工作面火和瓦斯灾害综合治理技术应用

郑晋伟

（山西阳城阳泰集团西沟煤业有限公司，山西 晋城 048100）

1 工程概况

山西阳城阳泰集团西沟煤业有限公司井田位于山西省阳城县西北部。地面标高+53.28～ +52.56 m，工作面标高-315.6 ～ 378.2 m，走向长372.5 m，倾向长112.3 m，煤层倾角为3～10°，平均为7°，煤厚3.35～0.80 m，平均煤厚2.89 m，面积45 422.39 m2。煤层结构简单，属低灰低硫的气煤，普氏硬度为2～3。现开采+669 m 水平，开采深度一般在275～700m 范围内，低于800 m，不属于深部开采矿井。根据瓦斯涌出量测定报告，该矿属于高瓦斯矿井，绝对瓦斯涌出量和相对瓦斯涌出量分别为281.9 m3/min、20.12 m3/t。煤层的最大瓦斯压力和煤层瓦斯含量分别为0.15 MPa 和4.98 m3/t,无煤与瓦斯突出危险，矿井火灾和瓦斯问题始终威胁着矿井的安全生产。根据ZRJ-plus 型煤自燃倾向性测定仪鉴定该矿煤层的自燃倾向性，煤的吸氧量为0.61 cm3/g，大于0.40 cm3/g 小于0.70 cm3/g。按照自燃倾向性等级判定规则，其等级为Ⅱ类，煤层的自燃倾向性为易自然煤层。为了消除瓦斯和火灾威胁，必须做好工作面瓦斯治理和防灭火相关的工作[1-3]。

西沟煤业3308 工作面顶煤较为破碎，工作面的推采速度较慢，上隅角后方采空区出现高温异常区域，工作面隅角CO 浓度达到47 ppm，工作面面临着自然发火导致矿井火灾的危险。该工作面范围内具有十分复杂的地质环境，工作面在过断层等构造地段，存在瓦斯涌出量突增的可能，极易发生火与瓦斯复合灾害。鉴于此，该工作面有必要及时采用针对瓦斯和火灾的治理技术，以保证工作面的安全回采。

2 火和瓦斯灾害综合治理技术

（1）瓦斯抽放系统

根据工作面瓦斯涌出情况，采用边采边抽相结合方式抽放回采工作面采空区瓦斯。考虑综放工作面瓦斯抽放泵安装位置及负压管路长度等因素。在满足泵流量的服务年限达到最大瓦斯抽放量以及抽放泵出口正压需求的基础上，确定选用抚顺煤科院生产的流量85 m3/min、负压81 kPa 的ZWY-85/160A 型矿用移动式瓦斯抽放泵站。瓦斯抽放系统如图1 所示。

图1 工作面瓦斯抽放方式

（2）注氮管路铺设

在进风顺槽布置注氮口，在工作面上隅角处埋设注氮管路向采空区注入氮气。氮气在采空区形成氮气惰化带，将氧气排出去并且还能够吸收热量，进而降低温度，达到降低煤自燃的可能性。另外大量的氮气还可以在采空区内营造正压的环境，减少工作面漏入采空区的风量，使采空区内氧气浓度降低，同样也可以达到抑制遗煤自燃的效果[4-5]。采用墙内注氮的方法，注氮孔布置在密闭墙内，利用密闭墙预留的注氮管向采空区压注，注氮管路尺寸为Φ108 mm 钢管。采用封闭式连续性的方式注氮，在此期间可视情况随时合理调整为间断性注氮。

考虑到向采空区注入氮气含量的大小，采用了间断式瓦斯抽放方式。另外，由于每小时的注氮量小于瓦斯抽放量，所以要先进行注氮，之后再实施抽放工作。当抽放量临近注氮量时，停止抽放，待一段时间过后再抽放。具体的注氮参数如表1 所示。

表1 采空区注氮参数表

（3）采空区有害气体置换技术

为了及时掌握工作面的有害气体置换情况[6]，在3308 综放工作面上隅角设1 路监测点，下隅角设3 路监测点，主要用于收集瓦斯、氧气和一氧化碳浓度的变化情况。监测点布置示意图如2 所示。监测装备有KSS-2100煤矿自然发火束管监测系统、KJ95N 安全监控系统。每间隔5 个支架为一个点，到50#架。监控设备电源取自被控开关电源侧，远程断电器控制工作面总电源的开关，馈电器设置在被控开关的负荷侧。

在工作面回风隅角、工作面、工作面回风巷、抽排瓦斯风筒出口等处设置瓦斯传感器。在工作面回风巷道的上方风流稳定处设置垂直悬挂的一氧化碳传感器，与顶板的间距小于300 mm，距离巷壁大于200 mm，距轨道顺槽与胶带顺槽联络巷10～15 m。同样在工作面回风巷道上方风流稳定的位置处设置垂直悬挂的温度传感器，该传感器到达顶板(钢梁)的距离不能超过300 mm，距巷壁的间隔不低于200 mm。

3 治理效果分析

通过布置在工作面上隅角1 路监测点，下隅角3 路监测点，收集采空区有害气体置换工作中的各气体组分与浓度的数据，在抽放采空区瓦斯的过程中，分析采空区内气体成分和温度等的变化。

通过对图3～图5 的分析，回风隅角瓦斯浓度下降较快，从0.153 ppm 下降到0.031 ppm，未出现超限的现象，这也在一定程度上减少了瓦斯灾害。进风隅角的3#束管测定的一氧化碳浓度下降最快，由5.01 ppm 下降到1.56 ppm。在回风隅角部位，采空区氧气浓度始终保持在5%左右。这样的环境无法达到煤自燃的条件，可得出瓦斯抽放、注氮、采空区有害气体置换技术的实施，得到了较为理想的治理效果，有效地杜绝了采空区煤炭的自燃，遏制了瓦斯带来的灾害。

图3 瓦斯浓度变化趋势图

图4 一氧化碳浓度变化趋势图

图5 氧气浓度变化趋势图

4 结论

（1）对工作面瓦斯和火灾治理后，综放面内瓦斯浓度不断下降，减少了瓦斯超限的危害，保障了工作面的安全。采空区回风隅角处氧气浓度保持在5%左右，有效地避免了遗煤自燃导致的火灾。

（2）通过采用瓦斯抽放、注氮与采空区有害气体置换技术等一系列治理措施，瓦斯浓度、一氧化碳和氧气浓度均下降，并保持在安全范围内。工作面火和瓦斯灾害治理工作取得了不错的效果，能够防患于未然，保障煤矿的安全生产。