1、附录A塔山矿石炭系特厚煤层综采放顶煤防治自然火灾的实践摘要文章以大同煤矿集团公司塔山矿8102工作面为工程实例，介绍了针对8102工作面存在的煤层厚(平均厚度l7m)、自然发火期短(最短自然发火期64d)、产量大(最高月产达100万t)、采空区遗煤多等特点，实施的束管火灾监测、注氮防火、黄泥灌浆等防灭火系统和堵漏风防火措施等情况，并对各项措施的适用条件和实施效果进行了系统分析和总结。通过该面一年的防火实践。基本掌握了工作面“三带”分布状况、工作面CO变化规律，形成了一套以“注氮为主、堵漏为辅、停采预灌”的采空区自然发火综合防治技术，解决了综放开采方式采用单一技术治理采空区自然发火达不到预期效果
2、的难题，有效的防止了采空区遗煤自燃事故的发生，保障了特厚易燃煤层综放工作面的安全开采。1 概 况1.1矿井概况塔山矿为大同煤矿集团公司的新建矿井，矿井设计能力为15Mta，井田范围东西走向长17222084km，南北倾向长9361256km(平均117km)，井田面积17091km。(图1)。矿井开拓方式为平硐分区式开拓，主、副平硐位于工业广场内；矿井投产初期一盘区进、回风井位于盘道村风井场地内；生产后期，在雁崖、挖金湾和王村现有场地内布置进、回风立井，形成分区通风的开拓布局。图l投产初期巷道布置示意图井田内共有可采煤层5层，分别是石炭二叠系山西组4。煤层及石炭二叠系太原组2、3、5和8。煤层
3、，煤层倾角小于5。主要可采煤层为石炭系太原组35煤层和8煤层。井田内可采贮量总计为3163Mt，其中主采层35和8。煤层可采储量2182Mt，矿井服务年限为140a，其中35煤层服务年限为68a。 全井田分两个水平开采，前期第一水平(+1070m)开采35煤层，后期第二水平(+1030m)开采8煤层。 矿井瓦斯相对涌出量为11m3dt，为低瓦斯矿井；煤尘具有爆炸性，爆炸指数为370A，；煤层属易自燃煤层，经验发火期612个月，计算发火期为64d。12工作面概况8102工作面为塔山矿首采工作面，2006年6月6日开始试产。该面布置在一盘区35#煤层。工作面开采区域煤层厚度为1322m，平均17m
4、，煤层倾角310。该面通风方式为“U”形通风，运输巷断面呈矩形，宽度为55m，高度3：3m断面1815m。，回风巷呈矩形，宽度为52m，高度35m断面182m。工作面倾向长度230m，走向长度1500m，开采长度1300m。采煤方法为综采放顶煤，回采35m，放煤高度135m，设计年产原煤06Mr，设计配风量为2000m3min实际配风量为2800mmin，工作面瓦斯相对涌出量为115mt。2工作面自然发火隐患分析1)8102综放工作面开采的是35#煤层，属易自燃煤层，在掘进1030辅助运输巷道过程曾出现过落煤发热现象，实际发火期比计算的要短。2)煤层厚，放煤量大，工作面推进速度相对较慢(一般日
5、推进45m)，造成采空区氧化带氧化时间较长，给采空区自然留下了隐患。3)煤体破碎、松散，采空区遗煤较多，遗留在采空区的浮煤极易氧化蓄热。4)工作面配风量较大，为工作面防火带来了难度。3 工作面自然火灾防治对策针对8102工作面具体情况，采取的防火技术措施是：采用自然发火预测预报技术观测采空区三带分布；对氧化带实施埋管注氮；在上下端头采取堵漏风措施；停采期间进行针对性灌浆和采空区预灌。3.1 建立煤层自然发火预测预报系统煤层自然发火预测预报系统采用地面色谱束管火灾监测系统、人工取样地面色谱分析和便携式检测相结合的方式，对工作面进行自然发火预测预报。3.1.1建立地面色谱束管火灾监测系统 煤矿安全
6、规程要求，采用氮气防灭火必须有能连续不断地检测采空区气体成分变化的检测系统，能够准确地监测采空区和火区的气体成分的变化及其态势，准确进行自然发火预测预报。放顶煤采空区发火隐蔽性较强，一般不易发现，只有及时监测采空区发火征兆，才能为采取相应的防灭火措施提供依据。因此，首先在8102工作面建立井下火灾束管监测系统。3.1.2采空区束管测点的布置日常监测采空区自然发火的情况下，束管系统在8102面设置了3个测点分别为：8102综放工作面进、回风侧采空区和上隅角(束管布置见图2)。当工作面推进1015m，采用6钢管作套管，分别在进、回风巷沿采空区各埋设一趟取气管路，当埋入采空区50m后，再埋第二趟，如
7、此交替埋设，直至工作面采完。埋入采空区的束管管口取样点处，用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤堵塞束管取样口。图2 8102综放面束管测点布置示意图2813.1.3人工检测安排人工榆测是每班派专人使用光干瓦检仪和便携仪巡回检测工作面、上隅角、回风巷等处的0：、CH。、C0和放顶煤温度，发现问题及时采取相应措施进行处理。3.2建立注氮防灭火系统氮气防灭火技术的实质是将氮气送入采空区氧化带，使该区域空气惰化，将氧气浓度降低到煤自然发火的临界浓度(7)以下，以抑制煤的氧化自燃。3.2.1制氮能力的计算氮气防灭火技术的实质是将氮气送入采空区氧化带，重点是将采空区氧化带进行惰化，使氧含量降到阻止煤炭氧化自燃
8、的临界值以下，从而达到使氧化带内的煤炭处于不氧化或减缓氧化的状态。按煤炭氧化自燃的观点，采空区气体组分中除氧气外，氮气、二氧化碳等均可视为惰性气体，对煤炭的氧化起抑制作用。氧气是煤炭自燃的助燃剂，注氮后采空区氧化带内氧气浓度的高低反映出注氮效果的好坏，因此把氧含量临界值作为惰化指标是合理的。根据国内外实验研究表明：当空气中氧含量降到710时煤就不易被氧化，我国煤矿安全规程也明确规定，注氮后采空区氧化带内氧含量应小于7。工作面防火注氮流量的大小主要取决于采空区的几何形状、氧化带空间大小、岩石冒落程度、漏风量大小及采空区内气体成分的变化等诸多因素。1)按采空区氧化带氧含量计算采空区注氮流量 QN=
9、60* QO*k(C1-C2)/(CN+C2-1)=602013(0.15-0.17)/(0.97+0.07-1)=3120式中QN注氮流量，m3h； Q0采空区氧化带内漏风量，现取20m3min； C1采空区氧化带内平均氧浓度，取15： C2采空区惰化防火指标，取7。 CN注入氮气中的氮气浓度，97。 K备用系数，一般取12l.5，现取13。2)按产量计算采空区注氮流量按产量计算的实质就是向采空区注入一定流量的氮气，以惰化每天采煤所形成的空间体积，使其氧气浓度降到惰化指标所需要的注氮流量:QN=kA(C1/C2-1)/24 pN1N2t=1.36000000(0.209/0.07-1)/24
10、1.30.90.7300=2626式中QN注氮流量，m3h； A年产量，取6000kta； t年工作日，取300d； p煤的密度，取13tm3； Nl管路输氮效率，一般取O9； N2采空区注氮效率，一般为03一O7取07； C1空气中的氧含量，取209； C2采空区防火惰化指标，规程定为7。 K备用系数，一般1315，取13。3)按吨煤注氮量计算采空区注氮流量此法计算是指综放面每采出一吨煤所需要的防火注氮量。根据国内外的经验每吨煤需5m。氮气量，按下式计算注氮流量：QN=5A/24t=56000000/24300=4166式中QN注氮流量，m3h； A年产量，600万t。 4)按瓦斯涌出量计算
11、采空区注氮流量 QN=60Q0C/(10-C)=6026000.2/(10-0.2)=84式中QN注氮流量，m3h； Q0综放通风量，工作面通风量2600m3min； C综放面回风巷瓦斯浓度，按02计。3.2.2防灭火注氮流量的计算防灭火注氮流量的计算见表1:表1 防灭火注氮流量的计算通过上述计算，依据国内外应用氮气防灭火的经验，结合塔山矿8102综放工作面的开采条件，将防灭火注氮流量确定为3000m3h。依据确定的防灭火注氮流量，决定在地面安装3台1000 m3h制氮机，其中2套运行，l套备用，当采空区出现火灾时则3套同时运行。2.3工作面输氮管路铺设及注氮方法8102综放工作面采用开放性注
12、氮，采用埋管注氮工艺。具体作法是：在8102综放面的进风侧沿采空区埋设一趟中150的注氮管路。当埋入一定深度后开始注氮，同时又埋入第二趟注氮管路(注氮管口的移动步距通过三带考察确定)。当第二趟注氮管口埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时向采空区注氮，同时停止第一趟管路的注氮，并又霞新埋设注氮管路，如此循环。在实际注氮过程中。管路交替埋设的步距一般为50m e，注氮量方式根据对火情的预测情况，当工作面推进正常的情况下采取间断性注氮，即每天注氮不少于12h，当工作面因故推进度慢时则采取连续性注氮，即每天注氮24h。3.3建立黄泥灌浆防灭火系统由于8102综放面开采煤层倾角小于50，工作面倾斜长度达
13、230m，如果日常采用注浆防火，很难保证浆体能够将采空区全部覆盖。因此，建立的黄泥灌浆系统主要作用：一是在工作面发生火灾异常时进行灌浆；二是为工作面停采撤架期间，对停采线及密闭后的采空区进行灌浆充填。3.4堵漏风防灭火措施在开采过程中，分别在工作面上、下隅角挂风帘，同时工作面每推进50m用土袋构建挡风墙，以控制采空区漏风，降低氧化带宽度，以利于防治采空区自然发火。3.5封堵回填裂缝裂隙由于大同矿区顶板坚硬，采空区顶板一旦垮落都会在对应的地面出现裂隙和裂缝，将会给遗留在采空区的浮煤提供充足的供氧条件，很容易导致浮煤自燃。因此，当地面出现裂隙和裂缝时及时进行封堵和回填。3.6异常情况下的强化措施1
14、)当采空区或工作面上隅角出现少量的CO气体，浓度不超过24ppm时，可判定浮煤处于缓慢氧化阶段时，必须保证每天16h向采空区注入氮气。2)当采空区或工作面上隅角出现ppm级的C2H4。和C2H2气体时，可判定浮煤处于剧烈氧化阶段时，必须保证每天24h向采空区注氮。3)当工作面因故停采和推进速度缓慢时，则加强上、下隅角和支架上方自然发火预测预报工作；同时保证每天应向采空区氧化带进行连续24h注氮。3.7停采期的防火措施8102工作面从试生产开始，生产过程基本正常，到2007年6月20日，该工作面已采出1200m，剩下lOOm进入停采准备阶段，在此期间不再放顶煤，为了确保8102综放面的安全撤架。
15、制定了停采撤架期间的专项防火措施。1)为强化注氮防火效果，特在井下增加安装一台能力为IOOOmh的制氮机，以对地面注氮能力进行补充。2)为缩短采空区氧化带的宽度，8102工作面从不放顶煤开始，逐步实施减风降压措施，2007年7月15日已将配风量降到2500m。minc3)在停采准备期间，在工作面上下端头每隔20米施工一道土袋墙，以减少采空区漏风。4)进入停采期以后，在进回风巷开始不问断向采空区灌浆，要求每小时灌浆量不得小于lOm3黄土。由于工作面馈浆原因，注浆量控制在不馈浆标准。5)工作面停采后、撤架前，从工作面上下端头向顶板裂隙带打扇形注浆孔灌注黄泥浆，在工作面落山角里侧形成一道泥浆幕屏障，以起到堵风防漏、降温防火的作用。通过实施上述措施，在停采准备期，工作面回风流的CO气体浓度一直控制在820ppm，起到了良好的防火效果。4 81
