類比分析法在防滅火工程中的實踐與應(yīng)用

任寶生

（山西靈石紅杏廣進寶煤業(yè)有限公司，山西朔州036800）

煤礦火災被認為是影響礦井安全生產(chǎn)的五大災害之一[1]。煤礦如果不小心引起火災，其火勢一般較難控制，并且影響的范圍也比較廣泛，不僅會給煤炭資源造成一定的損失，打亂煤礦的正常生產(chǎn)部署，而且嚴重時還會引起瓦斯爆炸，并進一步使災害的程度和范圍擴大，對礦井的安全生產(chǎn)造成一定的危害[2]。重大煤礦火災事故的發(fā)生，對我國的煤炭生產(chǎn)產(chǎn)生了較大的負面影響，也對我國煤炭企業(yè)的經(jīng)濟效益產(chǎn)生難以估量的影響[3]。因此，在礦井生成過程中要有效的加強煤礦火災的防治工作，保證煤礦安全有效地進行生產(chǎn)，這就要求我們在煤礦的生產(chǎn)過程中熟知火災的引起因素和一些必要的防治措施，盡量避免煤礦火災的發(fā)生。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

山西朔州平魯區(qū)后安煤炭有限公司后安煤礦位于朔州市平魯區(qū)東南約14.5km陶村鄉(xiāng)王高登村附近，行政隸屬于平魯區(qū)陶村鄉(xiāng)管轄。井田面積4.8336km2，批準開采4#煤層~11#煤層，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力500×104t/a。井田采用斜井開拓方式，有主斜井、副斜井、行人斜井和回風立井四個井筒。礦井共設(shè)兩個開拓水平，一水平標高為+1135m，開采井田范圍內(nèi)的4#煤層，二水平標高為+1072m，開采9#煤層和11#煤層。礦井通風方式為中央分列式，通風方法為機械抽出式，主扇為2臺FBCDZ-10-№30型對旋式軸流通風機，一臺工作，一臺備用，配備電機型號為YBF630S1-10，功率280kW×2。礦井回采工作面采用全負壓通風，掘進工作面采用壓入式通風，礦井風量及各用風地點風量滿足礦井生產(chǎn)需要，且通風系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)。根據(jù)2019年瓦斯等級鑒定結(jié)果，礦井瓦斯絕對涌出量為2.95m3/min，相對瓦斯涌出量為0.43m3/t，屬低瓦斯礦井。煤層自燃傾向等級均為Ⅱ類，均屬自燃煤層，自然發(fā)火期為83d，煤塵均有爆炸危險性。礦井采掘機械化程度100%。目前4#煤層布置1個綜放工作面、1個掘進工作面，9#煤層布置1個綜放工作面、5個掘進工作面。

1.2 工作面概況

90303工作面位于井田東北部，東為90302采空區(qū)；西為90304備采工作面；南為903采區(qū)軌道、回風、膠運巷；北為礦界保安煤柱。對應(yīng)上覆4號層8505、8507、北輔采空區(qū)，煤層厚度在12.80~14.05m，平均煤厚13.2m。

90303工作面所采煤層為9#煤，采用綜采放頂煤走向長壁采煤方法開采，頂板管理采用全部垮落法，割底留頂煤，走向長度412.6m，工作面長度173.2m，工作面通風采用一進一回的U型負壓通風方式，工作面需風量為1080m3/min。

2 問題的提出

90303綜放工作面于2020年5月30日開始回采，截止目前為止已經(jīng)生產(chǎn)2個月，工作面推進長度251m。2020年7月25日瓦斯檢查員在工作面上隅角檢查氣體濃度時發(fā)現(xiàn)上隅角出現(xiàn)了CO氣體，瓦斯檢查員用多種氣體測定管對上隅角CO濃度進行測定，氣體濃度為11ppm，用CO便攜儀測定上隅角CO濃度為13ppm。8月3~5日瓦斯員對90303綜采面上隅角傳感器處、上隅角切頂柱處、后溜尾處、回風流4個取樣點采集氣樣，通風區(qū)化驗室對采集氣樣進行了化驗分析，化驗結(jié)果顯示CO濃度在12~16ppm范圍內(nèi)，無C2H2、C2H4、C2H6等其它自燃標志氣體。

3 原因分析

3.1 90303工作面上隅角出現(xiàn)CO的可能原因

（1）采空區(qū)遺留煤炭在氧氣進入的情況下發(fā)生緩慢氧化發(fā)生陰燃，產(chǎn)生大量的CO氣體，并隨著風流涌入工作面上隅角。

（2）在90303工作面回采過程中采空區(qū)受礦壓影響，導致90303采空區(qū)與相鄰90302采空區(qū)、902采區(qū)的采空區(qū)相連通，最終相鄰采空區(qū)內(nèi)CO氣體受通風負壓影響涌入90303采空區(qū)，繼而從90303上隅角涌出，導致90303上隅角出現(xiàn)CO氣體。

（3）隨著90303工作面推進，采空區(qū)頂板垮落，使對應(yīng)地表塌陷或者出現(xiàn)裂縫，導致90303采空區(qū)與上覆4#煤層8505、8507采空區(qū)、北輔采空區(qū)及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區(qū)內(nèi)CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區(qū)，又從采空區(qū)向上隅角涌出。

3.2 針對不同情況采用類比法具體原因分析

類比分析法的工作原理是利用與擬建項目類型相同的現(xiàn)有項目的設(shè)計資料或?qū)崪y數(shù)據(jù)進行工程分析的方法。是工程分析常用的方法，也是定量結(jié)果較為準確的方法。但該方法要求時間長、工作量大。在評價時間允許、評價工作等級較高、又有可資參考的相同的或相似的現(xiàn)有工程時，應(yīng)采用此法。

（1）針對采空區(qū)遺留煤炭自燃原因分析。

①運用類比法進行分析，由于90303綜放工作面與其相鄰的90302工作面都是回采的9#煤層，所開采煤層的厚度、傾角、地質(zhì)構(gòu)造基本相同，并且90302綜放工作面切眼長度與90303綜放工作面切眼長度一樣也是173.2m，同樣都是采用的綜采放頂煤回采工藝，采空區(qū)都遺留了大量的煤炭，因此具有很大的相似性和可比性。90302綜放工作面于2020年5月18日回采結(jié)束開始鋪網(wǎng)回撤到2020年7月4日工作面回撤結(jié)束歷時46d，整個工作面在既沒有回采并且又不斷地通風的情況下采空區(qū)遺留煤炭未發(fā)生陰燃，上隅角也未出現(xiàn)CO氣體，那么通過類比可知相同條件下90303工作面采空區(qū)遺留煤炭不可能發(fā)生陰燃。

②按采煤工作面采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃危險性的不同，可將采空區(qū)劃分為散熱帶、自燃帶和窒熄帶[4]。在采煤工作面推進過程中，采空區(qū)自燃“三帶”范圍和寬度隨采煤工作面漏風量、氧濃度、浮煤厚度和采空區(qū)溫度等因素動態(tài)變化[5]。

重慶煤科院為后安煤礦9#煤層采空區(qū)自燃三帶的進行了具體劃分，后安煤礦9#煤層的散熱帶為緊靠工作面0~26m，自燃帶為26~105m，窒息帶為支架后方采空區(qū)105m以里的空間。90303綜放工作面以每天3.8m的速度向前不間斷地推進來計算[即105÷3.8=27.6（d），取整為28d]，則工作面連續(xù)推進28d即可將采空區(qū)遺留煤炭甩進采空區(qū)的窒息帶。9#煤層的自燃發(fā)火期為83d，所以采空區(qū)遺留煤炭在遠遠小于自燃發(fā)火期（83d）的時間內(nèi)就進入了采空區(qū)的窒息帶（即進入窒息帶時間為28d），根本來不及自燃就已經(jīng)被甩入窒息帶，所以可以排除本煤層采空區(qū)自燃的情況。

③如表1所示，為90303工作面上隅角2020年8月1~14日CO氣體濃度觀測情況一覽表。

表1 90303工作面上隅角氣體情況一覽表

圖1 為90303工作面上隅角2020年8月1~14日CO、CO2、O2濃度變化趨勢圖，由圖1可知CO濃度最高點在28ppm，最低點為12ppm，平均值在16ppm左右，但是總體趨勢未出現(xiàn)快速上升趨勢，這與采空區(qū)遺留煤炭發(fā)生自燃的規(guī)律不相符合，一般情況下如果采空區(qū)煤炭出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，工作面的上隅角及回風順槽的CO濃度會在短時間內(nèi)呈現(xiàn)快速增長之勢，最后出現(xiàn)煙霧和明火，但是在將近半個月的觀察期內(nèi)并未發(fā)現(xiàn)CO濃度快速增長，因此也可以排除采空區(qū)煤炭自燃的可能性。

圖1 90303工作面上隅角CO濃度變化趨勢圖

（2）針對在90303綜采工作面回采過程中相鄰90302采空區(qū)、902采區(qū)的采空區(qū)涌入CO氣體的原因分析。

①表2是后安煤礦2020年8月1~14日利用束管檢測系統(tǒng)對90201膠運順槽密閉內(nèi)的CO氣體濃度進行觀測情況的一覽表。902采區(qū)其他采空區(qū)均為發(fā)現(xiàn)CO氣體，因此在此不予考慮。

表2 90201膠運順槽密閉內(nèi)氣體情況一覽表

圖2 為90201膠運順槽2020年8月1~14日CO濃度變化趨勢圖，由圖2可知CO濃度最高點在18ppm，最低點為0ppm，平均值在5ppm左右，由此可見90201膠運順槽的CO濃度遠遠低于90303工作面上隅角的CO濃度，一般來說氣體運動規(guī)律是從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域流動，比較圖1和圖2可以發(fā)現(xiàn)90201膠運順槽密閉內(nèi)的CO濃度遠遠小于90303工作面上隅角CO的濃度，因此可以推斷出90303工作面上隅角的CO不可能是從90201采空區(qū)涌入。

圖2 90201膠運順槽密閉內(nèi)CO濃度變化趨勢圖

②觀測發(fā)現(xiàn)盡管有一定CO氣體存在，但是平均濃度在7ppm左右，因此根據(jù)氣體運動規(guī)律是從高濃度區(qū)域向低濃度區(qū)域流動的原理可以排除從90302采空區(qū)涌入90303工作面上隅角的可能性。

（3）針對從地表和上覆4#煤層8505、8507采空區(qū)、北輔采空區(qū)內(nèi)CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區(qū)，又從采空區(qū)向上隅角涌出的原因分析。

①利用數(shù)學上的排除法可以分析，既然排除了前兩種情況的可能性，那么90303工作面上隅角CO增大的原因必然是從上覆的4#煤層8505、8507采空區(qū)、北輔采空區(qū)內(nèi)CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區(qū)，又從采空區(qū)向上隅角涌出。

②90303綜放工作面上覆巖層有炭質(zhì)泥巖、中細粒砂巖，并且距離4#煤層平均間距46m，而且4#煤層上覆巖層為中粒砂巖，屬于堅硬頂板管理類型。根據(jù)大尺度原位連續(xù)監(jiān)測技術(shù)研究成果，即大空間覆巖“懸臂梁+砌體梁+高位結(jié)構(gòu)”特征，從大空間采場覆巖結(jié)構(gòu)出發(fā)建立力學模型如圖3所示，揭示了遠近場結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的礦壓作用機理，為巖層控制提供了理論依據(jù)。

圖3 大空間遠近場覆巖結(jié)構(gòu)力學特征模型圖

由圖3大空間采場覆巖結(jié)構(gòu)出發(fā)建立力學模型可以分析出來，在近場“懸臂梁+砌體梁”結(jié)構(gòu)破斷呈現(xiàn)大小周期復合礦壓，小周期在12~20m范圍內(nèi)，大周期在30~60m范圍內(nèi)，作用于工作面煤壁和支架上；而遠場覆巖失穩(wěn)影響范圍廣，超前影響范圍100m,采空區(qū)滯后影響范圍160~200m,礦壓作用強度大，引發(fā)強礦壓。而90303綜放工作面于2020年5月30日開始回采，截止目前為止已經(jīng)生產(chǎn)2個月，工作面推進長度251m，正好是在出現(xiàn)強礦壓之后的這個階段，此時在強礦壓的作用下地表至4#煤層采空區(qū)、90303采空區(qū)之間會出現(xiàn)大量的裂隙，使對應(yīng)地表塌陷或者出現(xiàn)裂縫，導致90303采空區(qū)與上覆4#煤層8505、8507采空區(qū)、北輔采空區(qū)及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區(qū)內(nèi)CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區(qū)，又從采空區(qū)向上隅角涌出。

3 治理對策

（1）地測科、通風區(qū)加強地面塌陷檢查巡視，安排相關(guān)人員用黃土對地面塌陷、裂縫及時進行回填，從源頭上杜絕地面塌陷區(qū)向老空區(qū)漏風。

（2）加強采面上隅角及其回風流中CO及其它有毒有害氣體檢測檢查。瓦斯員每班必須測定工作面上隅角及其回風流中的CO及其它有毒有害氣體濃度，并及時向通風調(diào)度室匯報。

（3）將擋風布簾懸掛到合適的位置，引導風流進入上隅角稀釋和沖淡上隅角有害氣體濃度。

4 結(jié)論

經(jīng)過上面的系統(tǒng)分析可知90303上隅角CO增大的原因是由于在強礦壓的作用下地表至4#煤層采空區(qū)、90303采空區(qū)之間會出現(xiàn)大量的裂隙，使對應(yīng)地表塌陷或者出現(xiàn)裂縫，導致90303采空區(qū)與上覆4#煤層8505、8507采空區(qū)、北輔采空區(qū)及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區(qū)內(nèi)CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區(qū)，又從采空區(qū)向上隅角涌出。因此必須針對這種情況采取有針對性的措施方可解決90303上隅角CO增大的技術(shù)難題，收到有的放矢、事半功倍的效果,通過技術(shù)分析并采取了有效的治理對策后90303上隅角的CO濃度從12~16ppm降至3~5ppm，確保了工作面安全、高效地回采。