煤矿通风及工作面灌浆预防自燃发火研究应用
时间：2023-02-23 10:45:08 来源：千叶帆 本文已影响人
白可龙
（郑煤集团郑新公司东坪煤矿， 河南 郑州 452482）
煤矿日常工作所迈出的第一步便是通风安全技术，通风安全技术和巷道，尤其是采掘工作面，直接关系到整个煤矿的安全和煤矿日常工作的顺利进行[1]。
河南某矿2021 年煤层自然倾向性鉴定结果：15号煤层为II 级自燃煤层，煤层的自燃发火期为114～116 d 开采易自燃和自燃煤层的矿井，必须采取综合预防煤层自然发火措施。为确保矿井在正常生产过程中不发生煤层自然发火事故，研究矿井实际情况制定15301 综采工作面预防自燃发火安全技术方案。
河南某矿选用以灌浆为主，堵漏、喷洒阻化剂等为辅，同时加强管理与防火监测，并采用先进技术加快开采推进度的综合预防煤层自然发火方案。
2.1 黄泥灌浆
利用煤矿风井地面工业广场建设安装黄泥灌浆站，通过风井、东辅运大巷、西辅运大巷、北辅运巷、15201 联络巷、北回风巷、三采区回风巷、15301 回风巷外段、15301 回风顺槽铺设管路至工作面采空区对综采工作面采空区进行灌浆施工。灌浆方法采用回撤后灌浆，即回撤结束后，向采空区灌注黄泥浆预防煤层自然发火[2]。
2.2 灌浆依据
根据15301 综采工作面回采实际情况，煤层自然发火周期为114 d 以及我矿全年工作日为330 d 数据综合考虑，暂定每回采90 d 对15301 回采工作面灌浆1 次，每次灌浆时间暂定为8 h，每小时灌浆量为44.48 m3，每次灌浆量为355.84 m3。
若到90 d 灌浆周期，经自然发火预测预数据分析，未发现自然发火标志性气体，且无发火危险，可以不灌浆。但要做好日常自然发火预测预报工作。若需要灌浆时根据现场情况再做调整。
灌浆量计算根据MT/T 702-1997《煤矿注浆防灭大技术规范》矿井小时灌浆量按下式计：
式中：QW为矿井注浆量，m3/h；
k 为灌浆系数，取5%；
G为矿井日产煤量，取1 921 t；
δ 为土水比的倒数，取5；
M 为浆液制成率，取0.9；
rc为煤的密度，1.46 t/m；
t 为矿井注浆时间，取8 h。
矿井小时灌浆量QW=kG（δ+1）M/rct=44.48 m3/h。
15 号煤层15301 工作面黄泥灌浆量Q=QW×t=355.84 m3/次。
2.3 阻化剂灭火
2.3.1 机理
目前国内外使用的阻化剂大致有：吸水盐类阻化剂（如氯化钙、氯化镁、岩盐）、石灰水、水玻璃、亚磷酸脂、阻化剂与水混合成高浓度的液体，能抑制和起到防火作用。上述阻化剂的防灭火机理：增强煤在低温状态下的化学惰性，降低煤炭和氧的附着力；
液膜能填充煤块和煤的表面裂隙及煤柱内部裂隙；
提高煤体蓄水能力；
水分在蒸发过程中吸收煤体热量起到降温作用；
同时降低煤体氧化速度，延长自燃发火周期[3]。
2.3.2 阻化剂材料
阻化剂的选择原则：具有较高阻化防火效果好，来源广、易操作、成本低、无腐蚀性及无有害物质。目前在煤矿应用广泛的有氯化钙、氯化铝、氯化锌和氯化镁等氯化物有较好的阻化效果。本矿井选用氯化钙。
2.3.3 阻化设备
高压泵采用BH40/2.5 型高压泵，泵流量为40 L/min，额定工作压力为1～2.5 MPa，电机功率3 kW。液压泵由机座、防爆电动机、雾化泵和喷枪等部分组成，液压泵由防爆电机用V 带驱动液压泵，转速为700～800 r/min。液压泵在曲轴转动一个作用动作时，分别在三个活塞筒内进行三次吸液和排液。由于电机的连续运转，曲轴带动连杆连续推动滑块部件作往复直线运动，从而使液压泵连续工作。
压力表为直管标杆式，具有抗震动、耐疲劳、不易损坏等优点，能及时读出液压泵当前工作压力。
调压阀用来调节液压泵工作压力，通过顺时针旋转调压阀或者逆时针旋转调压阀来实现液压泵工作压力的调整，满足现场工作需要。
高压胶管干管直径为25 mm，长度为250 m。高压胶管支管为直径13 mm，长度为20 m。
2.3.4 阻化剂喷洒方式
应用阻化剂防火方式：压注阻化剂溶液、汽雾阻化、喷洒阻化剂溶液，根据矿井实际情况，进行汽雾阻化应用。
阻化汽雾预防工作面采空区煤炭自燃的工艺系统如如图1 所示。载有阻化剂水溶液矿车运动至工作面回风巷，防灭火液压泵沿高压软管将阻化剂溶液加压输送到雾化器进行喷洒，压力表实时监测控制输送压力。安装在工作面与运输巷交汇处的雾化器，以2.5 MPa 高压力喷出阻化汽雾，85%的阻化剂溶液被雾化为直径30 μm 的雾粒，并由矿井通风风流吹向采空区。为了防止雾化器喷咀堵塞，在供液管路中应装有自动过滤装置。
向采空区喷送雾状阻化剂之前，应进行采区内的阻力测定，确定其漏风量和漏风方向。
喷雾量的大小与采空区丢煤量成正比。其计算公式如下：
式中：V 为日喷雾量，m3/d；
K1为喷雾加量系数，取1.2；
K2为每吨遗煤喷洒气雾量，阻化剂浓度为20%，取0.02 m3/t；
d 为工作面采空区丢煤率，取5%；
γ 为煤的实体密度，15 号煤层为1.46 t/m3；
L 为工作面长度，取140 m；
h 为工作面煤厚，15 号煤层回采工作面采高4.02 m；
l为工作面日推进度，取3.15 m；
R 为气雾转化率，80%～90%，取85%。代入数据计算得V=3.7 m3/d。
1）根据实际情况安装了SG-2003 型矿井火灾束管多参数色谱监测系统。系统由安装在矿井地面控制中心的数据处理装置、抽气泵及敷设在矿井中的管缆及管路附件等构成。利用抽气泵和管缆将井下被测点气体信息取至地面进入气路控制装置，在计算机的控制下进行处理。依据长期连续监测矿井气体成份的变化趋势，可预报煤层的自燃发火。在15301 回风顺槽布置3 根1 芯束管，1 根测点在上隅角、一根测点在采空区、一根备用进行迈步式推进。两个束管监测取样点间距50 m，埋入采空区最远取样点距工作面为150 m，具体布置线路：地面监测站→立井→东回风大巷→北回风大巷→三采区回风→15301 回风外段→15301 回风→15301 上隅角→采空区。
2）构筑防火墙，在15301 回采工作面两顺槽口5 m 范围内构筑防火墙，墙体厚度为0.6 m，采用水泥、砖、黄沙等不燃性材料，墙体四周应与巷壁好、接实，掏槽深度不小于300 mm；
防火门采用内插拆口结构，板材厚度不小于30 mm，宽度不小于300 mm，板材要逐次编号排列摆放整齐；
防火门断面要符合行人、通风、运输要求；
指定专人定期进行检查维护。
河南某矿工作面防火采用以灌浆为主以及采空区注阻化剂的方案取得了良好应用效果。当煤层赋存条件好、生产接续推进速度快、不存在采空区与老空区连通等不利情况下，要及时调整采空区日常注浆量及阻化剂量以达到节约资源的目的。
但必须具备以下三个基本条件：一是通过采空区自然发火参数的观测研究，掌握了采空区氧化带分布范围、采空区气体惰化指标以及工作面最小推进行速度等参数，而且工作面实际推进速度大于工作面防火最低限度的推进速度基础参数；
二是矿井火灾监测监控系统运行完好，监测数据符合规程规定，而且数据稳定可靠；
三是加强装备维护保养以及作业人员培训，保证注浆、注阻化剂能够随时启动运行。
加强对漏风测定工作，如果存在工作面与地表相沟通的外部漏风通道，则在漏风的地表采用铺设黄土的方法，隔绝漏风裂隙；
如果小窑采空区与现有通风系统形成漏风通道，则需要加强对密闭措施的管理，增加严密性，加强观测。
煤炭工业的迅速兴起，使得生产运输煤矿的工业厂商日渐趋增。在煤矿开采过程中，采用更可靠的巷道通风安全技术，精准计算和分析，排查一系列内外危险，及时更新安全系统，应用精尖技术，才能保障煤炭企业正常的运作。
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