中厚煤層采煤面停采期間采空區(qū)綜合防火工藝研究

王明龍，李 強(qiáng)，孟凡平

(棗莊礦業(yè)(集團(tuán))付村煤業(yè)有限公司，山東省濟(jì)寧市，277605)

隨著我國中厚煤層綜采技術(shù)的試驗(yàn)和推廣，煤炭產(chǎn)量和效率顯著提高[1]。然而，由于綜采技術(shù)一次性開采強(qiáng)度大，端頭支架處頂?shù)酌夯夭陕实?，頂板冒落高度大，采空區(qū)存在遺煤和漏風(fēng)，使得煤體自燃危險(xiǎn)性增加，嚴(yán)重威脅安全開采。此外，由于礦用機(jī)電設(shè)備功率大、散熱多的問題，引起采空區(qū)溫度增高，增加了煤體自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重制約了綜采技術(shù)的發(fā)展[2-4]。

相關(guān)研究表明，對于一個(gè)特定煤層的自然發(fā)火，其氧化放熱性能是一定的，只要浮煤厚度和粒度適中，采空區(qū)供氧充分，并且在發(fā)火期內(nèi)推進(jìn)距離小于自燃帶寬度，就有可能發(fā)生采空區(qū)后方浮煤自燃[5-7]。只有掌握綜采面采空區(qū)自燃帶范圍，才能對采空區(qū)浮煤自燃做出預(yù)測，降低火災(zāi)事故發(fā)生的可能。國內(nèi)研究學(xué)者對煤體自燃的危險(xiǎn)區(qū)域判定做了大量研究工作。齊慶杰、黃伯軒[8]、章楚濤[9]等通過研究采空區(qū)火災(zāi)氣體濃度分布與流動(dòng)規(guī)律，分析了氣體濃度分布流動(dòng)規(guī)律與火源點(diǎn)之間存在的聯(lián)系，建立了判斷采空區(qū)火源位置的數(shù)學(xué)模型。鄧軍[10-11]通過對煤自燃過程及參數(shù)的理論分析，得到不同供風(fēng)強(qiáng)度、散熱邊界條件和煤的粒度等對煤最短自然發(fā)火期的影響關(guān)系，并將該理論應(yīng)用于兗州煤田最短自然發(fā)火期的確定。徐精彩[12-13]根據(jù)能量守恒原理，結(jié)合采空區(qū)實(shí)際浮煤厚度、漏風(fēng)強(qiáng)度和氧氣濃度分布，提出了采空區(qū)遺煤自燃極限參數(shù)的計(jì)算方法，構(gòu)建了煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定的必要條件；根據(jù)煤最短自然發(fā)火期與采空區(qū)氧化升溫帶的變化規(guī)律，提出能夠引發(fā)自燃的最小推進(jìn)速度計(jì)算方法，確定了自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定的充分條件。對于煤體自燃火災(zāi)的預(yù)控技術(shù)，國內(nèi)外學(xué)者與研究人員通過大量試驗(yàn)研究與實(shí)踐積累，總結(jié)出了高效、針對性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)的礦井防滅火技術(shù)，主要分為堵漏、灌漿、惰化、惰泡、阻化劑、膠體、兩相或三相泡沫防滅火技術(shù)[14-17]。

本篇在對留煤柱開采自燃進(jìn)行分析研究的基礎(chǔ)上，開展采空區(qū)煤自燃“三帶”研究，確定正常回采情況下的采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域，并針對棗礦集團(tuán)付村煤業(yè)有限公司的開采條件，深入研究中厚煤層采煤面停采期間綜合防火工藝并開展生產(chǎn)實(shí)踐，有效防治了中厚煤層采煤面自然發(fā)火，提高了井下安全生產(chǎn)水平與生產(chǎn)效率。

1 煤礦概況

1.1 工作面概況

付村煤業(yè)有限公司地處滕縣煤田南部，井田內(nèi)含煤地層主要為石炭系的太原組和二疊系的山西組，可開采煤層為3上、3下、12下、14、16號煤層，其中，3上、3下號煤層為主采煤層，煤類為氣煤。主采煤層煤層傾角平緩、瓦斯含量較低，頂?shù)装鍡l件較好。3上603工作面煤層平均厚度5 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤法回采，自2019年10月4日開始回采至 2020年3月10日停采，累計(jì)推采走向長度370 m。工作面采用U型全負(fù)壓通風(fēng)方式，正常生產(chǎn)期間供風(fēng)量約1 200 m3/min。該礦井屬低瓦斯礦井，煤層具有自然發(fā)火傾向，自燃傾向性等級為Ⅱ級，最短發(fā)火期為60 d。

1.2 留煤柱采場自然發(fā)火原因分析

付村煤業(yè)有限公司屬于近距離煤層群開采，回采過程相當(dāng)于單一煤層的回采。在初次放頂之前，因未充分陷落，采空區(qū)漏風(fēng)量大，工作面風(fēng)速低。在老頂巖層未垮落之前，隨著回采工作面的推進(jìn)，工作面煤壁與采空區(qū)煤壁的壓力會(huì)逐步增高，片幫現(xiàn)象隨工作面推進(jìn)距離的增加而加劇。隨片幫出現(xiàn)的浮煤會(huì)沿煤壁側(cè)堆積，煤壁裂隙也會(huì)向煤體內(nèi)發(fā)展，特別是大采高并留有護(hù)頂煤時(shí)，浮煤堆積現(xiàn)象就更為嚴(yán)重。同時(shí)隨著采空區(qū)范圍的擴(kuò)大，工作面兩端的煤壁或煤柱的支承壓力也會(huì)逐步增大，廢棄于采空區(qū)一側(cè)的巷道煤壁也會(huì)出現(xiàn)片幫和浮煤堆積現(xiàn)象。采用留煤柱護(hù)巷的后退式開采方法，浮煤沿廢棄的巷道、煤壁堆積的現(xiàn)象是難以防止的，因而采空區(qū)邊緣具備自然發(fā)火的重要條件。另外，在回采過程中，沿工作面也會(huì)遺留浮煤，特別是工作面頂板留有護(hù)頂煤或有不可采層時(shí)，因而陷落后的采空區(qū)也就具有了自然發(fā)火的條件。

2 現(xiàn)場觀測及數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)煤自燃“三帶”的現(xiàn)場觀測實(shí)施方案

結(jié)合付村煤業(yè)有限公司綜采面接續(xù)狀況，選定一次采全高具有代表性的3上603工作面作為采空區(qū)自燃“三帶”區(qū)域測定地點(diǎn)，對采空區(qū)內(nèi)的氣體成分、濃度進(jìn)行取樣分析，總結(jié)其隨回采進(jìn)程推進(jìn)的變化規(guī)律，確定正?；夭汕闆r下的采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域。具體測定實(shí)施方案如下。

(1)測試線路鋪設(shè)前先將外徑為60 mm的保護(hù)套管(回風(fēng)巷100 m)、束管(回風(fēng)巷100、90、80、70、60、50、40、30、20 m，共計(jì)540 m)、采樣點(diǎn)保護(hù)裝置、快速接頭、三通等所需材料運(yùn)至工作地點(diǎn)。根據(jù)采樣分析情況適時(shí)延長束管長度。

(2)通過保護(hù)套管穿束管和測溫線纜，將預(yù)先抽出的單芯束管扣出，拽入三通的斜管內(nèi)。該過程中，應(yīng)避免將束管擰斷、折死，保持束管通暢且不漏氣。

(3)1號采樣頭及測溫裝置安裝固定。

(4)保護(hù)套管的連接，對采樣點(diǎn)處保護(hù)套管固定保護(hù)。

(5)在回風(fēng)巷道內(nèi)束管出口處抽取氣樣，測溫裝置連接至監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測。

(6)每9 m增加1個(gè)采樣頭，2～9號測點(diǎn)采樣頭向外以此類推進(jìn)行安設(shè)。

現(xiàn)場觀測的主要工作是在采空區(qū)預(yù)埋管路，進(jìn)行氣體抽樣、分析，布置溫度傳感器監(jiān)測實(shí)時(shí)溫度等，以掌握采空區(qū)氣體濃度隨工作面推進(jìn)的變化情況。這里，以5%～18%含氧量和采空區(qū)溫度監(jiān)測采集數(shù)據(jù)為輔作為采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)。本次測試在回風(fēng)巷布置9個(gè)測點(diǎn)，獲取符合客觀實(shí)際的氣體數(shù)據(jù)，測點(diǎn)布置如圖1所示。使用取樣球膽將現(xiàn)場抽取的氣體樣品送至地面氣相色譜儀進(jìn)行色譜分析，分析所得氣體樣品中的成分為一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氧氣(O2)、氮?dú)?N2)、二氧化碳(CO2)以及烷、烯烴類氣體(CnHm)。

圖1 測點(diǎn)分布示意圖

要預(yù)測綜采面采空區(qū)浮煤自燃情況，需要掌握采空區(qū)自燃帶范圍、O2、CO、CO2和CH4濃度，以及工作面日常實(shí)際推進(jìn)距離、工作面風(fēng)量等參數(shù)?；诟鱾€(gè)參數(shù)對采空區(qū)自燃的變化和分布規(guī)律進(jìn)行了綜合研究和分析，確定工作面后方自燃“三帶”的分布范圍。

2.2 自燃“三帶”數(shù)值模擬

通過布置在回風(fēng)隅角的測點(diǎn)初步了解采空區(qū)氧氣等氣體的分布特征，但對于整個(gè)采空區(qū)來說，僅僅依靠布置在回風(fēng)隅角的測點(diǎn)顯然是不夠全面的。因此，在實(shí)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)和驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)進(jìn)一步研究了整個(gè)采空區(qū)氧氣濃度分布特征，最后結(jié)合現(xiàn)場觀測和模擬數(shù)據(jù)對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了劃分。

將CFD理論應(yīng)用于數(shù)值模擬的本質(zhì)是求解納維葉-斯托克斯(Navier-stokes，簡寫“N-S”)方程。N-S方程由一系列描述流體流動(dòng)的偏微分方程組成。描述采空區(qū)氣體流動(dòng)，必須遵守質(zhì)量守恒、能量守恒和動(dòng)量守恒定律，包括不同組分的混合和傳質(zhì)，還必須遵守組分守恒定律。控制方程結(jié)合特定的邊界條件和初始條件，構(gòu)成采空區(qū)氣體流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型?；谏鲜龌A(chǔ)理論，利用FLUENT軟件模擬采空區(qū)氣體的運(yùn)移規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 采空區(qū)氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

氧氣濃度是采空區(qū)自燃“三帶”劃分的主要依據(jù)[18]。采空區(qū)氧氣濃度的變化可以直接反映采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)和遺煤氧化環(huán)境，結(jié)合監(jiān)測所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)，本次“三帶”的劃分以18%和10%作為劃分的指標(biāo)，具體為：不燃帶O2>18%；自燃帶18%>O2>10%；窒息帶O2<10%。通過束管抽檢，得到采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線，如圖2所示。

圖2 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化等高線圖

對采空區(qū)氧氣濃度變化曲線進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)回風(fēng)側(cè)及中部氧氣濃度隨著工作面的推進(jìn)逐步下降。當(dāng)工作面推進(jìn)距離在150 m左右時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度下降到15%，當(dāng)采空區(qū)回風(fēng)側(cè)距離達(dá)到300 m時(shí)，氧氣濃度低于10%，進(jìn)入窒息帶。在注漿錨索支護(hù)的影響下，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)頂板強(qiáng)度不足，漏風(fēng)強(qiáng)度較大。當(dāng)工作面推進(jìn)距離100 m以上時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度開始下降，但下降趨勢緩慢。當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到175 m左右時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度降至18%以下。當(dāng)工作面推進(jìn)距離達(dá)到350 m左右時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度降至10%以下，進(jìn)入窒息帶。

3.2 模擬結(jié)果分析

配風(fēng)量1 750 m3/min時(shí)采空區(qū)氧氣濃度場分布及自燃帶分布云圖見圖3。由圖3可以看出，含氧量高的區(qū)域廣泛分布在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，在采空區(qū)322 m左右的深度，進(jìn)風(fēng)側(cè)含氧量仍達(dá)到10%以上。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度迅速下降，在采空區(qū)78 m處已降至18%以下。采空區(qū)高氧區(qū)呈現(xiàn)典型的“C”型分布，與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本一致，說明建立的CFD模型能夠反映采空區(qū)氧氣分布的真實(shí)情況。

圖3 配風(fēng)量為1 750 m3/min時(shí)的采空區(qū)底板氧氣濃度分布云圖

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

采空區(qū)自燃“三帶”是以現(xiàn)場實(shí)測為基礎(chǔ)，以數(shù)值模擬技術(shù)為輔助劃分的，并以此確定了3上603工作面采空區(qū)的易自燃區(qū)域分布特征。按氧氣濃度劃分采空區(qū)“三帶”范圍見表1。3上603工作面采空區(qū)自燃帶的分布如圖4所示。

表1 按氧氣濃度劃分采空區(qū)“三帶”范圍

圖4 3上603工作面采空區(qū)自燃帶的分布

經(jīng)過分析可知，3上603綜采工作面采空區(qū)自燃帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)的分布范圍較廣，沿走向長達(dá)130 m左右；而在采空區(qū)中部自燃帶的分布區(qū)域較為狹窄。最終確定綜采面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍為：進(jìn)風(fēng)側(cè)175～300 m，回風(fēng)側(cè)50～250 m。

4 綜采面停采期間防止自然發(fā)火工藝研究與應(yīng)用效果分析

為消除3上603綜采面停采期間因煤炭緩慢蓄熱升溫及其他原因引起的自然發(fā)火隱患，結(jié)合3上603停采面的實(shí)際情況，提出“降低供風(fēng)量+封堵漏風(fēng)通道+煤壁噴涂封閉+兩巷采空區(qū)浮煤隔氧冷卻”的治理思路。

4.1 采空區(qū)遺煤阻化劑噴灑

正?；夭蓵r(shí)，每天對回風(fēng)隅角遺煤處灑阻化劑不少于50 kg，與水配比濃度10%～20%。工作面停采后采取防滅火材料充填封堵措施前，每7 d對工作面裸露煤體灑一次阻化劑，數(shù)量以覆蓋裸露遺煤為準(zhǔn)。當(dāng)工作面兩隅角以外的采空區(qū)受地質(zhì)條件、層位調(diào)整等原因影響，采空區(qū)出現(xiàn)可能造成自然發(fā)火的遺煤時(shí)，可根據(jù)自然發(fā)火危險(xiǎn)性的嚴(yán)重程度，對采空區(qū)遺煤噴灑阻化劑，阻化劑噴灑量視具體情況計(jì)算。

噴灑阻化劑使用ZBQ-25/5型氣動(dòng)阻化劑噴灑泵，阻化劑采用ZH型復(fù)合阻化劑，PH值為6.5～8.5，自然堆積密度為0.8～1.1 g/cm3，阻化劑環(huán)保性與安全性評估符合要求。

4.2 降低工作面供風(fēng)量，維持通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定

在滿足工作面停采期間正常所需風(fēng)量要求及瓦斯?jié)舛炔怀薜那疤嵯?，進(jìn)一步降低工作面供風(fēng)量，由1 800 m3/min縮至560 m3/min，從而降低采空區(qū)漏風(fēng)，迫使采空區(qū)遺煤“氧化帶”前移并縮小。風(fēng)量調(diào)整后采空區(qū)“三帶”分布情況如圖5所示。

圖5 風(fēng)量調(diào)整后采空區(qū)“三帶”分布示意圖

4.3 封堵漏風(fēng)通道

(1)上下隅角+架后空峒等漏風(fēng)通道充填封堵。工作面停采后，在進(jìn)、回風(fēng)隅角各布置1個(gè)注漿孔，出漿口位于隅角封堵的防滅火材料墻內(nèi)3～4 m，通過注漿管向隅角內(nèi)充填普瑞特II型防滅火材料。普瑞特(JTF-II型)防滅火材料經(jīng)化學(xué)自發(fā)泡生成泡沫充填體，膨脹倍數(shù)在10倍以上，生成過程不產(chǎn)生熱量，初期具有良好的擴(kuò)散性，能向較大范圍充填封堵，最終形成的固化泡沫體能與煤巖體固結(jié)，實(shí)現(xiàn)高效封堵。

(2)工作面兩端部(各15架)架后空間充填封堵。在工作面兩端部1～15號架、151～165號架范圍，每隔2臺支架布置1個(gè)注漿鉆孔。注漿鉆孔開孔位置位于煤層底板以上約1.8 m，鉆孔仰角15°～20°，鉆孔長度約3.2 m，終孔點(diǎn)位于架后3 m，煤層底板之上3 m。鉆孔施工完畢后，將注漿設(shè)備直接連接注漿鉆孔，向架后空間內(nèi)灌注充填普瑞特II型防滅火材料，封堵漏風(fēng)通道。

(3)工作面中部架間裂隙充填封堵。工作面中部架間較寬的漏風(fēng)通道采用人工移動(dòng)式插管的方式插入注漿管，插入深度約0.5～1.5 m，連接注漿管路進(jìn)行充填。

(4)工作面兩端吊掛風(fēng)帳導(dǎo)向風(fēng)流。充填封堵施工結(jié)束后，在工作面兩端各30 m范圍支架前立柱前吊掛風(fēng)帳，風(fēng)帳兩端至上、下巷巷幫，以減少工作面架后漏風(fēng)。

4.4 工作面兩巷煤壁等裸露煤體噴涂封閉

為防止破碎煤壁氧化，需對煤壁噴涂塑性密閉材料。塑性密閉材料(JPF-Ⅱ)能有效封閉煤巖巷道表面，具有優(yōu)越的塑性及延展性，可高效應(yīng)對巷道表面的動(dòng)態(tài)二次壓裂，大幅度提高封閉效果。主要封閉范圍為工作面兩巷及進(jìn)、回風(fēng)隅角以外15 m范圍裸露煤壁。

查看現(xiàn)場支架間隙情況，對滿足噴涂施工要求的支架間隙采用人工噴涂的方式，按由頂向底的順序進(jìn)行噴涂，覆蓋整個(gè)煤壁，噴涂厚度控制在3～5 mm，確保煤壁、錨網(wǎng)表面均勻覆蓋。對噴涂區(qū)域進(jìn)行檢查，漏噴、覆蓋不嚴(yán)區(qū)域應(yīng)及時(shí)補(bǔ)噴。

4.5 兩巷采空區(qū)側(cè)浮煤全覆蓋隔氧冷卻

為防止兩巷采空區(qū)側(cè)浮煤氧化，需對該浮煤隱患區(qū)灌注含水率高的防滅火材料進(jìn)行大范圍、全方位覆蓋，起到隔氧、冷卻功能，最大限度降低浮煤氧化隱患。普瑞特Ⅰ型防滅火新技術(shù)使用普瑞特礦用防滅火專用液(JTF-I型)，利用微膠囊技術(shù)對成膠材料進(jìn)行表面處理，在水生成泡沫以后，再把成膠材料釋放出來，實(shí)現(xiàn)先發(fā)泡、后成膠的理想狀態(tài)，具有擴(kuò)散、堆積性好，保水、降溫性優(yōu)，黏附、封堵性優(yōu)，熱穩(wěn)定性優(yōu)，阻化、惰化性好的特點(diǎn)。

在工作面上下隅角位置向采空區(qū)側(cè)分別布置一組長短配合注漿鉆孔，短鉆孔位于采空區(qū)內(nèi)10 m，煤層底板以上4～5 m。長鉆孔位于采空區(qū)內(nèi)20 m，煤層底板以上4～5 m。

4.6 應(yīng)用效果

(1)有效防止停采面自然發(fā)火。停采工作面若不及時(shí)回撤封閉，支架后采空區(qū)氧化帶長期處于氧化積熱狀態(tài)，極易造成自然發(fā)火。采用中厚煤層采煤面停采期間的綜合防火工藝，對停采面兩隅角和支架間用塑性噴涂材料封堵，使得支架后采空區(qū)與支架前新鮮風(fēng)流隔絕，有效防止支架后采空區(qū)氧化帶的氧化積熱，杜絕停采面長期不回撤的自然發(fā)火現(xiàn)象。

(2)減少停采面回撤封閉、再恢復(fù)生產(chǎn)的工作量。若不采用中厚煤層采煤面停采期間的綜合防火工藝，停采面必須對支架及兩巷設(shè)備進(jìn)行回撤封閉，恢復(fù)生產(chǎn)前需重新補(bǔ)打切眼，重新安裝支架及兩巷設(shè)備，造成巨大的人工浪費(fèi)。

(3)減少煤炭資源浪費(fèi)。停采面回撤封閉再恢復(fù)生產(chǎn)，需在原回撤開切眼向外留煤柱再重新補(bǔ)打開切眼，這樣不僅浪費(fèi)補(bǔ)打開切眼工作量，還造成留煤柱的資源浪費(fèi)。

中厚煤層停采面期間，采用綜合防滅火工藝，有效防止停采面自然發(fā)火，為礦井采掘有序生產(chǎn)提供了安全保障和時(shí)間保障，節(jié)約了不必要的開采成本，減少了工作面安裝回撤費(fèi)用800余萬元。

5 結(jié)論

(1)采用采空區(qū)敷設(shè)束管和采樣頭的方式對采空區(qū)氣體進(jìn)行了實(shí)測研究。實(shí)測表明，綜采面采空區(qū)高氧氣濃度分布范圍較廣。比如，在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)深部大于50 m時(shí)，氧氣濃度才降至18%以下，大于150 m時(shí)，氧氣濃度才降至15%以下。

(2)使用Fluent軟件對所得結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)高氧區(qū)域呈典型的“C”型分布，這與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)基本吻合，說明建立的CFD模型能夠反映采空區(qū)氧氣分布的真實(shí)情況。確定了3上603工作面采空區(qū)的易自燃區(qū)域分布特征。

(3)提出“降低供風(fēng)量+封堵漏風(fēng)通道+煤壁噴涂封閉+兩巷采空區(qū)側(cè)浮煤隔氧冷卻”的治理思路，通過3上603停采面現(xiàn)場實(shí)踐證明，中厚煤層采煤面停采期間綜合防火工藝的研究應(yīng)用，是杜絕工作面回撤期間自然發(fā)火較有效的方法之一，為相似條件下的自然發(fā)火防治提供了一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，并為井工煤礦采煤工作面自然發(fā)火防治技術(shù)提供了十分重要的借鑒意義。