煤矿防灭火技术方案0706酸刺沟

酸刺沟煤矿综放工作面采空区自然发火预测预报及综合防治技术研究实施方案伊泰集团酸刺沟煤矿有限责任公司葫芦岛工大迪安科技有限公司辽宁工程技术大学2012年5月22日目 录1 矿井基本情况12 工作面概况23 6上107综放工作面的特点和火灾防治的难点34 主要研究内容44.1 基础研究44.2 矿井综合防灭火技术研究95 预期研究或工作目标106 矿井火灾防治技术实施方案106.1 建立煤层自然发火预测预报系统106.2 建立注氮防灭火系统166.3 二氧化碳防灭火技术206.4 建立粉煤灰注浆防灭火系统236.5 建立阻化剂防灭火系统266.6 漏风探测施工方案306.7 堵漏风防灭火386.8 采用多层采空区流场局部动态平衡技术487 火灾防治措施497.1 日常防火措施497.2 有针对性的防灭火措施498 防灭火相关管理措施519 所需设备资金概算汇总5110进度安排511 矿井基本情况酸刺沟矿井位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗沙圪堵镇东27km处，井田位于准格尔煤田中部，南部详查区西北角，行政区划隶属鄂尔多斯市准格尔旗哈岱高勒乡。地理坐标范围为：东经11110151111445北纬394045394445本区交通以公路为主，铁路为辅。呼(和浩特)鄂(尔多斯)高速公路自呼和浩特市开始，经黄河大桥通过薛家湾镇至鄂尔多斯市。目前呼和浩特与薛家湾镇段已建成通车，薛家湾镇与鄂尔多斯市段公路正在建设之中。薛魏公路从井田中西部南北向通过，路面为二级柏油路面，由薛魏公路向北至薛家湾约17km，由薛家湾经呼大公路向北至呼和浩特市约118km，向西经109国道至鄂尔多斯市约150km。向东经和林县到清水河县约180km。大准、准东铁路及已开工建设的呼准铁路在矿区的北侧通过，矿井距大准铁路唐公塔集装站约22km，距准东铁路敖包湾站约16km，准东铁路沙圪堵站至乌素沟站现已建成通车。设计中的准能黑岱沟露天矿铁路专用线（南坪支线）从井田东北角通过，矿井交通非常便利。井田内可采煤层共5层，即4、5、6上、6、9号煤层，其中主要可采煤层为4号煤层、6上煤层和 6号煤层；5号煤层是井田内次要可采煤层。9号煤层为零星可采的极不稳定煤层。表1.1 可采煤层特征表煤层编号煤层自然厚度（m）可采纯煤厚度（m）煤层间距（m）夹矸层数稳定性对比可靠程度可采情况4较稳定可靠大部可采5不稳定基本可靠局部可采6上较稳定可靠全区可采6较稳定可靠全区可采9极不稳定基本可靠零星可采据酸刺沟煤矿井田概况及地质特征，1、瓦斯：本区瓦斯成分以N2、CO2为主，无CH4。自然瓦斯成份中甲烷（CH4）0.00%，二氧化碳（CO2）11.91%77.69%，氮气（N2）22.31%88.09%，瓦斯带分带属CO2N2带。根据南部详查勘探区瓦斯样测定资料，瓦斯含量较低，属于瓦斯矿井。但随着开采深度的加深，瓦斯涌出量会有所增加。2、煤尘爆炸：井田内煤层煤尘爆炸指数在34.92%46.05%之间，据煤尘爆炸性鉴定结果：当火焰长度为10400mm时，抑止煤尘爆炸最低岩粉量为10%65%，煤尘有爆炸危险性。3、煤的自燃：井田内各可采煤层煤的变质程度低，挥发分高，丝炭含量高，吸氧性强，且含有黄铁矿结核或薄膜，煤层易发生自燃。据近年来对部分电厂用煤调查结果，准格尔煤田各煤层的自然发火期一般为4060天。4、地温：恒温带深度5080m，温度617，一般为12，388m深度时温度14.2，本区属于地温正常区域，无地热危害。酸刺沟煤矿于2008年8月竣工建成，同时开始试生产，核准年生产能力为1200万吨，井田面积49.8178平方公里，资源保有储量为139,552万吨。2 工作面概况6上107综放工作面开采煤层6上煤，东邻6上109工作面；北邻南坪沟水源地；西邻6上105-1和6上105-2采空区及构造保护煤柱；南邻6上煤井田边界构造保护煤柱；煤层埋藏深度170m240m。工作面辅运顺槽侧111m部分从1648m处至主回撤通道全部位于4109采空区下方。工作面走向长度2225m，倾斜长度245m，面积m2，开采煤层厚度10.97m，煤层倾角05。图2.1 6上107工作面平面图工作面采用综采放顶煤一次采全高，机采高度：3.8m；放煤高度7.17m；工作面可采期=工作面走向长度/设计月推进长度=2225/252=8.83月。其中，月推进长度252m按如下计算：循环进尺0.7m，日割煤12刀，每月30天。6上107胶运顺槽巷道形状和规格：矩形，宽5.4m、高3.4m，断面为18.36m2。巷道支护形式：锚杆、锚索、网片、钢筋梯子梁联合支护。6上107辅运顺槽巷道形状和规格：矩形，宽5.2m、高3.4m，断面为17.68m2。、6上107开切眼巷道形状和规格：矩形，宽9.8m、高3.4m，断面为33.32m2，长度244.7m。巷道支护形式：锚杆、锚索、网片、W形钢带、木点柱联合支护。3 6上107综放工作面的特点和火灾防治的难点6上107综放工作面的特点：（一）6上煤层自燃倾向性属易自燃等级；（二）煤层厚度大，平均煤厚10.97m，综放开采导致采空区遗煤连续且覆盖范围大；（三）煤层埋藏较浅，地面凹凸不平，黄土覆盖层厚度变化大，极有可能与地表形成塌通，造成漏风引发采空区遗煤自燃；（四）上下区段之间留有30米保护煤柱，保护煤柱内隔一段距离留有联络巷，回采下区段工作面时要对联络巷进行密闭封堵，密闭的巷道断面大，受矿山压力的影响很难保证其完整性和并防止其漏风，并且保护煤柱也可能由于矿山压力作用出现裂隙形成漏风；（五）6上煤层上部存在4号煤层采空区，如果其中留有的煤柱出现自然发火，对本煤层开采是一大威胁，本层开采过程中留有的煤柱如果出现自然发火也是下部煤层开采的隐患。6上107综放工作面火灾防治的难点：一是煤层采高大埋藏浅，煤层数量多，并且地表基岩较薄，极易形成坍塌造成互相连通甚至与地表连通；二是所建密闭和保护煤柱要能承受矿山压力作用，维持其密闭性；。4 主要研究内容 鉴于目前全矿防灭火基本参数不全，为全面了解和掌握煤层自然发火基本参数，便于指导6上107综放工作面自然发火预测预报；同时由于矿井开采煤层的条件不同，为有针对性地开展防灭火工作，需要解决以下几个方面的技术研究。4.1 基础研究采取酸刺沟矿各煤层煤样，进行以下实验研究：4.1.1 各可采煤层不同区域自燃难易判定煤的自燃倾向性鉴定方法很多，目前，国内外较为成熟的煤自燃倾向性鉴定方法主要有奥氏法、着火点法、交叉点温度法、差示量热法、静态及动态吸氧法等。近年来我国主要是采用煤炭科学研究总院抚顺分院流态色谱吸氧法。国外学者概述了煤层自燃危险性指数评价技术。以上方法在不同的时代都具有适用性，但都是只用吸氧特性一个指标作为煤自燃倾向性的分类指标，具有局限性。煤自燃除了与氧有关外，其自身的特性也起了十分重要的作用，本研究应用着火活化能和吸氧法相结合的方式，对煤自燃倾向性进行研究。图4.1 煤自燃倾向活化能测定仪热重法是研究煤氧化反应常用的一种经典方法，由热重数据计算煤的氧化自燃动力学参数来考察煤的氧化自燃反应是实验研究中经常用到的。热重法是指在一定的升温速率(程序控温)条件下，连续测量出样品的质量变化与温度或者时间的函数关系的方法。其原理是样品以一定的升温速率从常温升到指定温度，通过计算机自动监测反应过程中的样品质量随时间或温度的变化，并直接测出质量与时间或温度的失重(TG)曲线和放热(DSC)曲线。该法操作简单，灵敏度高，具有快速、准确和直观等特点，通过TG和DSC曲线进行定性和定量分析，可以获得有关样品氧化自燃过程中的重要信息以及相应过程的反应动力学参数。煤的热重实验表明，在程序升温条件下，煤的氧化自燃过程分为失水失重、氧化增重和着火燃烧三个阶段。在失水结束后的增重阶段，是经过失水干燥后的煤大量吸附氧气发生复杂的物理化学反应的结果，从增重转为失重的拐点温度为煤的着火温度，增重阶段的活化能为着火活化能。着火活化能能够反应煤自燃的本质。实验煤样的热重分析是在STA449C型TG/DAT综合热重分析仪上进行的。实验条件为：将各矿不同层位和不同工作面的煤样研磨成颗粒度50目，升温速率为5min-1，反应气体N2、O2流速分别为40ml/min和10ml/min，模拟在空气中氧化自燃。样品质量为1314mg，反应温度范围为25600，得到的TG-DSC曲线和程序升温曲线。图4.2 煤样热重程序升温条件下煤氧化自燃过程图采用热重数据计算活化能来研究煤的氧化反应。根据阿累尼乌斯（Arrhenius）公式，设定反应模型为，其中x为反应转化率： （1） （2）式中：煤氧化自燃反应转化率；%反应级数；活化能；气体常数，KJmol-1K-1；A指前因子，S-1；样本起始质量，g；反应中任一时刻t时样品的失重，g；反应中任一时刻t时样品的质量，g。同时设定温度T与时间t有线性关系： （3）式中：-升温速率，常数，K/s。联立两式可得到如下近似解： （4） （5）由于值很大，故项可近似等于零。根据化学反应级数，上式左端对温度倒数作图为直线，由此直线的斜率和截距可以分别求出活化能和前因子。4.1.2 煤矿自燃危险情况预测预报技术图4.3 煤养活过程中不同温度下生成气体的红外光谱图应用型号为SK-2.5-13T管式电阻炉和TENSOR27型傅利叶变换红外光谱仪联用的方法，分析不同煤样在升温氧化过程中煤结构和官能团的变化规律，本实验中所用的傅立叶变换红外光谱仪是20世纪70年代出现的新一代红外光谱测量技术及仪器。没有色散元件，主要由光源、迈克尔逊干涉仪、探测器和计算机等组成。特点是：分辨率高、波数精度高、扫速快、光谱范围宽、灵敏度高等。其工作原理：光源发出的红外辐射，经干涉仪转变成干涉图，通过试样后得到含试样信息的干涉图，由计算机采集，并经过快速傅立叶变换，得到强度或透光度随频率或波数变化的红外光谱图。配气系统（如图4.4）采用经过标定的2个质量流量控制仪分别控制作为稀释气体的高纯N2和已知浓度的某一组元的标气，配置出确定浓度的该组元的气体。为了良好混合，两种气体经过填有玻璃球的气体混合塔，再进入FTIR的气体池。经过一定时间后，开启FTIR的测量系统，获得扫描32scans的红外光谱图。欲改变气体浓度时，开启3通阀至排空位置，并改变2个质量流量控制仪获得不同浓度的混合气体；当流量稳定后，将3通阀开启至导入FTIR的气体池的位置，进行另一个浓度的FTIR测量。图4.4 配气系统示意图待测组元在所建标的浓度范围内的吸收峰曲线下面积随气体组元浓度的增加而增加，测量可以得到一系列不同浓度下该组元气体对应的吸收峰下曲线面积，再用多项式方程或指数形式的方程进行拟合，从而得到某一组元气体浓度的预报模型。应用该技术可以得出煤自燃过程中不同温度下生成的指标气体，从而为预测煤层自燃发生发展程度奠定基础。4.1.3 阻化剂优选改性根据研究取得的防止煤炭自燃的阻化机理理论，煤中加入阻化剂后使煤分子侧链基团中易与氧发生反应的N、S、P等与新型阻化剂中的物质形成配位化学键和配位体，当含有N、S、P等侧链基团的煤的分子与阻化剂成分形成配合物时，总体系的能量降低，说明加入阻化剂后使煤的侧链基团不易被氧化，能够阻止煤的氧化自燃。然而，不同煤种含侧链基团不同，阻化剂的配方也不应该相同。本实验的热重分析是在STA449C型TG/DAT综合热重分析仪上进行的。实验条件为：将煤样研磨成颗粒度50目，升温为速率为5min-1，反应气体流速为N2、O2，分别为40ml/min和10ml/min，模拟在空气中自燃。样品质量为1314mg，反应温度范围为25600，煤样中加入不同配比的阻化剂，采用溶解烘干的方式，得到的TGDSC曲线和程序升温曲线。通过煤样的热重曲线及化学反应动力学曲线和化学动力学方程及实验数据优选阻化剂配方。在防止煤自然发火阻化剂的选择方面，要以有效、经济、环保为目的，本课题组在大量煤样实验的基础上，根据不同矿区煤样实验，开发了适合不同矿区的新型阻化剂作为防止不同煤种自燃的阻化剂，同时在阻化剂中添加不同成分的缓蚀剂，在防止煤样自燃的同时起到防止金属腐蚀的效果。以上配制都溶于水，无毒无害，是经济环保型阻化剂。以下通过实验数据分析各种阻化剂和缓蚀剂对不同煤样的阻化效果和缓蚀效果。4.2 矿井综合防灭火技术研究选择6上107综放工作面作为试验工作面，并对其进行如下试验研究：4.2.1 综放面回采期间自然发火防治技术研究综合采用注浆、注氮、阻化剂和堵漏风等防灭火技术对6上107综放工作面防灭火效果进行研究。4.2.2 临近综放面采空区自然发火防治技术研究对临近综放面的采空区自然发火采取注浆、注氮等方法进行防治，以保证正在回采工作面和临近煤层开采时的安全生产。4.2.3 6上煤综放面采空区自燃“三带”规律研究在综放面后部刮板机后方采空区内布设束管，埋设取气头和热敏电阻。通过连续监测的方式研究6上煤综放面采空区自燃“三带”规律，研究采空区自燃“三带”划分及其与工作面推进速度、注惰气关系。4.2.4 采空区合理注氮参数研究在研究采空区自燃“三带”范围变化的基础上，通过气体成分的变化分析合理的注氮流量、注氮时机、注氮地点、注氮方式和方法。4.2.5 工作面合理通风量的研究6上107综采放顶煤工作面设计通风量为1767m3/min。从防火角度考虑，在保证工作面瓦斯不超限，又能保证人员需氧量和机电设备散热的需要，温度不超过安全规程的规定，尽可能减少工作面的通风量，无疑对该工作面的防火有利。拟分别考虑工作面通风量为1300m3/min、1500m3/min、1700m3/min、2000m3/min、2300m3/min五种情况下工作面气象参数变化，研究得出合理的工作面通风量。4.2.6 密闭材料、工艺及技术研究适合酸刺沟煤矿的回采工作面两巷及上下区段联络巷的密闭材料、工艺及技术研究。4.2.7 漏风探测酸刺沟煤矿为低瓦斯矿井，但在一些情况下会出现上隅角瓦斯超限、CO超限等现象，怀疑是漏风造成临近老空区有害气体漏入本层回采工作面造成的，要对漏风进行治理关键是找到漏风通道，可采用示踪气体法进行查找。4.2.8 多层采空区叠加防灭火技术研究综放工作面上部存在采空区，并且冒落裂缝与地表连通形成漏风通道，研究这种条件下的防灭火技术。5 预期研究或工作目标研究完善易燃厚煤层综放工作面自然发火综合防治技术，形成集煤层自然发火预测预报、注氮、注浆、阻化剂、堵漏、密闭材料及工艺等综合防治技术体系，确保易燃厚煤层综放工作面的安全回采，消除自然发火隐患。6 矿井火灾防治技术实施方案6上107综放工作面开采煤层为6上煤，煤层容易自燃。该面煤层厚度10.97m，回采3.8m，放煤高度7.17m，采放比为1：1.9，采空区浮煤多，自燃发火危险性增大；开切眼、运输巷、回风巷成型时间长和停采期间因撤架完成封闭的时间长，同时“两道两线”的因丢煤量大，也容易发生自然发火。此外，由于采高大，随着开采面积的不断增大，已采工作面的采空区有可能与地表连通，形成漏风通道，引发老空区遗煤自燃。因此，酸刺沟煤矿6上107综放工作面能否实现优质高产防灭火是关键。鉴于上述，根据我国综放工作面防治自然发火的成功经验，结合酸刺沟煤矿的实际情况，研究适用于酸刺沟煤矿自然发火防治的有效措施，保障6上107工作面的安全回采是十分必要的。拟采取的技术方案是：采用自然发火预测预报技术、氮气防灭火技术和注浆防灭火技术、阻化剂防灭火技术、堵漏风防灭火技术以及新型密闭技术等相结合的综合防灭火措施。通过技术集成与融合，形成一套完整的火灾防治技术体系，保障 6上107综放工作面的安全回采。6.1 建立煤层自然发火预测预报系统通过在完成实验室自然发火基本参数测定的基础上，利用其研究成果，用于指导6上107综放面自然发火预测预报工作。煤层自然发火预测预报系统拟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。6.1.1 建立束管火灾监测系统束管监测系统能实现对煤炭自燃的连续监测，它是通过监测煤氧化过程中产生的气体并对其进行分析，从而实现煤炭自燃早期检测和预测预报。束管监测系统是利用真空泵，通过一组空心塑料管将并下检测地点的空气直接抽至分析单元中进行监测。束管监测系统由采样器、接管箱、放水器、除尘器、抽气泵、采样控制柜和分析单元等组成。图6.1所示为束管监测系统原理框图。图6.1 束管监测系统原理框图束管监测煤炭自燃的优点主要是能实现连续监测、分析数据可靠；当井下发生事故，断电撤人后也能保持正常的监测工作；它不但可以用于煤炭自燃的早期预报，而且还可监测矿内其他气体成分变化。主要缺点是当束管输送距离较远时，分析数据滞后时间长。目前国内用于监测火灾的系统有两种：一是井下型火灾束管监测系统；二是地面色谱束管火灾监测系统，前者是将真空泵、气体采样分析柜和控制箱安置于井下工作面附近的联络巷或机电峒室内，电信号通过传输电缆送到地面计算机，并进行数据处理，存贮，火灾系数分析，爆炸危险性判断，报表打印等，具有系统管理和维护简单的优点。后者是将井下采空区或封闭区内的气体通过束管抽到地面，然后通过气相色谱仪分析，具有分析组分多的优点，其缺点是井下和地面存在温度差，束管内容易积水，另外，井下束管铺设路线长，管理和维护不易。鉴于矿方已建立地面色谱束管火灾监测系统，但由于管路铺设较长，设备材料老化等原因，应用效果受到限制，可根据现场原因完善束管监测系统，改变监测方案和方法。6.1.1.1技术要求色谱仪的适应性必须满足煤矿气样中水、尘较大的需要。分析组分分析组分为：O2、N2、CO、CO2、H2、CH4、C2H2(乙炔)、C2H4(乙稀)、C2H6(乙烷)、C3H8(丙烷)、C4H10(丁烷)11个组分。分析精度: 1PPm数据工作站（必须配置工业控制计算机，研华，P3，内存256M；17寸液晶显示器；不间断电源和打印机）。标准气配置上述11个组分。地面色谱束管火灾监测系统(信号输出要求4-20mA或0-5V)应与酸刺沟煤矿采用的矿井综合自动控制系统联网运行，并能进行数据自动处理，自动贮存，打印分析结果等功能。聚乙烯束管和单管及真空泵均应具有有效的安全标志。6.1.1.2 测点的设置及施工工艺将束管按要求埋入监测地点（综放工作面后部刮板运输机后部），先启动抽气泵，使束管内形成负压，即井下外部的压力大于束管内的压力，使监测地点的气体被吸入束管，提取气样进行化验分析，根据O2、N2、CO、CH4、CO2、C2H4、C2H6等气体浓度的变化和规律，确定采煤工作面采空区“三带”，判定监测地点煤的自燃情况和发展趋势，以便采取相应的防治措施。监测点的布置。每套束管分为胶运顺槽、辅运顺槽两组，每组4根束管，束管布置详见图6.2。1号束管距辅运顺槽上帮5.4m，1、2,7、8号束管间距10m，2与3、3与4、5与6、6与7束管间距分别为30m，4与5号相隔50m。胶运顺槽相同。按方案要求，需要埋入至少2套束管，本次埋入束管为第一套束管，待第一套束管埋入采空区50m后，再埋第二套束管，埋设方法与第一套相同。图6.2 束管监测点布置示意图束管埋入施工工艺。准备如下三通62=12个：如图6.3图6.3 三通三通内防漏气木塞：如图6.4图6.4 木塞 图6.5 100目铁纱为防止浮煤进入束管内导致束管堵塞，采用100目铁纱（如图6.5）将三通花管裹紧。组装：首先将4根束管插入软管内，将1#束管穿过三通后把软管与三通联接。然后将1#束管套入木塞孔内，将木塞塞入花管法兰盘侧，并将插入花管内的1#束管固定在花管上，将花管与三通联接。花管处用铁丝将100目铁纱裹紧，防止浮煤进入束管，将束管堵塞（见组装图6.6）。其它各号束管安装同上。图6.6 组装图准备材料按需求束管在井下利用球胆抽取气体，在地面进行分析化验，胶运顺槽和辅运顺槽2条巷道，每条巷道铺设2组束管，预计采空区窒息带最大距离为250m，工作面长度230m，则每组束管最大长度500m,两组共使用8芯束管1000m即单管8000m。表6.1 束管埋入施工所需材料设备编号名称单位用量1束管m80002二寸半6米长钢管根2143高强度软套管m404二寸半4m短管根45二寸半5.4m短管根46100目铁纱网57三通个148采样头个169热敏元件个1610专用电阻仪台111热敏电阻连线m2100施工工艺将按照间距组装好的束管系统，运到胶运、辅运顺槽做好准备工作。安装之前，工作面支架保持不移架，后部刮板运输机拉进，留出埋入束管的空间。安装时，将束管管路绕过端头支架或过渡支架尾部，将工作面后部刮板运输机靠采空区侧刮板外边缘浮煤清出，保证束管的埋入深度为距离溜槽上边缘0.2m，并用浮煤盖实以防采空区矸石将束管砸坏。按顺序套入4根束管，与采样头连接，并对束管进行编号14.埋管时首先将1和8束管头布置在距煤壁5.4m处，其他束管顺次放置，在后溜子处埋好束管后，端头处软管弯曲段固定，然后将软管固定在上下顺槽煤帮上。并将顺槽内的束管套入保护管内，直至250m处，将束管接入地面或用人工取气方式。6.1.1.3 监测方法与安全措施监测方法：酸刺沟矿指派通风专业人员每天取气样一次，送局通风处化验，设好记点，准确量取采煤原班进度。要求：（1）束管敷设后，当日监测，做好首次监测记录；（2）取样前，必须看好气样容器的编号，方可对号取样，千万不要对错编号。（3）取样前，准确量取采煤原班进度。（4）每天取样一次，每天取样要在同一时间。（5）做好记录，填好束管检测记录表（详见表6.2）。（6）此项测试工作全部结束后，由负责本项工作的技术员将图纸、检测记录表转交给辽工大在现场的人员。表6.2 束管检测记录表点号取样日期取样时间采面原班进度（m）温度化验结果O2N2COCO2CH4C2H412345678检测人员签字：注：化验结果要填写对应的取样日期在表内。安全措施：（1）所有上岗人员必须严格执行煤矿安全规程、煤矿工人安全技术操作规程的相关规定和本工作面作业规程，严格执行各项规章制度，严禁“三违”。（2）束管检测工必须持证上岗，严格执行岗位责任制、现场交接班制度、设备检修制度、质量验收制度、事故分析制度。（3）加强设备管理，切实按照设备的完好标准进行认真的检修，保证设备处于完好状态。（4）任何进入作业场所的工作人员，都应先观察好作业周围的环境，确保安全后再作业。（5）独自作业工种，要熟悉作业地点的安全注意事项，做好自主保安，当发现自己解决不了的问题及时向值班人员汇报，另行采取措施。（6）当回风顺槽瓦斯浓度超过1%或二氧化碳浓度超过1.5%时，必须停止工作，撤出人员，采取措施，进行处理。（7）、按规程要求，当发生瓦斯、火、煤尘等灾害时，工作人员要按照避灾路线撤出。（8）、敷设的束管监测管路，不得与带电的物体接触并应有防止砸坏管路的措施。6.1.2 人工检测人工检测是指每班派专人使用便携仪巡回测定工作面、上隅角、回风巷等处的O2、CH4、CO、和放顶煤温，发现问题及时报告，以便采取相应措施进行处理。6.2 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拟处理区，使该区域空气惰化，氧气浓度降低到煤自然发火的临界浓度以下，以抑制煤的氧化自燃，直到火区窒息的防灭火技术。氮气防灭火机理主要有惰化、抑爆、减小漏风和吸热等应用氮气防灭火技术防治矿井火灾，是世界主要产煤国家所公认的行之有效的方法。自上世纪70年代以来，国外煤矿普遍采用氮气防灭火技术，取得了很大的成就，并都将该项技术作为常规的防灭火手段。我国从1980年起，通过10余年的试验研究，为我国煤矿推广应用该项技术奠定了技术基础和积累了经验，1992年氮气防灭火技术纳入了煤矿安全规程，并于1997年制定和颁布了煤矿用氮气防灭火技术规范，从此，氮气防灭火技术走上了法制化、科学化和规范化的道路。6.2.1 制氮能力的确定6.2.1.1设计依据根据酸刺沟煤矿设计年产能力为1200万t，一个综采工作面和一个综放工作面，其中综放工作面年生产能力800万t。因此，按6上107综放工作面的生产能力来计算注氮防灭火流量，在实际生产中，2个面同时着火的可能性很小，本着满足6上107综放面注氮防灭火需要，又兼顾全矿达产后防灭火的需要，制氮能力的确定主要依据MT/T 701-1997煤矿用氮气防灭火技术规范，现依据6上107综放面的设计能力为800万t，“三八”工作制，按300天计算，日产原煤26433.6t。6.2.1.2防灭火注氮流量的计算氮气防灭火技术已作为综采和综放工作面的主要防灭火措施，由于每个矿井的地质条件、煤层开采条件及外围因素各不相同，因此，确定防灭火注氮流量就成为一个比较剌手的问题。从理论上讲，注氮流量越大，防灭火（特别是灭火）的效果就越好，反之就越差，甚至不起作用。要使选用的制氮能力既能满足防灭火所需注氮流量的要求，又能充分体现经济技术上的合理性，根据我国应用氮气防灭火的经验，在设计时着重考虑以下几个指标。采空区防火惰化指标预防综放面采空区内煤炭自然发火，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7%10%时煤就不易被氧化，因此将采空区防火惰化指标定为7%是合理的，并将其指标作为设计依据。火区惰化指标采空区或巷道一旦发生火灾，采用注氮方法灭火时，在注氮的初期注氮流量要大，这是因为：一方面要迅速将火区空间惰化，另一方面注入的氮气还要惰化漏进的新鲜风流。火区惰化后，继续注入的氮气主要起惰化漏风的作用，注氮流量就相应减少。在德国和法国，灭火注氮流量一般每分钟为几十至几百立方米，总耗氮量达数十到数百万立方米，若按此计算，我国煤矿自身的经济承收能力是难以满足的。通常灭火注氮量可按封闭火区体积的3倍计算。实验研究表明：气体成分中当氧含量低于5%时就能阻止煤炭的氧化和燃烧，为防止采空区内可燃气体因明火而发生爆炸，因此，煤矿安全规程将火区惰化指标定为以氧含量低于3%是合理的，并将其作为设计依据。防火注氮流量的计算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、漏风量大小及区内气体成分的变化等诸多因素。MT/T701-1997标准中推荐的计算方法为按采空区氧化带氧含量计算，其余的计算方法仅作参考。按采空区氧化带氧含量计算（MT/T701-1997标准中推荐的计算方法）此法计算的实质是将采空区氧化带内的原始氧含量降到防火惰化指标以下，按下式计算注氮流量。（6）式中：QN注氮流量，m3/h;Q0采空区氧化带内漏风量，m3/min，现取14m3/min; C1采空区氧化带内平均氧浓度，20%10%，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1.21.5,现取1.3。按产量计算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，按下式计算。（7）式中：QN注氮流量，m3/h;A年产量，t，取t/a;t年工作日，取300d;煤的密度，t/m3，取1.47t/m3;N1管路输氮效率，一般取0.9；N2采空区注氮效率，一般为0.30.7，取0.7；C1空气中的氧含量，取20.9%;C2采空区防火惰化指标，规程定为7%。K备用系数，一般1.31.5，取1.3。 按瓦斯量计算 （8）式中：QN注氮流量，m3/h;Q0综放通风量，m3/min;工作面通风量1767m3/min;C综放面回风巷瓦斯浓度，%，根据酸刺沟矿6上107综放面采煤作业规程按0.1%计。6.2.1.3 灭火注氮流量扑灭采空区火区或巷道发火点所需氮气量，主要取决于发火区域的几何形状、空间大小、漏风量、火源范围和燃烧时间的长短等因素。扑灭巷道火灾所需氮气量对于巷道火灾，可主要按空间量及漏风量计算，国内外试验表明，灭火用氮量为巷道空间的3倍。扑灭采空区火灾所需氮气量扑灭采空区火灾可按下式进行估算： （9）式中：QN注氮量，m3;V0火区体积，m3;C1火区原始氧浓度，%；C2注氮区欲达到的氧浓度，取3%。一般按灭火时间510d确定灭火注氮流量，即为6.2.1.4 防灭火注氮流量的确定见表6.3。表6.3防灭火注氮流量理论计算结果按采空区氧化带氧含量计算按工作面产量计算按瓦斯量计算防灭火注氮流量的确定注氮流量（m3/h）2028309710703000通过上述计算， 依据国内外应用氮气防灭火的经验，结合酸刺沟矿6上107综放工作面的开采条件，将防灭火注氮流量确定为3000m3/h。6.2.2 制氮设备的选取近年来，随着我国空气分离技术的进步，矿用制氮设备的开发研制也有很大的发展，目前已被煤矿大量选用的变压吸附制氮设备和膜分离制氮设备也已系列化生产，均能满足我国煤矿的需要。设计选用变压吸附碳分子筛制氮设备。通过上节计算和确定的防灭火注氮流量，现选取井下移动式制氮设备3套，单台制氮能力1500m3/h，制氮总能力为3000m3/h，其中2套运行，1套备用。同时随着酸刺沟煤矿采空区范围和空间的不断增大，一旦出现火灾隐患或外因火灾，3套同时运行，为确保6上107综放面火灾防治提供充足的氮气源。6.2.2.1 输氮管路在工作面入风巷附近开掘硐室，将3套制氮设备安放其内，采用管径150无缝钢管进入6上107进风顺槽，然后将管路埋入采空区氧化带，进行埋管注氮。管路铺设应尽量减少拐弯，要求平直稳，接头不漏气，每节钢管的支点不少于3点。采空区防火注氮，采用埋管注氮工艺。具体作法是：在6上107综放面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。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，并又重新埋设注氮管路，如此循环，直止工作面采完为止。在未对“三带”考察时注氮管口的错距暂定为40m。注氮工艺可采用钻孔注氮、埋管注氮、密闭注氮等。对于6上107综放工作面的日常防火注氮采取开放性注氮方式埋管注氮工艺。工作面停采撤架封闭后向采空区采取封闭注氮工艺。注氮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16小时，当工作面因故推进度慢时则采取连续性注氮，即每天注氮24小时。6.2.2.2注氮时机应用实验研究得出的标志性气体及其指标等进行火灾预测预报，对开切眼、停采撤架、因故停采或工作面推进度不正常期间，工作面或采空区或上隅角等处出现CO且达到一定值时；放顶煤煤温超过50，则采取每天24h连续不断地注氮。除此之外，则采取每天16h注氮。6.2.2.3 管理制度根据酸刺沟煤矿的实际情况，待注氮系统等建成后，再制定酸刺沟煤矿注氮防灭火管理暂行规定等和各工种岗位责任制。6.3 二氧化碳防灭火技术CO2在地面灭火中得到了广泛的应用，在矿井火灾防治中，人们对CO2的防灭火缺乏深入研究应，导致应用CO2灭火的理论和技术不成熟，CO2的防灭在矿井的应用没有注氮防灭火工艺广泛。6.3.1 二氧化碳防灭火机理本研究应用量子化学理论计算的方法从微观方面研究煤表面对多组分气体的吸附，比较各气体与表面吸附能，得出多组分气体分子的混合吸附与煤表面吸附的竞争性。从理论上研究与表面分子片段吸附能力的大小顺序，为揭示煤的自燃机理和更为有效的防治技术提供理论依据。比较各气体与表面分子片段吸附能，得出多组分气体分子的混合吸附与煤表面吸附的竞争性和亲和性。煤表面与矿井采空区各种气体发生吸附时的亲和顺序为：氧气水二氧化碳氮气一氧化碳甲烷。CO2的吸附能为6.09 KJ/mol，N2的吸附能为2.91KJ/mol，所以在煤的自燃防治技术中，采用二氧化碳防止煤炭自燃比用氮的效果好。二氧化碳的比重比空气比重大，所以当CO2注入矿井的采空区后沉积于煤的表面，隔绝的空气中的氧气，能够阻止煤的氧化自燃。通过理论研究得知，应用CO2防灭火手的效果要好于氮气。6.3.2 灭火注二氧化碳流量扑灭采空区火区或巷道发火点所需CO2气量，主要取决于发火区域的几何形状、空间大小、漏风量、火源范围和燃烧时间的长短等因素。（1）扑灭巷道火灾所需CO2气量对于巷道火灾，可主要按空间量及漏风量计算，国内外试验表明，灭火用CO2量为巷道空间的1.5倍。（2）按采空区氧气浓度计算扑灭采空区火灾所需CO2气量扑灭采空区火灾可按下式进行估算： (10)式中：QN注CO2量，m3；V0火区体积，m3；C1火区原始氧浓度，%；C2注CO2区欲达到的氧浓度，取7%。6.3.3 注二氧化碳灭火装备6.3.3.1液态二氧化碳气化后注入井下二氧化碳防灭火系统广泛应用于煤矿防灭火抢险救灾，抑制瓦斯、煤尘爆炸、煤矿预防与扑灭井下大面积煤炭自燃火灾等，此装备由矿用特制液体二氧化碳运输挂车、矿用空气加热式液态二氧化碳汽化器、矿用气电式液体加热式汽化器等设备组成。其原理为储存于液体二氧化碳运输挂车内的液体经空气加热式液态二氧化碳汽化器气电式液体加热式汽化器两步气化后充分气化成为气体，再经过变压、稳压过程使其成为可灌充的气态二氧化碳，再经管道注入井下而实现灭火的目的。图6.7 煤矿用液态二氧化碳汽化灌注装备液态二氧化碳汽化灌注装备由特制液体二氧化碳运输挂车、矿用空气加热式液态二氧化碳汽化器、矿用气电式液体加热式汽化器等设备组成。该装备主要是对工业企业排放二氧化碳气体进行收集冷凝液化，然后装入槽车，在地面将液态二氧化碳气化成气态二氧化碳后直接送至火区。可移动低温液体二氧化碳贮罐其原理采用了化工厂液体二氧化碳槽车设计技术原理。汽化器可用种类很多，主要有矿用空气加热式液态二氧化碳汽化器、矿用气电式液体加热式汽化器、矿用水域汽化器。工作原理都是利用液体二氧化碳在减压提温的情况下，会由液态转化为气态的自然特性。调压稳压装置则是把气体二氧化碳从高压力转换成较低压力，并将此压力稳定以适用井下有关管道的压力许可。该装备可使液态二氧化碳从地面实施井下防灭火。使用由化工厂调来的液体二氧化碳通过转贮、汽化、稳压过程，将液体二氧化碳转换成适度压力的气态二氧化碳，然后依靠煤矿地面通入井下的有关管道将其注入井下火区或高温点，达到抑制瓦斯爆炸、防止火势蔓延同时扑灭火灾的目的。该装置产气量大，每小时可往井下灌注3000立方二氧化碳气体，操作简便、安全且原料成本低。6.3.3.2液态二氧化碳直接注入井下图6.8 液态二氧化碳井下直注装备液态二氧化碳井下直注装备由矿用直注式液态二氧化碳储罐、自增压调控系统、平板矿车等设备组成。其原理为液态二氧化碳通过直注式液态二氧化碳灭火系统运输至井下火区附近在压力、环境等适合的情况下将液态二氧化碳释放至火区内从而实现液态灭火的目的。该装备是将由化工厂通过槽车运来的液态二氧化碳，利用直注式液态二氧化碳储罐转存后，通过平板矿车运至井下火区附近，再通过管道将液态二氧化碳释放至火区内，从而实现抑制瓦斯、煤尘爆炸和防灭火效能。设备组成及作用如下：A矿用直注式液态二氧化碳储罐，其主要作用为：将液态二氧化碳储存至本设备然后再将所储存的液体直接释放。其原理利用罐体具有抗高压耐低温性能。B自增压调控系统：其主要作用为，控制直注式液态二氧化碳储罐在释放过程中的压力，原理是利用汽化增压原理实现上述作用。C 平板矿车，其主要作用为：将矿用直注式液态二氧化碳储罐和自增压调控系统运至井下。该装置能使液态二氧化碳直接注入火区，具有运输安全，操作简便，注液快，释放气量大的特点，不仅发挥气态二氧化碳抑制瓦斯、煤尘 爆炸、防灭火特性外，又明显增加降温效果，使得灭火速度加快，大大减少火灾损失。酸刺沟煤矿位于准格尔旗，临近有神华集团鄂尔多斯煤制油分公司，其工业副产品为CO2，可以用作井下防灭火材料，具有地利优势。6.4 建立粉煤灰注浆防灭火系统注浆防灭火方法是将注浆材料（黄土、页岩、矸石、粉煤灰、尾矿等）细粒化后加水制备成浆，用水力输送到煤矿井下注入需要防灭火区域内，封堵漏风通道、包裹煤岩阻止氧化、冷却煤岩温度而预防或扑灭矿井火灾的一项技术措施。酸刺沟矿6上107综放面开采煤层的特点：一是煤层倾角小于5，不利于浆体沿倾斜方向的扩散；二是工作面倾斜长度达245m，注浆管口在进、回风侧采空区，浆体很难到达采空区中部，更不用说充满采空区。三是采高平均达到10.97m，浆体根本不能将采空区充填满，预防和扑灭大采高采空区高顶处的火源点难度大。四是薛家湾地区冬季寒冷，水土冻结，不能正常开展防灭火灌浆工作。鉴于此，建立的粉煤灰灌浆系统主要作用一是间断性地向采空区注入预防下部遗煤自燃；二是为工作面停采撤架后对停采线及密闭内的巷道进行大量灌浆充填，三是作为抢险救灾时，结合其它防灭火方法快速处理火灾。6.4.1主要注浆参数6.4.1.1制浆材料酸刺沟煤矿旁有一矸石电厂，粉煤灰资源丰富，选用粉煤灰作为制浆材料最好。根据MT-T 702-1997 煤矿注浆防灭火技术规范规定粉煤灰的固定碳含量不得超过8%才允许作为注浆防灭火的原材料，鉴于未对酸刺沟煤矿旁的矸石电厂产生的粉煤灰做样化验碳含量，暂先按该矸石电厂产生的粉煤灰满足注浆防灭火的要求。（若对粉煤灰碳含量化验分析后，不满足注浆防灭火的要求，则采用添加黄土的办法减少粉煤灰的使用量。）考虑到粉煤灰物理性质及浆体的物理性质，建议加入适量的胶凝剂和阻化剂，增加浆体的粘稠度，保证快速治理火灾的效果。6.4.1.2工作制度与矿井工作制度相匹配，但需注意以下原则：灌浆工作是与回采工作紧密配合进行。三班灌浆，每天灌浆时间为12h，若矿井自燃发火严重，每天灌浆时间可增为15h。6.4.1.3灌浆系数（K）对于煤层倾角小的煤层，灌浆系数（K）一般为1.5%3%，本方案取2%；灭火灌浆系数视灭火情况可相应加大。6.4.1.4土水比泥浆土水比的确定相当重要，因为它直接影响灌浆的质量与效果。随着煤层倾角、注浆方式、处理对象、注浆季节、输浆倍线的不同对它应作相应的改变，采空区注浆通常以1:11:2，本方案取粉煤灰、水、胶凝剂和阻化剂之比为1:1.5:0.002:0.01。6.4.1.5矿井灌浆量针对综放工作面采高大，工作面长，倾角小，所以目前国内还没有可供参考和借鉴的经验值可取，现只能用长壁采煤法的经验公式，并结合三相泡沫所需灌浆量3040m3/h 的要求，同时只计算综放开采采煤机割煤高度（放煤高度不计），按下式进行估算：式中：Q日需粉煤灰量，m3；a取粉煤灰系数，取1.1；K灌浆系数，取2.0%；G工作面日产量，11000t；煤的比重，取1.47；A综放面个数，1个。粉煤灰、水、胶凝剂和阻化剂比取1:1.5:0.002:0.01，则需粉煤灰量164.6m3，日耗水量246.9m3，胶凝剂消耗量：0.33m，阻化剂消耗量：1.7m，按12小时灌浆，则综放面每小时灌浆量20.6m3。6.4.2 制浆方法从电厂贮料场挖取粉煤灰，运到矿井井口制浆站制浆，制浆后进入酸刺沟煤矿现有的注浆系统管路，在输浆管路的出口端的平直线管路上安装电磁流量计。为防止粉煤灰泥浆沉淀过快而容易造成管路堵塞，在制浆过程中内计量加入5的悬浮剂。6.4.3输浆方式注浆方式有两种，即静压注浆和动压注浆：静压注浆是利用制浆点与灌浆地点标高不同而产生的自然压差，借助输浆管路将泥浆输送到灌浆区，最后通过采空区埋管将泥浆注入采空区内。由于酸刺沟煤矿现有注浆管路系统为动压注浆，并能够满足井下注浆的需要，因此本方案继续沿用酸刺沟煤矿的动压注浆。6.4.4注浆方法采用埋管注浆法，在放顶前沿进、回风巷在采空区预先铺好灌浆管（一般预埋58m钢管），预埋管一端通采空区，一端接胶管，