煤层自燃发火的防治方法

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[摘 要]煤层自燃发火是矿井常见的灾害，为了更加科学有效地防治矿井煤层自燃，本文结合多年矿井煤层自燃的防治经验，阐述了煤层自燃发火的处理方法，可供类似矿井的防灭火提供参考。

[关键词]煤层自燃；防治方法；发火

中图分类号：TK 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）45-0385-01

一、前言

煤矿井下火灾通常是在有限的空间内发生的，由于供氧不足，产生大量有害气体，致使回风侧人员中毒死亡。矿内火灾按引起火灾的热源可分为外源火灾和自燃火灾两大类。煤层自燃发火与温度和氧气有关，也与煤的化学成分、煤岩成分有关。其中温度、氧气是煤层自燃的外因，煤的化学组成及煤岩成分是煤层自燃内因。近年来，随着普阳矿业开发有限公司煤矿生产任务的逐渐加大，其开采强度、开采面积、开采深度也陆续加大，矿区煤层自燃发火将日益严重。因此必须着手研究这一重大问题，以确保煤矿安全生产和可持续发展。

二、矿井概况

新疆普阳矿业开发有限公司煤矿井田位于和田市以南120km处，小型煤矿由于技术力量薄弱、安全设施不够完善、采掘机械装备水平低等客观条件的制约，事故隐患多。为相应国家煤炭产业政策，现将矿井设计生产能力由0.45 Mt/a升级改造到0.9Mt/a。矿井采用主、副斜井及立风井的开拓方式。井田内各煤层火焰长度100～>400mm，岩粉量65%～80%，均为有爆炸性煤层。井田内各煤层均属易自燃煤层，井田属于地温正常区，无热害影响。

三、煤层自然发火的防治措施

我国煤矿目前主要采用的防灭火工艺有氮气防灭火、灌浆防灭火、阻化剂防灭火、均压防灭火、凝胶防灭火等。本矿设计预防煤层自然发火采用以黄泥灌浆和氮气防灭火为主，喷洒阻化剂为辅的综合防灭火措施。

3.1 灌浆防灭火

本矿井开采煤层有自然发火倾向，为预防采空区自然发火，确保安全生产，设计采用预防性灌浆，灌浆采用随采随灌的方式。由于矿井产量较大，灌浆量大，为便于管理和提高效率，本设计确定采用集中灌浆系统。

（1）灌浆系统的选择

本次实施的井下防火灌浆部分采用黄泥灌浆。

（2）灌浆方法的选择

由于一个工作面的回采时间较长，为防止煤的氧化发火，宜采用随采随灌的工作模式，埋管灌浆的方法。从回风顺槽向工作面采空区灌浆。灌浆时应注意灌好两道、两线（即上下顺槽、切割眼和停采线），在采空区周围密封的泥浆带，以达到即保证灌浆效果，又减少水、土消耗的目的。在灌浆前应将灌浆区积水排出，以保证泥浆有很好的附着力，并保留足够的隔离煤柱以防止溃浆、透水。

（3）灌浆参数计算及选择

灌浆站工作制度与煤矿工作制度一致。预防性灌浆采用地面集中灌浆方式。

灌浆系统工艺流程：加压供水、拌制泥浆、灌浆及井下脱、排水五个过程。

灌浆方法为随采随灌，灌浆站工作制度与煤矿工作制度一致。

采用预防性灌浆措施，井下灌浆有关参数计算如下：

①日灌浆所需土量

Qt2=K（G/r）=0.1×（2727/1.44）=189.38m3/d

式中：G―矿井日产量，G=2727t；K―灌浆取土系数，K=0.1；r―煤的容重，r=1.44t/m3。

②日灌浆实际开采土量

Qt3=α・Qt2=1.1×189.38=208.32m3/d

式中：α―取土系数。

③灌浆泥水比的确定

根据国内类似矿井的经验数据，取为1：3。但是，根据该矿井实际情况调整灌浆泥水的比例。

④每日制浆用水量

Qs1=Qt2・δ=189.38×3=568.14m3/d，式中：δ―灌浆泥水比的倒数，δ=3。

⑤每日灌浆实际用水量：Qs2=Qs1×K水=568.14×1.2=681.77m3/d，

式中：K水―用于冲洗管路防止堵塞的水量备用系数。

⑥每日灌浆量：Q浆=（Qs1+Qt2）×M=（568.14+189.38）×0.91=689.34m3/d

式中：M―泥浆制成率，M=0.91。

⑦灌浆材料要求：颗粒小于2mm，粘土占60%～70%，塑性指数为9～11，含砂量为25%～30%（粒径为0.5～0.25mm以下），容易脱水和具有一定的稳定性。

（4）黄泥灌浆系统

灌浆材料采用黄土，水源为处理后的矿井水。在风井附近设地面固定制浆站，设计制浆能力60m3/h，采用随采随灌方法，每天1班作业，每班工作6h，可制浆量720m3/d。制浆站用水由矿井水处理站V=150m3清水池用来贮存与调节，然后通过2台SLW100-200B型灌浆给水泵（Q=87m3/h，H=38m，N=15kW）加压供水。

制浆站布置1套Q=60m3/h制浆设备，该设备主要由涡旋定量输送机（Q=40m3/h，N=15kW）、大倾角带式输送机（B500，N=15kW）、卧式制浆机（Q=60m3/h，N=11kW）、卧式滤浆机（Q=60m3/h，N=7.5kW）等组成。

灌浆管路选用φ108×5无缝钢管、卡箍件快速接头连接，管道从风井引入井下。根据设计灌浆量60m3/h计算，管道流速约2.13m/s，水力坡度按清水的2.0倍计约135‰。

3.2 氮气防灭火

设计采用固定式碳分子筛制氮机，对采空区实施预防性注氮，将纯度为98%的氮气注入采空区，注氮后采空区内氧气浓度不得大于7%。

注氮量计算按以下四种方法计算，并取其中最大值：

①按产量计算：QN=[A/（1440ρtn1n2）]×（C1/C2-1）=4.66m3/min

式中：QN―注氮流量，m3/min；A―矿井年产量，0.9Mt/a；t―矿井年工作日，330d；ρ―煤的密度，1.44t/m3；n1―管路输氮效率，取80%；n2―采空区注氮效率，取70%；C1―空气中的氧浓度，取20.9%；C2―采空区防火惰化指标，取7%。

②按吨煤注氮量计算：QN=5AK/300×60×24=8.52m3/min

式中：A―矿井年产量，900000t；K―工作面回采率，取0.9。

③按瓦斯涌出量计算：QN=QcC/（10-C）=0.9m3/min

式中：QC―工作面通风量，设计工作面配风量为900m3/min；C―工作面回风流中的瓦斯浓度，1%。

按以上三种方法计算后取最大值：QN=8.52m3/min，考虑1.3的安全备用系数8.52×1.3=11.08m3/min=664.80m3/h。

（2）制氮设备

本矿井开采煤层属瓦斯矿井。本着预防为主的方针，根据《煤矿安全规程》的要求，设计考虑对煤层自然发火进行综合防治，将拖管、间歇式注氮系统作为矿井防灭火的一种重要措施。

3.3 阻化剂防灭火

阻化剂选择、喷洒压注工艺系统及参数计算：

（1）阻化剂选择

设计选用阻化率较高的氯化钙（CaCl2），设计选用CaCl2的浓度为20%。

（2）喷洒工艺系统

设计采用半永久性喷洒压注系统，在+2693m水平回风石门布置一个储液池硐室，用砂浆砌成容积为2m3的储液池，选用1台WJ―24型阻化剂喷射泵，流量2.4m3/h，压力2～3MPa。将溶液用胶管送到回采工作面进行喷洒。

（3）参数计算

工作面一次喷洒量计算：

V=K1×K2×L×S×h×A×γ-1=0.81m3

式中：K1―易自燃部位喷洒药量增加系数，取1.2；K2―采空区遗煤容重，取0.9t/m3；L―工作面长度，150m；S―一次喷洒宽度，0.5m；H―采空区底板遗煤厚度，0.15m；A―吨煤吸药液量，0.07t/t；γ―阻化剂水溶液的容重，1.05t/m3。

四、 结束语

井下煤自燃火灾的的扑灭用哪一种方法，关键取决于地面及井下条件，多种方案要经过技术、经济、安全三方面论证，选择最佳、最有效，最经济的方法来防治火灾。在现场防治过程中应抓住重点，全面检查，做到早期预防、早期识别，把煤层自燃发火消灭在初期阶段。

作者简介

杜学渊（1963），男，本科，高级工程师，现就职于新疆煤矿设计研究院有限责任公司，主要从事采矿设计等方面的工作。