干河煤礦2-216工作面采空區(qū)自燃三帶分布及防滅火技術(shù)研究

段國斌

(山西焦煤霍州煤電 霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-216工作面井下位于+80 m水平一采區(qū)的右翼，北側(cè)為F14斷層，西側(cè)為2-112工作面采空區(qū)，南側(cè)為2-118C工作面采空區(qū)，東側(cè)為F23斷層。工作面開采2號煤層，煤層平均厚度3.75 m，夾矸0.55 m左右，煤層傾角7～11°，平均傾角為9°，煤層普氏系數(shù)f=1.5，屬于穩(wěn)定性煤層。煤層直接頂為細(xì)粒砂巖，厚2.45 m，基本頂為K8中粒砂巖，厚4.8 m；直接底為炭質(zhì)泥巖，厚2.9 m，老底為K7中粒砂巖，厚3.1 m。頂板裂隙發(fā)育，底板為砂巖遇水不膨脹。

根據(jù)礦井地質(zhì)資料，2-216工作面絕對瓦斯涌出量0.74 m3/min，相對瓦斯涌出量0.46 m3/t，2號煤層具有自燃傾向，屬于Ⅱ級自燃煤層，自然發(fā)火期為61 d。由于工作面采用大采高綜采工藝，煤層回采后會有一定的煤炭遺留在采空區(qū)內(nèi)，為有效防止采空區(qū)出現(xiàn)遺煤自燃，特進(jìn)行采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律分析及防滅火技術(shù)設(shè)計。

2 采空區(qū)自燃三帶分布

2.1 現(xiàn)場實測分析

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[1-2]，目前我國針對采空區(qū)“三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)最常用的方法以氧氣濃度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，具體為：散熱帶為O2濃度>18%、自燃帶為18%≥O2濃度>8%、窒息帶為O2濃度<8%。現(xiàn)基于該劃分標(biāo)準(zhǔn)，采用埋管與束管相結(jié)合的方式進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)氧氣含量的測試，在工作面區(qū)域共計布置4個采樣點，具體采樣點布置形式如圖1所示。

圖1 2-216工作面采樣測點布置示意

通過對各個采樣點數(shù)據(jù)的采樣，采用氣相色譜儀進(jìn)行氣體成分的分析，根據(jù)測試結(jié)果得出工作面膠帶巷和回風(fēng)巷氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離間的關(guān)系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，工作面回風(fēng)巷的測點隨著工作面回采作業(yè)的推進(jìn)其氧氣濃度逐漸降低，在測點進(jìn)入采空區(qū)40 m時，氧氣濃度由原來的22%降低至18%，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)140 m時，氧氣濃度降低至8%，并進(jìn)入到采空區(qū)窒息帶；在工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)，由于其漏風(fēng)強度較大，測點在進(jìn)入采空區(qū)深度60 m時氧氣濃度才逐漸下降，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)150 m時，此時氧氣濃度下降至10%以下。

根據(jù)上述分析，結(jié)合采空區(qū)“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)，基于測試結(jié)果初步劃定采空區(qū)“三帶”的分布特征如表1所示。

圖2 氧氣濃度變化曲線

表1 基于測試結(jié)果的采空區(qū)“三帶”初步劃分

2.2 數(shù)值模擬分析

為進(jìn)一步掌握2-216工作面采空區(qū)“三帶”的分布特征，考慮到測試分析中存在著一定的偏差問題，故基于上述現(xiàn)場實測結(jié)果，結(jié)合工作面特征，采用Fluent數(shù)值模擬軟件，建立采空區(qū)長×寬=260 m×200 m的數(shù)值模型，將采空區(qū)視為各項同樣的多孔介質(zhì)[3]，忽略位能的影響，假定工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷在同一水平面內(nèi)，并忽略內(nèi)部阻力系數(shù)和粘性阻力系數(shù)在Z軸方向上的變化，結(jié)合工作面通風(fēng)特性，設(shè)置工作面供風(fēng)量為Q=1 000 m3/min，模擬采空區(qū)氧氣濃度分布和氧化自燃帶分布范圍，模擬結(jié)果如圖3所示。

由圖3可知，在工作面配風(fēng)量為1 000 m3/min時，工作面膠帶巷散熱帶范圍<52 m，氧化自燃帶為52～161 m，窒息帶為>161 m；工作面回風(fēng)巷散熱帶范圍為<46 m，氧化自燃帶為46～142 m，窒息帶為>142 m?；谏鲜龇治觯瑪?shù)值模擬得出采空區(qū)“三帶”的分布與實測結(jié)果基本一致。

圖3 采空區(qū)氧氣濃度分布和氧化自燃帶分布云圖

基于現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果，綜合確定2-216工作面采空區(qū)“三帶”的分布見表2。

表2 2-216工作面采空區(qū)“三帶”分布情況

3 工作面防滅火技術(shù)

3.1 防滅火方案設(shè)計

基于上述2-216工作面采空區(qū)“三帶”的分布特征，確定工作面回采期間采用灌漿+上下隅角袋子墻封堵+注氮的防滅火技術(shù)，具體各項措施參數(shù)設(shè)計如下：

1) 采空區(qū)灌漿。本次采空區(qū)灌漿采用黃泥漿，漿液的水灰比為1∶4～1∶2，漿液在地面固定式灌漿站進(jìn)行制備，在工作面回采期間，通過在工作面后方從膠帶巷向回風(fēng)巷方向鋪設(shè)1趟DN100 mm的鋼管，鋼管在工作面面長方向上每間隔30 m在其上加設(shè)1根花管，長度為1 m，并將灌注管路在工作面下隅角區(qū)域與灌漿系統(tǒng)相連接，當(dāng)工作面回采推進(jìn)50 m時，進(jìn)行灌漿。具體采空區(qū)灌漿布置形式如圖4所示。

圖4 采空區(qū)灌漿布置形式示意

2) 封堵工作面上下隅角。由于采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象的存在，會使得工作面上下隅角之間的風(fēng)力形成一定的壓差，給采空區(qū)內(nèi)提供一定氧氣，進(jìn)而為遺煤的氧化提供條件，故對工作面上下隅角進(jìn)行封堵，以減小氧化帶的范圍[4-6]。本次采用堆砌袋子墻的方式進(jìn)行上下隅角的封堵，以降低工作面上下隅角端頭未垮落區(qū)域的漏風(fēng)現(xiàn)象，具體端頭未冒落區(qū)域封堵形式如圖5所示。

圖5 上下隅角袋子墻封堵示意

3) 注氮惰化采空區(qū)。本次采空區(qū)注氮采用連續(xù)注氮方式，基于工作面特征確定注氮流量為2 000 m3/h，本次采空區(qū)注氮采用預(yù)埋管路的注氮工藝，工作面注氮管路埋入采空區(qū)50 m的深度，注氮管路預(yù)先在工作面膠帶巷內(nèi)敷設(shè)，一端埋入采空區(qū)內(nèi)，另一端與注氮系統(tǒng)連接，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，隨時調(diào)整注氮管路深入采空區(qū)的位置，始終保持注氮管路端頭深入采空區(qū)的深度為50 m，即將注氮管路始終埋設(shè)在采空區(qū)氧化自燃帶內(nèi)。

3.2 效果分析

為分析2-216工作面采空區(qū)防滅火技術(shù)的應(yīng)用效果，根據(jù)2-216工作面KSS-200型束管監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)防滅火技術(shù)實施后，工作面膠帶巷52～160 m范圍內(nèi)，即氧化自燃帶內(nèi)的一氧化碳濃度為0.001 7%，氧氣的濃度為5.5%；工作面回風(fēng)巷44～141 m，一氧化碳濃度為0.001 5%，氧氣濃度為5.3%。工作面回采期間無采空區(qū)自燃發(fā)火現(xiàn)象出現(xiàn)。

4 結(jié) 語

根據(jù)霍寶干河煤礦2號煤層的賦存情況及2-216工作面的特征，通過現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬的方式確定了工作面膠帶巷氧化自燃帶的范圍為52～160 m，回風(fēng)巷氧化自燃帶的范圍為44～141 m，基于采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，確定工作面采用灌漿+上下隅角袋子墻封堵+注氮的防滅火技術(shù)，現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，防滅火措施有效保障了采空區(qū)的安全。