綜放工作面末采期防滅火技術(shù)研究

程 濤，高宗明，劉赴前

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦，山西孝義032306）

綜放工作面末采期防滅火技術(shù)研究

程 濤，高宗明，劉赴前

（汾西礦業(yè)集團(tuán)高陽煤礦，山西孝義032306）

綜放工作面末采期停采線經(jīng)常發(fā)生煤炭自燃事故。本文基于流體力學(xué)以及相似理論，建立了綜放工作面數(shù)學(xué)模型，以采空區(qū)自燃“三帶”的范圍變化為判斷依據(jù)，對工作面回收期間回風(fēng)巷是否應(yīng)該首先完全密閉進(jìn)行了研究，通過理論分析和數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在滿足一定前提條件的基礎(chǔ)上，回風(fēng)巷留設(shè)一定的風(fēng)流通道，有利于防治下隅角及采空區(qū)自然發(fā)火。實(shí)踐表明，只有將均壓、注氮、灌漿等多種防滅火技術(shù)手段綜合利用，才能防治綜放面的自然發(fā)火，確保工作面的安全生產(chǎn)。

末采期；自然發(fā)火；數(shù)值模擬

汾西礦業(yè)集團(tuán)幾乎所有的開采煤層自燃傾向性均為Ⅱ級或Ⅰ類，僅2014年就有香源、柳灣、高陽3座煤礦先后發(fā)生煤炭自燃事故，且都發(fā)生在末采期或工作面回收期間。一旦礦井發(fā)生火災(zāi)，極易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，甚至引起煤塵、瓦斯爆炸等事故，為此及時(shí)研究和防控礦井火災(zāi)，特別是末采期防滅火技術(shù)的研究，是礦井安全生產(chǎn)和社會和諧穩(wěn)定的迫切需要。

1 工作面概況

高陽煤礦114工作面開采太原組9－10－11#煤，屬復(fù)雜結(jié)構(gòu)煤層，煤種為瘦煤，穩(wěn)定可采。煤層平均厚度9.61 m，煤層傾角3°～5°，平均傾角4°。工業(yè)儲量3 024 019 t，回采率86%，可采儲量2 557 559 t。該工作面東鄰112工作面（已采），北為一采軌道上山，西部和南部為礦區(qū)邊界。工作面采用U型通風(fēng)系統(tǒng)，新鮮風(fēng)流經(jīng)一采軌道巷、皮帶巷進(jìn)入114材料巷到工作面；污風(fēng)由工作面運(yùn)輸巷經(jīng)一采回風(fēng)巷、南總回風(fēng)巷，最后回南風(fēng)井。經(jīng)山西省煤炭檢測中心鑒定，9－10－11#煤層屬II級自然發(fā)火煤層，最短自然發(fā)火期為75天。

2 工作面采空區(qū)自然發(fā)火經(jīng)過及原因分析

2.1 自然發(fā)火經(jīng)過

2014年8月初，在114工作面下隅角監(jiān)測到CO，判斷采空區(qū)有自然發(fā)火的可能，隨即加快工作面末采速度，并于8月23日在運(yùn)輸巷首先構(gòu)筑一道防火墻，將工作面風(fēng)路斷開，改原來的負(fù)壓通風(fēng)為局扇的正壓通風(fēng)，材料巷安裝FBD№6.0/2×15 kW局扇2臺，為工作面回收支架供風(fēng)。從8月初到8月29日，工作面回收期間下隅角CO濃度逐步升高，但均未達(dá)到超限值24×10-6。30日零點(diǎn)班CO突然急劇升高到105×10-6，并在9月7日達(dá)到峰值535×10-6，當(dāng)天緊急增加一組風(fēng)機(jī)加大工作面風(fēng)量稀釋CO，濃度降到了320×10-6。9月9日，經(jīng)專家指導(dǎo)，將運(yùn)輸巷防火墻兩個(gè)觀測孔堵盤打開，改工作面為負(fù)壓—正壓混合通風(fēng)方式，下隅角CO很快逐步降到200×10-6以下，并保持不再升高。整個(gè)回收初期到材料運(yùn)輸兩巷完全密閉，下隅角CO濃度變化曲線圖見圖1。

2.2 自然發(fā)火原因分析

114工作面2012年8月開始試生產(chǎn)，按照正常生產(chǎn)銜接最遲應(yīng)于2013年底回采結(jié)束。但由于114工作面位于礦區(qū)邊界，回采嚴(yán)重受制于頂?shù)装鍓毫Φ挠绊?，生產(chǎn)進(jìn)度緩慢，2014年前8個(gè)月回采不足50 m。根據(jù)實(shí)際測定采空區(qū)氣體及溫度變化的情況，結(jié)合采空區(qū)“三帶”劃分的理論，確定該工作面的“三帶”寬度為110 m。根據(jù)省煤炭監(jiān)測中心測定的數(shù)據(jù)，114采空區(qū)遺煤的最短自然發(fā)火期為75天，確定工作面安全回采最低推進(jìn)速度如下：

式中：L—自燃帶寬度，m。

T—煤層煤樣的最短自然發(fā)火期，d。

當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于最小回采速度時(shí)，采空區(qū)一般不會發(fā)生自燃。114工作面的推進(jìn)速度以末采的后8個(gè)月50 m計(jì)算為：V＝50/240=0.21 m/d，明顯小于防止采空區(qū)自然發(fā)火的最小回采速度1.47 m/d，因此下隅角遺煤發(fā)生自燃也是必然的。

圖1 114工作面下隅角CO濃度變化曲線圖

3 綜放面末采期防滅火技術(shù)研究

114工作面回收期間，主要采取的防滅火措施只有注氮，即下隅角埋管注氮和在工作面向采空區(qū)打3個(gè)18 m深注氮鉆孔，向采空區(qū)注氮，氮?dú)鉂舛缺３衷?7.45%以上，日均注氮量約為10 000 m3。本次114工作面在CO居高不下時(shí)，通過打開運(yùn)輸巷防火墻的觀測孔，效果明顯，下隅角的CO濃度很快降低，但其作用原理及是否可推廣使用到其他工作面并不是很確定。直接在工作面測定流場和壓力場來分析其原理并不是很現(xiàn)實(shí)，現(xiàn)借助流體力學(xué)軟件GAMBIT和FLUENT，模擬工作面的流場，對其進(jìn)行研究。

3.1 采空區(qū)滲流控制方程

將綜放面采空區(qū)視為煤巖混合體組成的多孔介質(zhì)空間，由于松散煤體空隙的時(shí)空分布不均勻，漏風(fēng)源和漏風(fēng)流難以確定，松散煤體中的漏風(fēng)流場十分復(fù)雜，將采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流看作不可壓縮氣體在三維空間的非線性滲流，包括紊流、層流、過渡流。所服從的基本方程為非線性滲流方程，即Bachmat方程，達(dá)西定律僅僅是Bachmat方程在低速層流狀態(tài)下的特例。三維非線性滲流定律公式為：

式中：

E—滲透率，m2；

v—運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)，m2/s；

Dm—平均調(diào)和粒徑；

V—采動(dòng)裂隙橢拋帶的風(fēng)速，m/s；

n—采動(dòng)裂隙橢拋帶的孔隙率；

g—重力加速度，m2/s；

β—多孔介質(zhì)粒子形狀系數(shù)。

3.2 采空區(qū)空隙率及滲透率

隨著工作面向前推進(jìn)和時(shí)間的推移，采空區(qū)的空隙率隨時(shí)發(fā)生變化。一般頂板巖層越堅(jiān)硬，空隙率越大；礦壓越大，空隙率越??；作用時(shí)間越長，空隙率就越小，反之就越大?？障堵蕿椋?/p>

式中：Kp—巖石及煤的碎脹系數(shù)。

由Blake-Kozeny公式，多孔介質(zhì)的滲透率e為：

3.3 模型的建立

根據(jù)114工作面的幾何尺寸建立三維幾何模型，利用fluent進(jìn)行數(shù)值模擬分析。模型見圖2。

圖2 綜放面回收期間采空區(qū)三維模型圖

為了使本次建立的模型最大程度的與實(shí)際礦井的物理環(huán)境相接近，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，得到以上較為理想的模型。根據(jù)相似理論，模型與礦井采場實(shí)際尺寸比例相同，可保證幾何相似；模擬與實(shí)測材軌聯(lián)巷、材皮聯(lián)巷、風(fēng)筒進(jìn)風(fēng)量、材回聯(lián)巷回風(fēng)量的匹配可以保證運(yùn)動(dòng)相似；模擬與實(shí)測上下隅角漏風(fēng)量的匹配又可保證模型中工作面風(fēng)阻和采空區(qū)滲透率的合理性，使二者動(dòng)力相似。

雪螢淡淡一笑，電梯停下來，在兩人面前打開。雪螢回頭看了一眼，閃身鉆了進(jìn)去。一杭把玩具槍放進(jìn)口袋，也跟著進(jìn)去，并立即按下關(guān)閉鍵。

按照煤可能自燃的情況，采空區(qū)一般劃分為3個(gè)帶［1-2］：低溫不自燃帶、可能自燃帶、窒息帶。劃分“三帶”通常有3種標(biāo)準(zhǔn)，即以采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)強(qiáng)度、氧氣濃度和溫度分布來劃分。本模擬按照采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速劃分：散熱不自燃帶內(nèi)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速＞0.24 m/min；可能氧化自燃帶內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速在0.24～0.1 m/min；窒息帶漏風(fēng)風(fēng)速＜0.1 m/min。

3.4 模型結(jié)果分析

風(fēng)速劃分標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)值模擬所得自然氧化帶范圍見圖3，圖4，圖5。

圖3 運(yùn)輸巷密閉的自燃帶范圍圖

圖4 回收最后幾臺支架時(shí)自燃帶范圍圖

圖5 運(yùn)輸巷回風(fēng)的可能自燃帶范圍圖

1）從圖3可以看出，運(yùn)輸巷完全封閉后由局扇正壓通風(fēng)的自燃帶范圍主要集中在風(fēng)筒周圍20 m范圍內(nèi)和進(jìn)風(fēng)側(cè)的支架附近并一直延伸到下隅角，隨著支架的回收，風(fēng)筒回撤，自燃帶范圍向下隅角方向移動(dòng)，直到完全移動(dòng)到下隅角（圖4），下隅角始終處于可能自然發(fā)火的區(qū)域。在末采期，端頭支架處頂煤放出率低，下隅角附近遺煤較多，再加上末采進(jìn)度緩慢，此處遺煤已經(jīng)過長時(shí)間氧化蓄熱升溫，如果工作面已經(jīng)檢測出下隅角CO濃度嚴(yán)重超限，還采用運(yùn)輸巷完全封閉的方式進(jìn)行回收支架，將加速下隅角的自燃進(jìn)度，不利于工作面回收。

2）從圖5可以看出，運(yùn)輸巷密閉墻觀測孔堵盤打開，風(fēng)機(jī)仍然正常供風(fēng)，改回收工作面為負(fù)壓—正壓混合通風(fēng)方式，雖然增加了可能自燃帶的范圍，但主要分布在回風(fēng)側(cè)，隨著支架的回收，風(fēng)筒回撤，支架回收后的冒落帶逐漸被壓實(shí)，從運(yùn)輸巷排出的風(fēng)越來越少，現(xiàn)在的自燃帶因?yàn)槿毖鯇⑥D(zhuǎn)變?yōu)橹舷В掠缃侵敝磷詈髱着_支架才從現(xiàn)在的散熱帶轉(zhuǎn)變?yōu)榭赡茏匀紟?，見圖4。這種通風(fēng)方式將大大減少下隅角在可能自燃帶中的時(shí)間，如果在回收支架期間不斷向下隅角注氮，將有效地控制采空區(qū)火災(zāi)的發(fā)生。

3）綜上可以得出，工作面回收期間，回風(fēng)巷不可急于完全堵死，可以適當(dāng)?shù)亓粼O(shè)一定的風(fēng)流通道，既可以分擔(dān)一部分進(jìn)風(fēng)巷排放CO壓力，又降低了下隅角的自然發(fā)火危險(xiǎn)性。但也要注意以下3點(diǎn)：a）回風(fēng)巷的通風(fēng)斷面不可過大。b）在保證CO濃度不至于危害人體健康和充足O2濃度的前提下，局扇的供風(fēng)量盡量減少。c）加快支架的回收速度，即縮短回風(fēng)側(cè)采空區(qū)在可能自燃帶停留的時(shí)間。以上3點(diǎn)都是為了避免出現(xiàn)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自然發(fā)火的必要條件。

4 其他防滅火措施的探討

一個(gè)有自然發(fā)火傾向的工作面，應(yīng)該有多種防滅火手段相配合的綜合防滅火措施，在采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火征兆時(shí)，才會采取有針對性的措施。由于工作面是下行通風(fēng)，采空區(qū)灌漿采用“采后灌漿”的方式（即材料運(yùn)輸兩巷都密閉之后灌漿），114工作面回收期間，只有注氮一種防滅火措施，因此，才會出現(xiàn)采空區(qū)自然發(fā)火劇烈發(fā)展的情況下，注氮陷入“孤立無援”的窘境。有必要了解更多與該礦相適應(yīng)的、較經(jīng)濟(jì)的防滅火措施。

通過在工作面上下隅角充填封堵，可以增大采空區(qū)的風(fēng)阻，當(dāng)工作面兩巷風(fēng)壓變化不大的情況下，根據(jù)漏風(fēng)阻力定律，采空區(qū)下隅角漏風(fēng)隨之減少。當(dāng)漏風(fēng)減少，就會減少采空區(qū)遺煤的供氧，氧化帶的范圍將會縮小，能夠防止采空區(qū)，特別是上下隅角的自然發(fā)火。

回采后期，在綜放面兩端順槽每間隔10~15 m，在兩巷各施工一道堵漏墻，然后墻體周圍噴射高分子堵漏材料（出于經(jīng)濟(jì)考慮，也可用沙袋替代）?，F(xiàn)場操作示意圖見圖6。

圖6 高分子泡沫材料在工作面上、下隅角充填示意圖

如果工作面易自然發(fā)火，并且回采進(jìn)度緩慢，用料石、水泥、沙子這些低成本材料構(gòu)筑擋風(fēng)堵漏設(shè)施，會在很大程度上防止采空區(qū)煤炭自燃事故的發(fā)生。

4.2 噴灑阻化劑

氣霧阻化劑防火工藝，是在漏風(fēng)通道入口設(shè)置霧化器，將阻化劑變?yōu)樽杌F，科學(xué)利用采空區(qū)漏風(fēng)流為載體，將阻化劑汽霧飄移流向采空區(qū)易自然發(fā)火的碎裂煤體，并附著在漏風(fēng)風(fēng)流所流經(jīng)的煤體表面，從而起到阻化防火的作用。

該防滅火技術(shù)投入小，前期購置的霧化泵站等設(shè)備可反復(fù)應(yīng)用于多個(gè)工作面，阻化劑成本低，但此防滅火技術(shù)是一項(xiàng)日常性的防滅火手段，需隨采隨噴。

5 結(jié)論

1）綜放工作面回收期間，回風(fēng)巷不可急于完全封閉，留設(shè)一定的風(fēng)流通道，將有利于控制下隅角的自然發(fā)火，但應(yīng)注意限制條件，防止造成更大范圍的火災(zāi)。

2）煤層自燃綜合防治是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，只有做好如工作面堵漏、采空區(qū)注氮等日常防火的基本工作，才可能真正避免出現(xiàn)CO超限事故。

3）注氮防滅火措施效果明顯，管理方便，但如果注氮量過大，將會降低工作面氧氣濃度，回收期間不利于人工作業(yè)，因此，應(yīng)掌握好注氮量。

4）114工作面采用下行通風(fēng)，一旦發(fā)生火災(zāi)，由于火風(fēng)壓的作用（火風(fēng)壓是向上的，與下行通風(fēng)風(fēng)流方向相反），極易導(dǎo)致煙流逆退、風(fēng)流反向，從而破壞通風(fēng)系統(tǒng)，擴(kuò)大災(zāi)害范圍，應(yīng)考慮是否在下個(gè)工作面采用上行通風(fēng)。

5）在開采易自燃煤層時(shí)，加快工作面推進(jìn)速度，才是防止煤炭自燃事故發(fā)生的根本性措施。

［1］楊勝強(qiáng)，徐全，黃金，等.采空區(qū)自燃“三帶”微循環(huán)理論及漏風(fēng)流場數(shù)值模擬［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，38（6）:769-773.

［2］張辛亥，劉燦，周金生，等.綜放面采空區(qū)流場模擬及自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26（1）：6-9.

［3］楊勝強(qiáng)，程濤.尾巷風(fēng)壓及風(fēng)量變化對采空區(qū)自然發(fā)火影響的理論分析與數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（2）:308-312.

Research on Fire Prevention and Control Technology of Fully-mechanized Caving Face at the End of Mining Period

Cheng Tao，Gao Zong-ming，Liu Fu-qian

It often happens coal spontaneous combustion accident of stop line at the end of mining period in fully-mechanized caving face.Bases on the hydromechanics and similar theory，establishes the mathematical model of full-mechanized caving mining face，according to the scope change of goaf spontaneous combustion three zones for judgment，researches on the problem whether return airway should be completely closed in the first place during the period of mining，it finds that on the condition of satisfying a certain premise，return airway designs a certain wind flow channel which is advantageous to prevent and control the lower corner and goaf spontaneous combustion by theoretical analysis and numerical simulation.Practice shows that comprehensive using fire prevention and control technology such as balance pressure，nitrogen injection，grouting and other can prevent and control spontaneous combustion of fully-mechanized face，ensure the safety production of working face.

End of mining period；Spontaneous combustion；Numerical simulation

TD75+2

B

1672-0652（2014）12-0039-04

2014-10-28

程濤（1984—），男，山西孝義人，2011年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(xué)，碩士研究生，工程師，主要從事礦井火災(zāi)與瓦斯防治方面的研究工作，（E-mail）37chengtao@163.com