自燃煤层工作面防灭火技术工艺设计

潘宏波

（山西煤炭运销集团锦瑞煤业有限公司，山西 吕梁 033000）

工作面开采后，采空区往往有遗煤存在，对于自燃煤层来说，易出现采空区发火现象，必须采取科学合理、技术可行的工作面防灭火技术工艺，实现采空区发火的有效预防。

1 工程概况

锦瑞煤业为山西煤炭运销集团兼并重组整合矿井，开采5～9号煤层，生产能力1.2Mt/a。井田范围内5号煤层已采完；8号煤层厚2.90～3.50m，平均3.21m，埋深在221～352m之间，属自燃煤层，最短发火期为83d，煤尘具有爆炸性；9号煤层距8号煤层平均11.35m，煤层厚2.59～4.75m，平均3.78m，属自燃煤层，最短发火期为86d，煤尘具有爆炸性。矿井采用综合机械化一次采全高开采，工作面开采后采空区往往有遗留的松散煤块，存在自然发火的安全隐患。为保证工作面安全生产，必须采取工作面防灭火措施。

2 工作面防灭火技术

根据目前常用的防灭火技术，结合锦瑞煤业煤层特性及开采条件等实际情况，8、9号煤层设计采用综合防灭火技术措施，建立矿井火灾监测监控、地面固定灌浆、井下移动注氮等系统，防止采空区遗煤自然发火。

2.1 监测监控系统

（1）束管监测系统

采用KSS-200煤矿自然火灾束管监测系统，主束管24芯，每个回采工作面布置一个12芯束管，沿着工作面进、回风顺槽各布设6路单管到工作面。

采空区束管布置：沿进、回风顺槽向采空区各布置3个测点，采用无缝钢管作为束管保护管，内径2寸，长30m；单根束管采用地质钻孔作为保护套，在进入采空区设计位置与支架固定，实现随采随移；每两个测点之间间距30m。1#、2#、3#测点随工作面推进以此进入采空区。在推至过3#点约30m时，把1#点截开，重新布点，依次循环至工作面回采结束。测点布置如图1所示。工作面开采完毕后，在进、回风侧密闭分别设观测孔，并在密闭内各布置一个测点，测点布置如图2所示。

图1 工作面采空区束管测点布置图

图2 工作面封闭后束管测点布置图

（2）人工观测

采煤生产班每班安排瓦检员对工作面上下隅角、进回风顺槽、支架间、密闭观测孔、密闭墙四周等地点的O2、CO、CH4和温度进行观测，要求每班不少于3次，出现异常情况应增加检测次数，并及时向矿调度进行反馈，及时采取相应措施。

2.2 地面固定灌浆系统

建立地面固定式灌浆防灭火系统，在工作面正常开采过程中跟随工作面回采，每间隔一定距离进行一次灌浆，灌浆系统和相关参数如下：

（1）工作面灌浆系统

在工作面放顶前沿顺槽在采空区预先铺好5～8m灌浆钢管，一段埋入采空区，一段链接20～30m长的胶管。随工作面的推进，用回柱绞车逐渐牵引一定距离灌一次浆，灌浆后在采空区底板泥浆厚度须大于5cm。工作面灌浆方法如图3所示。

（2）灌浆量

矿井每日灌浆时间为8h，若矿井自然发火严重，可延长为10h。根据矿井工作面日产量、工作面布置情况、灌浆相关参数等进行计算，8号煤生产时灌浆量为35.19m3/h，9号煤生产时灌浆量取30.75m3/h，矿井灌浆量取大值，35.19m3/h。故设计采用36m3/h规模的灌浆站，每天工作8h可满足要求。

图3 工作面灌浆方法示意图

（3）管路布置

矿井灌浆主、支管路均选用D133×6mm的无缝钢管，利用法兰连接，按巷道布置情况采用吊架、托架或沿巷道底板敷设，每隔500m或在管道变坡处低点均设DN100泄浆阀，工作面灌浆采用直径50mm的胶管。敷设线路由副斜井到井底车场，再到回风大巷，最后到工作面回风顺槽。

2.3 注氮防灭火系统

注氮防灭火为矿井工作面日常防灭火系统，采用井下移动式制氮设备。

（1）注氮流量

按回采工作面注氮量计算为1440m3/h；按工作面产量计算为772.5m3/h；按吨煤注氮量计算为941.6m3/h；按瓦斯注氮量计算为945.5m3/h；按照9号煤综采工作面采高3.78m，工作面长度255m，井下氧化带的最大宽度按80m，灭火时间10d，计算工作面采空区灭火注氮流量为2227.7m3/h。通过上述计算比较，选取最大值为10d扑灭火时间注氮流量2227.7m3/h，并结合煤矿具体情况考虑一定的富余系数，确定注氮防灭火流量2400m3/h，即40m3/min。

（2）注氮工艺

矿井采用工作面进风巷的回柱绞车牵引拖管进行注氮，注氮释放管口位置为距工作面60m处的采空区氧化带内，注氮管随着工作面的推进而移动，始终埋入采空区内60m。出氮口距底板巷道高度应在300mm以上，90°弯拐向采空区，与工作面保持平行并加以保护。当工作面束管监测及地面分析有标志性气体和相关数据表明采空区有发火迹象时，开始向采空区注氮。注氮释放口位置如图4所示。

（3）注氮设备及管路

在8、9号煤工作面内安装两套DMJ-1200型煤矿井下防爆移动式膜分离制氮机组，单台制氮能力1200Nm3/h，2台同时工作，敷设管路向采空区内注入氮气。井下输氮管路主、支管均选用Φ159×4.5mm无缝钢管，自井下注氮硐室制氮机到东翼轨道大巷，再到8101工作面胶带顺槽，最后到8101工作面采空区。按工作面最远距离1800m、管口末端压力0.2MPa计算，供氮压力为0.313MPa。

图4 注氮释放口位置图

3 应用效果分析

锦瑞煤业目前已在8、9号煤层各开采一个工作面，在两个工作面回采过程中采用以上防灭火措施，并对工作面回采期间及回采结束后采空区气体进行监测，采空区未出现发火现象，CO和CH4气体均能保持在稳定水平，工作面采空区防灭火控制效果较好，为矿井后续开采提供了宝贵的经验。

4 结语

对于自燃煤层来说，必须重视对工作面采空区自然发火的防控，紧密结合矿井的煤层情况、通风方式、开采技术工艺等采矿地质条件，研究设计科学合理、技术经济的矿井工作面防灭火技术工艺及参数，建立综合防灭火系统，实现有效预防工作面采空区发火，保证工作面安全高效生产。