工作面前期支護(hù)對(duì)后期防滅火風(fēng)險(xiǎn)分析研究

秦 鵬 劉虹妹

（1.山東省天安礦業(yè)集團(tuán)有限公司，曲阜 273100；2.山東省工業(yè)和信息化研究院，濟(jì)南250022）

隨著煤炭淺部資源的減少，深部資源的開(kāi)采成為必然。煤礦進(jìn)入深部開(kāi)采后，隨著地質(zhì)環(huán)境的惡化和煤巖體力學(xué)響應(yīng)的非線性化，突發(fā)性重大災(zāi)害發(fā)生概率顯著上升，其中以沖擊地壓為代表的煤巖動(dòng)力災(zāi)害機(jī)理最復(fù)雜、防治難度最大，其次為礦井內(nèi)因火災(zāi)事故。星村煤礦目前主采3 煤層，其深埋、堅(jiān)硬厚層頂?shù)装?，脆性煤層，開(kāi)采區(qū)域內(nèi)存在褶曲、斷層等構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件。礦井所采三煤自然發(fā)火期短，回采工作面在回采過(guò)程中極易發(fā)生自然發(fā)火事故。因此，如何有效采取創(chuàng)新技術(shù)綜合治理自然發(fā)火成為關(guān)鍵。本項(xiàng)目從支護(hù)的根本上對(duì)后期防滅火控制進(jìn)行創(chuàng)新研究，從而達(dá)到保證礦井安全的目的。

以往支護(hù)與防滅火之間未能達(dá)到統(tǒng)一的平衡點(diǎn)，支護(hù)僅僅用來(lái)控制礦壓和確保頂板的安全，對(duì)防滅火風(fēng)險(xiǎn)控制不足，造成后期防滅火工作處理難度大、成本高[1]。本項(xiàng)目重點(diǎn)研究前期支護(hù)對(duì)防滅火的影響，同時(shí)進(jìn)行了系統(tǒng)分析和科學(xué)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)支護(hù)階段采取相應(yīng)措施減輕后期防滅火壓力。

1 工作面支護(hù)與防滅火之間的分析研究

綜放工作面在回采前如何精確劃分巷道和采空區(qū)浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域至關(guān)重要[2]。根據(jù)綜放工作面回采期間采空區(qū)遺煤自燃的特點(diǎn)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定相關(guān)重要參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，劃分現(xiàn)場(chǎng)不同條件下能夠引起煤體自燃的極限參數(shù)，然后確定實(shí)際條件下的綜放面采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律、自燃危險(xiǎn)區(qū)域和合理推進(jìn)速度，為工作面煤層自然發(fā)火的防治提供技術(shù)支持，形成采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型，對(duì)工作面采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬與計(jì)算。

工作面回采巷道煤層自燃與松散煤體厚度、對(duì)流散熱強(qiáng)度、煤體當(dāng)量粒徑以及氧的滲透量息息相關(guān)。若從單一參數(shù)考慮，體自燃引起都有一個(gè)極限條件，超出該極限條件的煤體不可能引起自燃。

根據(jù)能量守恒定律，當(dāng)采空區(qū)浮煤自燃氧化放熱量不小于頂?shù)装迳崃亢惋L(fēng)流帶走熱量之和的情況才會(huì)引起煤自燃升溫，即采空區(qū)浮煤氧化放熱量能引起升溫必須滿足：

式中：ρg為工作面風(fēng)流密度，g·cm-3；cg為工作面熱容，J·g-1·℃-1；q0(T)為實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤的放熱強(qiáng)度，J·cm-3·s-1；λe代表浮煤導(dǎo)熱系數(shù)，J·s-1·cm-1；代表采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速度，cm·s-1。

根據(jù)式（1）可知，采空區(qū)遺煤自燃需要足夠的浮煤厚度，積聚浮煤氧化產(chǎn)生的熱量，提供足夠氧氣濃度使得浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱升溫所需熱能，低量的漏風(fēng)強(qiáng)度不會(huì)使風(fēng)流將煤體自燃產(chǎn)生的熱量帶走。

采空區(qū)煤體自燃極限參數(shù)主要包含采空區(qū)最小浮煤厚度、采空區(qū)極限漏風(fēng)強(qiáng)度和采空區(qū)極限氧濃度。本項(xiàng)目主要研究支護(hù)對(duì)防滅火的影響，包括采空區(qū)最小浮煤厚度的確定和支護(hù)的控制影響形變曲線。

2 采空區(qū)三帶劃分

采空區(qū)遺煤自燃根據(jù)《煤礦防滅火細(xì)則》可劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶[3]。三帶在工作面生產(chǎn)過(guò)程中呈動(dòng)態(tài)變化，其中工作面推進(jìn)速度是影響三帶劃分的重要因素。

2.1 散熱帶

散熱帶是指在某一特定溫度下，足夠的氧濃度使得煤體充分氧化放熱，產(chǎn)生的熱量一直小于或等于散發(fā)熱量的集合。散熱帶緊靠工作面，一般不會(huì)發(fā)生 自燃。

判定條件如下：

式中：Q 為氧化放熱強(qiáng)度；h 為浮煤厚度。

2.2 氧化帶

氧化帶是指在某一特定溫度下產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)熱量的集合。氧化帶遺煤氧化蓄熱容易引起自燃。

氧化帶判定條件如下：

式中：Q 為氧化放熱強(qiáng)度；h 為浮煤厚度；C 為氧氣濃度。

2.3 窒息帶

窒熄帶是指在某一特定溫度下，存在足夠的浮煤厚度和蓄熱條件，但氧濃度低導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量小于或等于散發(fā)熱量的集合。

窒熄帶判定條件如下：

式中：C 為氧氣濃度。

工作面采空區(qū)三帶靜態(tài)劃分范圍見(jiàn)圖1。

3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及分析

3.1 觀測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況設(shè)置了14 個(gè)測(cè)點(diǎn)，軌道順槽和運(yùn)輸順槽分別布置測(cè)點(diǎn)8 個(gè)測(cè)點(diǎn)和6 個(gè)測(cè)點(diǎn)，軌道順槽測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#，運(yùn)輸順槽測(cè)點(diǎn)編號(hào)為2#、4#、6#、8#、10#、12#。其中，軌道順槽的1#、3#、5#、7#、11#、15#和運(yùn)輸順槽2#、4#、8#為施工的頂板觀測(cè)鉆孔，其余點(diǎn)鉆孔為巷道兩幫鉆孔。各測(cè)點(diǎn)鉆孔具體位置關(guān)系如 圖2 所示。

3.2 采空區(qū)浮煤厚度內(nèi)部分布狀況

根據(jù)礦井綜放工作面實(shí)際觀測(cè)情況，理論上進(jìn)行計(jì)算和推論。

工作面進(jìn)風(fēng)順槽端頭架處浮煤厚度為（7.15-2.3）÷ （1-20%）≈6.0 m，浮煤寬度約為3 m。回風(fēng)順槽端頭支架處浮煤厚度為（7.15-2.3）÷（1-20%）≈6.0 m，浮煤寬度約為4.5 m。進(jìn)風(fēng)順槽浮煤厚度為（7.15-3.6）÷（1-20%）≈4.4 m；回風(fēng)順槽浮煤厚度為（7.15-4.1）÷（1-20%）≈3.8 m；兩順槽的浮煤寬度約為3 m；工作面中部回采率85%范圍內(nèi)的浮煤厚度為7.15×（1-85%）÷（1-20%）≈1.4 m。

浮煤寬度大約130 m，工作面為“雙傾角”特殊情況，工作面老頂在跨落時(shí)向下速度較快導(dǎo)致落地后產(chǎn)生位移，使得理論計(jì)算浮煤厚度發(fā)生偏移。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和理論計(jì)算，可推斷出發(fā)生位移改變后的浮煤分布的具體情況[4]。

進(jìn)風(fēng)順槽浮煤厚度及寬度分布依次為：進(jìn)風(fēng)順槽浮煤按4 m 厚度、3 m 寬度計(jì)算；進(jìn)風(fēng)順槽端頭支架浮煤按4 m 厚度、15 m 寬度計(jì)算；工作面回采率采用85%范圍內(nèi)的浮煤按1.5 m 厚度、120 m 寬度計(jì)算；回風(fēng)順槽端頭支架處浮煤按4 m 厚度、5 m 寬度計(jì)算；回風(fēng)順槽浮煤按2.5 m 厚度、2 m 寬度統(tǒng)計(jì)（注：回風(fēng)順槽由于外幫及隔離墻的支撐，本身錨網(wǎng)支護(hù)強(qiáng)度高，故順槽的頂煤幾乎不冒落）。根據(jù)上述計(jì)算可繪制綜放工作面面采空區(qū)內(nèi)部浮煤厚度等值線及浮煤厚度分布圖，如圖3 所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.3.1 順槽煤體氧氣濃度變化分析

根據(jù)測(cè)點(diǎn)取樣分析，工作面軌順測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。

3.3.2 順槽煤體漏風(fēng)強(qiáng)度變化分析

根據(jù)礦井煤樣自燃性實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)論[5]，采取不同的測(cè)點(diǎn)取其實(shí)測(cè)溫度的平均值，利用順槽測(cè)點(diǎn)實(shí)測(cè)的氧濃度，推算軌道順槽的漏風(fēng)強(qiáng)度，結(jié)果如圖5 所示。

4 結(jié)果分析

根根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定不同的支護(hù)參數(shù)，選擇合理的支護(hù)方式。通過(guò)采空區(qū)浮煤厚度結(jié)合防滅火管理，考慮本井田煤層賦存深度大、斷層構(gòu)造發(fā)育等特點(diǎn)，工作面選ZF6200/17/30 型支撐掩護(hù)式液壓支架，支護(hù)強(qiáng)度為0.85 ～0.87 MPa，端頭選用ZFG6500/19/32型 過(guò) 渡 支 架， 支 護(hù) 強(qiáng) 度 為0.85 ～0.87 MPa。 工作面支護(hù)強(qiáng)度大于0.533 MPa，滿足要求。工作面選用9ZF6200/17/30 型中間支架，排頭支架選用5ZFG6500/19/32 型過(guò)渡支架，溜頭端頭選用ZT18700/18/35 型端頭支架。綜采工作面液壓支架型號(hào)為ZF6200/17/30，額定支護(hù)強(qiáng)度為830 kPa。工作面支架工作阻力在線監(jiān)測(cè)周期來(lái)壓時(shí)支護(hù)強(qiáng)度平均最大值為532.96 kPa，與經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算數(shù)相比稍大，但其值只占支架額定支護(hù)強(qiáng)度的64.21%（計(jì)算過(guò)程為532.96÷830），故所選架型（支撐掩護(hù)式）能夠滿足頂板管理和安全生產(chǎn)需要。

據(jù)以上試驗(yàn)選取相應(yīng)的支護(hù)支架既滿足了支護(hù)需求，又減少了后期回采時(shí)工作面的防火壓力與工作面。工作面回采期間回風(fēng)流一氧化碳濃度不超過(guò)10 mg·m-3， 工作面巷道變形量不大于5%。

5 結(jié)語(yǔ)

項(xiàng)目首次針對(duì)工作面前期支護(hù)對(duì)防滅火的影響進(jìn)行研究，將采空區(qū)浮煤自燃極限參數(shù)引入防滅火治理：完善支護(hù)對(duì)防滅火時(shí)間形變曲線，在保證礦壓和頂板支護(hù)安全的前提下追加防滅火控制要素；根據(jù)影響自然發(fā)火的因素確定前期支護(hù)參數(shù)，有效減輕了后期回采時(shí)工作面防滅火壓力。本文從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，對(duì)前期支護(hù)水平及生產(chǎn)動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行研究，分析其對(duì)防滅火的影響，根據(jù)研究制定相應(yīng)的對(duì)策及實(shí)施驗(yàn)證，有效解決了前期支護(hù)與后期交叉影響帶來(lái)的困難。