季朝阳
陕西麟北煤业开发有限责任公司 陕西宝鸡 721000
摘要：为研究确定高瓦斯易自燃煤层综放工作面合理有效的防灭火技术措施，针对园子沟煤矿高瓦斯易自燃煤层综放工作面自燃发火威胁，以1012001综放工作面为背景，在确定了煤层自然发火标志气体及临界值的基础上，综合采取了束管监测预报，以灌浆、注氮为主，配合喷洒阻化剂以及合理调整配风量、做好上下隅角封堵的措施，取得了良好的防灭火效果，保证了首采工作面的安全回采，同时也为矿井后续工作面回采期间防灭火提供了经验依据。
关键字：高瓦斯，易自燃，综放开采，综合防治，研究应用
引言
据统计资料表明，现有生产矿井中，具有煤层自燃危险性的高瓦斯矿井约占50%。在开采高瓦斯易自燃煤层时，时刻面临着瓦斯与火并存及耦合问题，对矿井高效安全生产威胁极大，而瓦斯治理与自燃防治往往是矛盾的。综采放顶煤开采采空区瓦斯积存量大，漏风严重，遗煤量大，工作面推进速度较慢，更增加了瓦斯与煤层自燃灾害的治理难度。研究高瓦斯易自燃煤层综放工作面综合防灭火技术，不仅为矿井后续工作面的回采提供灾害治理的实际经验，更对煤矿企业的安全高效生产具有重要意义。
1 矿井及工作面概况
园子沟煤矿属于高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量为43.25m3/min ，相对瓦斯涌出量为6.05m3/min；主采煤层2-1煤、2煤均为Ι类容易自燃煤层，最短自然发火期仅39天，煤尘具有爆炸危险性。
1012001工作面倾向长200m，东西走向长为2618m，2#煤层为主要可采煤层，平均厚度10.37m，倾角1至10°，沿工作面东西走向呈“W”型波浪起伏状。采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，采高为3.5m，放顶煤高度6.87m。工作面布置四条回采巷道，即辅运顺槽和胶运顺槽进风，一号回风顺槽和二号回风顺槽回风；另内错二号回风顺槽30m，距煤层顶板10～15m布置了一条高抽巷。
工作面采用“U”型全风压通风方式，目前配风量2000m3/min，日推进度3.2m，绝对瓦斯涌出量约25m3/min。综合采用了本煤层预抽、高位裂隙孔抽采、高抽巷抽采、上隅角插管抽采的方法治理瓦斯；采用了束管监测预报，黄泥灌浆、注氮、喷洒阻化剂的综合防灭火措施。
2煤层自燃监测技术
为了解煤层自燃发展状态确定相应的临界指标，公司与西安科技大学合作研究确定了煤层自然发火标志气体及临界值，建立了束管监测系统进行煤层自燃监测。
2.1 确定煤层自然发火标志气体及临界值
CO是煤氧化过程中出现最早的氧化气体产物，CO浓度随煤温单一递增，且基本符合指数关系。2#煤层CO变化的临界温度值为60℃左右，浓度为150ppm。
煤自燃氧化气体中烯烃组份有C2H6和C2H4，其总的变化趋势是随煤温的升高而逐渐增大。2#煤层煤样常温不含C2H4气体，而随后在高温阶段煤样裂解就出现C2H4气体。在实验温度超过105℃出现C2H6气体，并随着温度升高，煤样中吸附的C2H6气体逐渐裂解出来。因此，井下一旦发现乙烷或者乙烯，说明煤温达到甚至超过105℃。
C2H2气体作为煤自然发火的重要标志气体，2#煤层煤样产生C2H2气体初始浓度为1.72 ppm，初始温度为336℃，C2H2是煤进入燃烧阶段的标志。
.png)
图1混合煤样CO浓度与煤温间关系曲线图
2.2束管监测技术
矿井地面束管监测室设置1 套SG-2003S束管监测系统，该系统由工控机、抽气泵、采样控制柜、束管专用色谱仪、分析仪器柜、色谱数据处理器等组成，并配置系统分析控制软件。可通过自动取样与人工取样分析采空区、密闭区气体成分和浓度，实现对矿井自燃发火情况的监测。
1012001工作面在进风巷布置4路束管，回风巷布置5路束管，每两个束管监测取样点间距为30m，埋入采空区最远取样点距工作面150m，埋入采空区的束管使用2寸钢管作为保护套管。当埋入采空区内采样点O2浓度<5%，CO浓度稳定后，该采样点可提前停止采样。另外，由于工作面采用双巷布置，为保证超前封闭区防灭火安全，自闭墙向里每50m设一个束管观测点以做好超前封闭区自然发火情况预报工作。
3 综合防灭火技术研究应用
根据园子沟矿井实际开采条件及煤层自燃特性，综放工作面采用注浆和注氮防灭火为主，配合喷洒阻化剂，充分发挥各种防灭火技术的优点，确保矿井安全生产。
3.1 黄泥灌浆防灭火
矿井地面设黄泥灌浆站，安装一套ZK-60灌浆防灭火系统，制浆能力60-120m3/h，设计水土比为3:1，泥浆制成率0.88，每日工作时间6h。地面制浆站制好泥浆由泥浆池池底接出灌浆管，管路沿回风立井供至井下。灌浆管地面及井筒部分采用?159 无缝钢管，法兰连接；井下至工作面二回顺槽超前支护段灌浆管选用?133无缝钢管；二回顺槽超前支护段到埋入采空区部分使用φ108无缝钢管连接，管道内、外壁严格做防腐处理。
1012001工作面采用随采随灌的方法，每天利用早班检修时间对工作面灌浆450m3/min左右，黄泥将通过二回顺槽管路（迈步间距36m）向工作面上隅角采空区进行灌注。
3.2 注氮防灭火
矿井地面设制氮站，安装3套DTDG1500/8变压吸附碳分子筛制氮装置，其中2套工作，1套备用。每套制氮量1500m3/h，氮气压力>0.8MPa，氮气纯度≧97%。输氮管路干管选用1趟φ219×6无缝钢管，101盘区支管选用1趟φ159×4.5无缝钢管。
1012001工作面采用连续注氮的方式，工作面回采期间，氮气通过胶运顺槽预埋管路（迈步间距30m）向工作面下隅角采空区及超前封闭区进行24h连续注氮。
3.3 阻化剂防灭火
矿井使用1台BH-160/16-G防灭火液压泵，额定流量160L/min，额定压力16MPa。该设备安设于1012001工作面辅助联巷前，随回采移动。在工作面敷设一趟DN19高压胶管，每隔20m设置1 个三通，每个三通加设一根10m长DN19高压胶管，通过架间敷设至采空区，采用喷枪直接对架后浮煤连续喷洒阻化剂。采用氯化镁作为阻化剂，阻化剂的药液浓度可控制在15%～20 %之间。
3.4 其他措施
（1）积极开展采空区煤自燃“三带”分布规律研究。通过与西安科技大学合作，基本掌握了1012001工作面煤自燃“三带”分布规律，即散热带分布范围在采空区距离工作面22～25m以内，进风侧散热带宽度较宽；窒息带在距离工作面78m～90m以上的采空区深部。确定了工作面最小安全推进速度，以散热带到窒息带的最大距离（即氧化升温带宽度）Lmax=65m和采空区浮煤最短自然发火期39d为依据，得出首采工作面最小安全推进速度为1.7m/d。
（2）做好上、下隅角封堵。每班生产结束使用珍珠岩对工作面上、下隅角进行封堵，配合喷洒艾格劳尼，尽量减少漏风。
（3）合理调整高抽巷及上隅角抽采系统负压。根据瓦斯涌出情况，及时调整抽采系统负压，避免负压过大，威胁防灭火安全。
（4）保证放煤效果和及时清理支架间遗煤。
（5）合理控制工作面风量。根据实践效果，工作面风量控制在2800m3/min左右较合适。
5 防灭火效果考察
截至2020年11月工作面已回采约1360m，工作面回采期间未出现明显自然发火征兆。
工作面回风中检测到CO，浓度基本稳定在5ppm～10ppm；上隅角瓦斯抽采系统CO 监测值一般为10～15ppm；高抽巷瓦斯抽采系统CO监测值在抽采负压加大后一段时间内最大值达98ppm，后又稳定在50ppm左右，氧气浓度基本稳定在17%左右；上、下隅角采空区30～150m范围内一氧化碳浓度基本稳定在10～60ppm之间。
6 总结
通过对园子沟煤矿首采工作面煤层自燃危险性分析，结合实际开采条件，在满足瓦斯治理的基础上，通过加强煤层自燃发火预测预报，合理调控工作面配风量，做好上下隅角封堵，保证工作面最小推进度，综合采取灌浆、注氮、喷洒阻化剂措施，有效防止了煤层自然发火，保障了工作面安全回采。
当然，采取综合防灭火措施的同时也存在一些问题需要改进。一是必须考虑经济问题，应根据实际情况对防灭火措施参数进行优化，避免造成人力、物力的浪费。二是需加强工作面防灭火相关参数的分析，掌握实际生产条件下的煤自燃发火规律；三是加强复合灾害的治理，坚持以通风管理为基础，综合考虑瓦斯防治、防灭火。
参考文献
[1]刘松，蒋曙光，李亚东，等. 高瓦斯自燃矿井的综合治理技术［J］. 煤炭安全，2010（7）：54-56.
[2]马署，杨明涛，李晓华. 高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽采及防灭火技术实践［J］. 煤矿开采，2012，17（1）：83-85.
[3]刘兴，郝宇.高瓦斯易自燃煤层综合防灭火的防治研究[J].山西煤炭，2012，10：61-62.
[4]刘华锋.高瓦斯自燃煤层首采面综合防灭火技术研究[J].能源技术与管理，2017,02.
[5]刘振岭，姚飞，王学洋.综合防灭火措施在高瓦斯易自燃综放工作面的实践[J].煤矿安全，2009,06（032）.
[6]赵强，周玉金.复杂条件下综放工作面煤自燃防治技术研究[J].中国煤炭，2020，46（2）：62-65.
[7]余陶．采空区瓦斯与煤自燃复合灾害防治机理与技术研究［Ｄ］．中国科学技术大学，2014，91-93.
[8]王德明 ．矿井火灾学［Ｍ］．徐州：中国矿业大学出版社，2010．
作者简介：季朝阳（1994年4月——），男，汉族，陕西延安人，本科学历，助理工程师，主要从事“一通三防”技术管理工作。