采空区气体分布变化规律及煤炭自然氧化“三带”。根据新集一矿13煤层属于气煤，易自燃厚煤层，自燃发火期短的特点及参考国内外的一些划分依据，采空区按氧气浓度划分采空区煤炭氧化自燃“三带”的指标参数确定采用：不燃带：O2＞18%；自燃带： 18%＞O2＞8%；窒息带：O2＜8%；从而得出131303工作面自燃带为29~73m。
3工作面回采防灭火措施
矿井内因火灾的防治方法有很多种，按原理来分有技术物理方法和化学物理方法两种，前者通过在矿井整个生产过程中应用矿井开采技术知识，采取一系列的技术措施，通过控制自燃因素的产生和发展的方式来达到增加矿井先天性防火能力的目标；而后者则是利用化学阻化与填充剂，以此来阻止氧与煤作用或者减弱煤的化学活性，不仅降低了氧化能力，也减少了反应面，氧化反应大大减少了。两种防治方法相辅相成，缺一不可。
新集一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、注氮防灭火
灌浆、注氮防灭火是新集一矿综合防灭火的主要技术，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
因131303综放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，通过回风隅角预埋灌浆管道注浆，灌浆管路出口进入采空区25m后即开始灌浆至进入采空区40m为止。通过预埋的灌浆管路向采空内灌黄泥浆，黄泥均匀地分散在煤体上，黄泥对煤的颗粒进行包裹，减少煤与氧气的接触和反应面，同时可以湿润煤体，降低煤炭低温氧化的速度。使其形成沿走向的泥浆带。
3.1.2 灌浆防火
在工作面风巷钻场或巷道内施工灌浆穿层钻孔，钻孔控制支架后采空区30~55m，通过钻孔向采空区顶部注凝胶，如工作面采空区其它地点出现煤体氧化高温隐患，可以使用煤电钻等向采空区顶部布孔，使用注浆泵向隐患处压注凝胶等，根据凝胶输送距离成胶时间控制在2～5min，注胶量每处不超过20m3。
3.1.3 注氮防灭火
新集一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，给工作面开采防治自燃发火带来更大的困难。
此外，由于矿井综采放顶煤开采方法的实现，必将为矿井防灭火提出更高的要求，所以新集一矿建立地面注氮防灭火系统，配备KDON-600/1500型制氮机两台，制氮量900~1500m3/h，主管道系统选用?覫219、?覫159规格，由管道钻孔直接到-450m生产水平，?覫159管道延接到各采区，工作面选用?覫108、?覫59规格管道。
3.1.4 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。
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。采用压叉式预埋方式，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。
3.2 阻化剂预防采空区自燃发火
新集一矿工作面长度较长，一般为70～150m，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，131303综放工作面风、机巷隅角由施工单位每推进10m施工挡墙，且充填严实（挡墙不能撤除），并对挡墙喷注瑞米充填材料堵漏风，减少采空区内漏风，降低采空区遗煤氧化时间，有效的控制自燃。同时在工作面过断层、停产期间，上、下隅角喷注瑞米堵漏风的情况下，对工作面综放支架架间布孔喷注瑞米，并挂挡风障，减少采空区漏风等措施。
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。自1993-2011年新集一矿火灾平均发生1起以上，2011年在实施131303综放工作面回采期间运用综合防灭火技术以后，火灾得到了有效地控制。基本上没有再发生过火灾。在131303综放工作面回采期间运用综合防灭火技术，保证了工作面回采、过断层、停产期间的防灭火安全，并为下一步矿井13煤综放工作面的回采提供了技术保障和经验。
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参考文献：
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[2]胡长宏，高陈亮，王忠军.国投新集一矿241107综采工作面安全生产管理经验探索[J].科学咨询（科技·管理），2012-06-05.
[3]胡跃伟，张建星，张磊.预抽钻孔自然发火防治技术实践——大平煤矿13111炮采工作面[J].现代商贸工业，2013-10-01.