开采易自燃煤层综合防灭火技术探索
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【摘 要】文章分析了20多年开采历史上没有发生煤层自燃发火的原因，提出了因开采位置、深度不同，煤层发火的条件有可能发生变化，煤层自燃亦有可能发生，指出采取可靠、灵活的现代化防灭火技术措施，防止煤层自燃发火的预防是必要的。
【关键词】煤层防灭火技术探索；措施
一、概述
陕西煤炭建设公司在黄陵店头镇与双龙镇之间有三个小煤矿，分别是陕西双龙煤业开发有限公司、陕西苍村煤业有限公司、陕西瑞能煤业有限公司，开采的煤层为中侏罗统延安组，主要可采煤层为2号煤层，厚度在1.3米～2.93米，平均1.65米，煤层埋藏深度在60～250米范围，煤层倾角2°～3°，煤层结构简单，夹矸1～3层，厚度一般0.1～0.35米，岩性多为泥岩和粉砂岩，全硫含量为0.21%～1.80%，平均0.47%，磷0.013%～0.497%，平均0.11%，2号煤层为中灰、低硫。2006年煤的自燃倾向性鉴定采用“吸氧法”，二号煤层由原来的不易自燃煤层被鉴定为易自燃煤层。
各煤矿回采工艺为走向长壁采煤方法，矿井通风采取U型通风方式，采煤工作面最长推采时间为9个月，开采20多年以来，煤矿井下没有发生煤的自燃发火的历史。历史上一直采取采空区及时密闭根绝氧气的方法，防止煤层自燃。
二、煤矿井下未发生煤层自燃原因分析
各煤矿开采的煤层虽然被鉴定为易自燃煤层，但各矿井采取U型通风方式，工作面采用后退式开采，开采的是单一的、煤层厚度均在3.0米以下，一次开采全高，采空区基本没有遗留浮煤，个别地点少量的浮煤堆积厚度不足0.5米，无法积蓄发热量，采空区以上山体较厚，煤层顶板垮塌后很少与地面联通，所以采空区漏风很小，供氧气条件不足，采空区没有自燃的客观条件。
另外，各煤矿工作面都较短，工作面开采均在9个月以内，按照矿井初步设计提供的自燃发火期为8～10个月，满足在“自燃发火期以内能采完，并能及时予以封闭。
因开采顺序是采区前进式，开采的深度在逐步加深，加之矿井通风系统越来越复杂，煤层覆盖层厚度也发生变化，矿井温度及内部漏风增大，按照现行的鉴定办法，煤层被鉴定为易自燃煤层，以上条件发生变化，煤层自燃亦有可能发生，因此，应该考虑煤层自燃发火预防措施。
2006年起，国家按照《MTT 707-1997煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》鉴定煤的自燃性能，各煤矿开采的煤层被鉴定为易自燃煤层，这样矿井的防灭火设施与国家的现行规定存在很大差距，为了确保安全生产，坚持安全管理以预防为主的理念，在矿井防止煤层自燃发火上采取了以下措施：
（一）灌浆防灭火系统
1．我公司所属的矿井无法建设地面灌浆防灭火系统，主
要原因如下：一是公司所属的矿井位于少地及天然林保护区（陕西省黄陵县林业局便函：黄林便字[2011]第18号），黄土资源、粉煤灰等灌浆主要材料无法解决，如果外运经济成本巨大。二是公司各煤矿井田位于山地，沟谷纵横，地面灌浆系统布置困难。三是各煤矿灌浆用水难以解决。四是各煤矿煤层赋存较浅，加之地面条件的限制，可以布置管路的地点，输送倍线过大，泥浆输送受阻，容易发生堵管。
2．各煤矿由于无法建设地面灌浆防灭火系统，但考虑到灌浆又有很多优点，我们配置了井下移动式灌浆系统。为了有效节约黄土与水资源，在移动式灌浆系统中配置了三相泡沫发泡装置，可以适用于煤矿井下快速扑灭和高效防治煤炭自燃火灾。三相泡沫的发泡倍数为原浆量的30倍，可以大量节约土地资源与水，又利用了粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火，提高了防灭火的有效性。泡沫堆积不会发生溃浆，没有安全隐患。
（二）工作面注氮系统
1．设计依据。（1）煤层采高：平均可采厚度2.4m。（2）采煤方法：倾斜长壁综采一次采全高。（3）工作面长度：150m。（4）工作面年推进度：1426m／a。（5）采区回采率：80%。（6）煤的容重：平均1.25t／m3。（7）工作面风量：15m3/s。（8）注氮防灭火惰化指标：注氮后采空区内氧气浓度≤7%；火区内氧气浓度≤3%；注氮抑制瓦斯爆炸，其采空区氧气浓度指标应＜12%。
2．注氮量计算。设计根据《采矿工程设计手册》注氮防灭火计算公式，采用工作面产量、吨煤注氮量、瓦斯量和采空区氧化带氧浓度等计算方法进行计算，取其最大值。
（1）按产量计算。此法计算的实质是在单位时间内注氮充满采煤所形成的空间，使氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，其经验计算公式为：QN=[A/（1440ρtn1n2）]×（C1/C2－1）=[540000/（1440×1.25×330×0.98×0.80）]×（0.208/0.07－1）=2.28 m3/min=137 m3/h。式中：QN—注氮流量，m3/min；A—年产量，t，取540000t；T—年工作日，取330d；ρ—煤的密度，t/m3；1.25；n1—管路输氮效率，0.98%；n2—采空区注氮效率，80%；C1—空气中的氧浓度20.8%；C2—采空区防火惰化指标，可取7%。
（2）按吨煤注氮量计算。此法计算是指工作面每采出1t煤所需的防火注氮量，根据国内外的经验，每吨煤需5m3氮气量，按下式计算注氮流量：QN=5AK/（330×60×24）=5.4m3/min=324m3/h。式中：QN—注氮流量，m3/min；A—工作面年产量，540000t；K—工作面回采率，95%。
（3）按瓦斯计算。QN=QcC/（10－C）=900×0.01/（10-0.01）=0.90m3/min=54m3/h式中：QN～注氮流量，m3/min；Qc～工作面通风量，900m3/min；C～工作面回风流中的瓦斯浓度，取1%。
（4）按采空区氧化带氧浓度计算。此方法计算将采空区氧化带内的原始氧气浓度降到防灭火惰化指标以下，按下式计算：QN=[（C1-C2）QV]/（CN+C2-1）=[（13%-7%）×3.0]/（97%+7%-1）=4.5m3/min=270m3/h。式中：QN—注氮流量，m3/min；QN—采空区氧化带的漏风量，m3/min；C1—采空区氧化带内原始氧浓度（取平均值）；C2—注氮防火惰化指标，取7.0%；CN—注入氮气中的氮气浓度。
综合以上计算，取最大值为324m3/h。根据《采矿工程设计手册》的要求，取1.2的安全备用系数，需要的注氮量为389m3/h。
3．设备选型。设计选用1台高压吸附碳分子类，井下移动式制氮装置对采空区进行注氮防火。该设备产气量为400m3/h，其浓度不低于97%，所产生N2压力为0.65MPa，电机功率为132kW，电压660V。
（三）喷洒阻化剂系统
安装1台BH-160/12.5-G型的煤矿用防灭火泵站。
表1 煤矿用气雾阻化泵站主要技术参数
该喷洒装置，喷射泵选用泵体小、重量轻、运带维护方便、操作简单的轻便型喷射泵，配套设备有Φ50mm的输送胶管及闸阀、喷枪、压力表、流量计等压注设备。该喷洒阻化剂系统为机动性喷洒压注系统。
（四）束管监测系统
矿井为低瓦斯矿井，煤的自燃倾向性为容易发火煤层。为提高矿井火灾监控水平，矿井目前安装有KSS－200型煤层自燃火灾束管监测系统。
KSS－200型煤层自燃火灾束管监测系统在微机控制下可将井下任意地点的气体，通过已敷设的束管连续不断地抽至井上气相色谱仪中进行精确分析，实现对CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2、O2、N2等气体含量的在线监测，其分析结果用实时监测报告、分析日报表两种方式提供给有关人员的同时，自动存入数据库中，以便今后对某种气体含量的变化趋势进行分析，预报煤炭自燃的趋势；预测预报发火点的温度变化。
该系统结合了色谱监测的高灵敏度，束管采样直接、无污染，微机控制、自动化程度高的优点，在运行过程中稳定、高效、操作简便，24小时在线检测，实现无人值守。如CH4≥1.0%，CO≥0.0024%，O2≤20%，CO2≥0.5%，及时启动防灭火设施，消除井下火灾隐患。
四、防止煤层自燃综合防灭火措施的特点
1．选用的设备均是目前在煤矿防灭火中应用广泛、技术先进的设备。
2．选用的防灭火设备均为移动式，布置灵活，使用灵活方便，可以组合使用，亦可以单独使用；根据煤层自燃程度，可以灵活使用不同的设备，能够安全开采。
五、结语
火灾是煤矿重大灾害事故之一，煤矿井下由于空间限制，一旦发生火灾损失往往是很严重的；煤层自燃是煤矿发生火灾的主要因素，采取得力措施预防煤层自燃发火是防止煤矿火灾的有效途径。
在开采过程中虽然未发生煤层的自燃现象，但仍然要加强防灭火管理，防止煤层自燃发生；随着矿井开采深度的延伸，采取可靠、灵活的现代化防灭火技术，防止煤层自燃发火的预防是必要的。