易自燃綜放工作面控風(fēng)防滅火技術(shù)應(yīng)用

邢耀軍

（山西中鋼煤業(yè)有限公司，山西 呂梁 033400）

0 引言

隨著我國礦井機(jī)械化生產(chǎn)水平的不斷提高，綜采放頂煤技術(shù)廣泛應(yīng)用于井工煤礦的開采中。但由于工作面開采強(qiáng)度大、推進(jìn)速度慢，造成采空區(qū)遺留浮煤多、冒落空間大且不嚴(yán)實(shí)，同時(shí)，隨著工作面瓦斯涌出量的不斷增加，供風(fēng)量也相應(yīng)增大；造成漏風(fēng)嚴(yán)重，大大增加了采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)性，尤其是在自然發(fā)火周期短的煤層綜放開采過程中，嚴(yán)重制約著礦井安全生產(chǎn)［1-2］。

為弄清易自燃煤層綜放面不同供風(fēng)量對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布的影響，以某礦5212工作面為工程背景，采用現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合手段，對(duì)其進(jìn)行研究分析。并在此基礎(chǔ)上，制定了控風(fēng)堵漏防滅火措施，以期為類似礦井采空區(qū)火災(zāi)治理提供參考。

1 工作面概況

5212綜放工作面水平標(biāo)高236～275 m，工作面鄰界為5211采空區(qū)，正上方為5112和5113采空區(qū)。工作面煤層傾角平均16°左右，厚度在5.15～12.28 m之間，煤層由南向北逐漸變薄，所開采的煤種以褐煤為主，具有Ⅱ級(jí)自燃傾向性，自然發(fā)火期為22 d左右。煤層硬度f為1～2，工作面頂板屬于Ⅱ類中等穩(wěn)定，煤層瓦斯壓力為0.28 MPa，鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.025 6 d-1，滲透系數(shù)λ為0.086 4 m2/（MPa2·d），屬于難抽采煤層；工作面瓦斯涌出量為5.99 m3/min。工作面設(shè)計(jì)傾斜長160 m，走向可采長580 m，采用走向長壁后退式綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法控制采空區(qū)頂板，工作面采用U型通風(fēng)，開采初期的實(shí)際供風(fēng)量為785 m3/min。工作面的巷道布置如圖1所示。

圖1 5212綜放工作面巷道布置

2 采空區(qū)遺煤分布及漏風(fēng)分析

采空區(qū)自燃是遺煤耗氧、放熱與環(huán)境供氧、散熱之間微循環(huán)平衡關(guān)系動(dòng)態(tài)發(fā)展的結(jié)果［3］，采空區(qū)火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)主要與遺煤分布狀態(tài)和漏風(fēng)有關(guān)。

2.1 采空區(qū)遺煤分布

5212綜放面兩順槽附近的煤巖受回采應(yīng)力的影響，破碎嚴(yán)重且支護(hù)困難，在工作面回采推進(jìn)過程中，這兩道煤柱回采率較低，移架后，未放下的頂煤自然冒落堆積形成丟煤帶。

在開切眼附近和自停采線前方30 m處至停采線范圍內(nèi)，只采煤不放頂煤，煤壁受采動(dòng)應(yīng)力的影響明顯，煤體被壓裂破碎成松散狀，導(dǎo)致工作面推進(jìn)后，頂煤垮落形成厚度大、孔隙率低的浮煤層。而在正常卸壓區(qū)的采空區(qū)中部，遺煤量較少。因此，“兩道兩線”的采空區(qū)是浮煤積聚的區(qū)域，發(fā)生遺煤自燃的可能性最大。

2.2 采空區(qū)漏風(fēng)分析

5212綜放工作面鄰界和正上方均為大面積的采空區(qū)，受高強(qiáng)度的采動(dòng)影響，該工作面采空區(qū)與相鄰采空區(qū)之間的隔離煤巖易被壓裂、破碎，易造成采空區(qū)之間連通成一片；綜采放煤冒落空間大，頂板礦壓活動(dòng)劇烈，采空區(qū)上覆巖層裂隙貫通形成連通區(qū)域，連通區(qū)域隨著工作面的回采進(jìn)一步擴(kuò)大，在工作面負(fù)壓通風(fēng)條件下，將形成多源多匯漏風(fēng)通道，給本采空區(qū)和與之貫通的采空區(qū)內(nèi)的浮煤提供連續(xù)的通風(fēng)供氧環(huán)境，很容易引發(fā)自然發(fā)火［4］。

3 風(fēng)量變化對(duì)自燃“三帶”分布的影響

3.1 模型的建立

依據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和《5212綜放工作面作業(yè)規(guī)程》要求，按照“四算一校準(zhǔn)”原則，得到5212工作面的配風(fēng)量需求范圍為526～1 227 m3/min。為了得到不同供風(fēng)量下的自燃“三帶”分布規(guī)律，根據(jù)5212綜放工作面實(shí)際開采布置情況，建立一個(gè)長167.5 m、寬168.5 m的二維計(jì)算區(qū)域，利用COMSOL軟件對(duì)采空區(qū)內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬。其中，工作面寬度7.5 m，運(yùn)輸順槽長10 m、寬4.7 m，回風(fēng)順槽長10 m、寬3.8 m；風(fēng)流由運(yùn)輸順槽流入，經(jīng)工作面和采空區(qū)由回風(fēng)順槽流出；計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格選用非均勻三角形自動(dòng)劃分、生成，并對(duì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的局部區(qū)域進(jìn)行細(xì)化處理。

由于采空區(qū)空隙呈現(xiàn)不規(guī)則分布，氣體在采空區(qū)內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)也十分復(fù)雜，對(duì)采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流流動(dòng)進(jìn)行假設(shè)處理后，建立相應(yīng)的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程和組分傳輸方程［5-6］。

邊界條件設(shè)置時(shí)，入口（運(yùn)輸順槽）邊界類型選用Velocity-inlet，平均風(fēng)速1.07 m/s，風(fēng)流溫度21℃，氧氣濃度20.8%，氮?dú)鉂舛?9%；水力半徑4.0 m，湍流強(qiáng)度3.2%；出口（回風(fēng)順槽）邊界設(shè)置為Out-flow；采空區(qū)固壁剪切設(shè)置為無滑移邊界條件，工作面與采空區(qū)的邊界設(shè)置為Interior。采用有限體積法對(duì)采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)的控制方程進(jìn)行離散化，離散格式為二階迎風(fēng)，速度與壓力之間的耦合采用SIMPLE算法。

3.2 參數(shù)確定及模型驗(yàn)證

參數(shù)設(shè)定：采空區(qū)滲透率是影響氣體運(yùn)移的關(guān)鍵參數(shù)，它與多孔介質(zhì)孔隙大小和分布密切相關(guān)，可利用Blake-Kozeny公式進(jìn)行計(jì)算

式中：e—采空區(qū)滲透率，m2；Dp—多孔介質(zhì)平均粒子直徑，m；n—孔隙率。

采空區(qū)孔隙率n隨著離工作面距離的增加而減小，一般認(rèn)為距工作面100 m范圍內(nèi)的采空區(qū)孔隙率與距離成拋物線關(guān)系，距離超出100 m后，孔隙率不再隨距離變化，擬合得出孔隙率n與距工作面距離的關(guān)系如下

模型驗(yàn)證：為了驗(yàn)證模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，工作面回采初期，順著回風(fēng)順槽，沿工作面傾斜方向不等間距地布置束管監(jiān)測系統(tǒng)（6個(gè)監(jiān)測點(diǎn)），如圖2所示。抽取采空區(qū)內(nèi)的氣體，利用氣象色譜儀對(duì)氣體成分和濃度進(jìn)行分析，得到采空區(qū)監(jiān)測點(diǎn)氧濃度實(shí)測值與模擬值的對(duì)比，如圖3所示。從圖3看出，隨著束管埋入采空區(qū)深度的增加，采空區(qū)氧濃度模擬值實(shí)測值的變化趨勢相一致，誤差很小，說明所建立的數(shù)值模擬模型具有相當(dāng)?shù)目煽啃浴?/p>

圖2 采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)布置

3.3 模擬結(jié)果及分析

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究成果，目前關(guān)于采空區(qū)自燃“三帶”范圍的劃分界定方法主要有3種：采空區(qū)氧濃度法、漏風(fēng)風(fēng)速法和遺煤升溫速率法［7］。鑒于這3種方法均是獨(dú)立考慮氧化蓄熱條件的影響，而忽略了它們內(nèi)在的共同影響和相互關(guān)系，采用氧濃度和漏風(fēng)風(fēng)速相結(jié)合的方法來劃分采空區(qū)“自燃”三帶范圍，即以漏風(fēng)風(fēng)速0.004 m/s為散熱帶與氧化帶的界限，以氧氣濃度8%為氧化帶與窒息帶的界限，對(duì)不同供風(fēng)量下的采空區(qū)氧濃度分布和“三帶”范圍進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和分析。

圖3 采空區(qū)氧濃度實(shí)測與模擬值對(duì)比

在原有的供風(fēng)量785 m3/min情況下，5212綜放面采空區(qū)氧濃度分布和“三帶”范圍模擬劃分結(jié)果，如圖4所示。可以看出，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量大，其附近采空區(qū)內(nèi)的氧濃度較高，且高濃度區(qū)域范圍廣；隨著距工作面距離的加大，采空區(qū)內(nèi)的壓實(shí)程度越高，氧氣濃度逐漸降低。此外，沿工作面傾向方向，在進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)壓差作用下，采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量逐漸減少，氧化帶寬度也逐漸縮小；最大氧化帶的起始、終止位置分別距切頂線31.3 m和89.6 m，氧化帶寬度為58.3 m。

工作面不同供風(fēng)量下的采空區(qū)氧化帶寬度見表1，從表中數(shù)據(jù)可明顯看出，隨著工作面供風(fēng)量的增加，采空區(qū)氧化帶的前后邊界均向采空區(qū)深部移動(dòng)，但后邊界的移動(dòng)速度要快于前邊界，氧化帶寬度總體呈增大趨勢。

表1 工作面不同供風(fēng)量下的采空區(qū)氧化帶范圍

4 防滅火措施及效果檢驗(yàn)

4.1 低風(fēng)量通風(fēng)

圖4 風(fēng)量為785 m3/min時(shí)采空區(qū)氧濃度分布及“三帶”劃分

工作面供風(fēng)量越大，漏風(fēng)越多，采空區(qū)氧化帶越寬，采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性就越大。因此，在滿足排放瓦斯和保證工作面適宜環(huán)境溫度的前提下，從預(yù)防采空區(qū)自燃的角度考慮，應(yīng)盡可能采用低風(fēng)量通風(fēng)技術(shù)。經(jīng)過計(jì)算核定，5212綜放工作面最低需風(fēng)量為526 m3/min，考慮瓦斯涌出的不穩(wěn)定性，通風(fēng)系數(shù)取1.15～1.25，通過風(fēng)簾調(diào)節(jié)將工作面合理供風(fēng)量控制在604.9～657.5 m3/min內(nèi)，當(dāng)瓦斯涌出量大時(shí)，可適當(dāng)提高風(fēng)量，確保工作面瓦斯不超限。

4.2 構(gòu)筑隔離墻抑制漏風(fēng)

工作面采空區(qū)漏風(fēng)滿足阻力定律［8］

式中：Hf—工作面進(jìn)回風(fēng)巷壓差，Pa；P1、P2—漏風(fēng)起、終點(diǎn)的壓力，Pa；Rf—漏風(fēng)風(fēng)阻，kg/m7；Q—漏風(fēng)風(fēng)量，m3/s；n—漏風(fēng)流態(tài)指數(shù)，取1～2。

在工作面進(jìn)回風(fēng)巷風(fēng)壓差保持不變的情況下，在采空區(qū)“兩道”側(cè)增設(shè)隔離墻能有效增大漏風(fēng)風(fēng)阻Rf，減少采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)量Q。如圖5所示，自工作面兩側(cè)隅角切頂線起，每隔5～8 m，采用充填的構(gòu)筑隔離墻進(jìn)行堵漏，改變采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流場分布，縮小氧化帶寬度范圍，抑制遺煤自燃。

圖5 采空區(qū)上下隅角土袋墻封堵

4.3 防滅火效果檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)在上述措施中采取的防滅火效果，開采期間布置5組采空區(qū)氣體成分監(jiān)測系統(tǒng)，以CO濃度為主要監(jiān)測指標(biāo)，結(jié)果如圖6所示?；夭善陂g，回風(fēng)流CO濃度0～31×10-6，極少出現(xiàn)過瓦斯或CO超限現(xiàn)象，上隅角CO濃度在12×10-6～60×10-6，經(jīng)局部通風(fēng)措施降低到24×10-6以下，直至5212綜放工作面采畢，共推進(jìn)531 m?？梢?，采用綜合預(yù)防措施，實(shí)現(xiàn)了工作面的安全回采。

圖6 上隅角和回風(fēng)流中CO監(jiān)測濃度

5 結(jié)論

（1）結(jié)合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方式，獲得了5212綜放工作面采空區(qū)氧化帶寬度與供風(fēng)量之間的關(guān)系。

（2）經(jīng)現(xiàn)場效果檢驗(yàn)，采取控制工作面進(jìn)風(fēng)量和采空區(qū)隔離堵漏相結(jié)合的方法，有效解決了采空區(qū)遺煤自燃的問題，確保了工作面的順利回采。