新河煤礦采空區(qū)自燃“三帶”分布及防火技術(shù)研究

高常華 王成穩(wěn)

（山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟寧 272000）

隨著采煤深度的增加，頂板的壓力也在增加。地壓高時，煤柱容易被壓碎，煤的氧化作用加強，極易發(fā)生采空區(qū)災(zāi)害事故。為解決這一難題，劃分采空區(qū)自燃“三帶”成為防治煤自燃的重點研究內(nèi)容[1-2]。以新河煤礦7312 工作面為背景，通過現(xiàn)場測量，并利用數(shù)值模擬與之結(jié)合，對采空區(qū)自燃“三帶”進行確定，并實施了針對性的火災(zāi)防治技術(shù)方案，確保了開采安全。

1 礦井概況

新河礦業(yè)位于濟寧煤田西南部，新河煤礦地勢平坦，東北方向高，西南方向略低。本區(qū)屬構(gòu)造中等井田，區(qū)內(nèi)褶曲發(fā)育，以向斜構(gòu)造為主，規(guī)模較小。7312 工作面屬新河礦業(yè)3 煤層，全區(qū)厚度為4.15～10 m，巖層傾角在20°左右，煤的類型為氣煤。工作面為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為40 d，走向長度為675 m，傾斜長100 m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤回采工藝組織回采。

2 7312 工作面采空區(qū)三帶分布

2.1 測點布置

對于7312 工作面采空區(qū)“三帶”的觀測，氣體由溫度傳感器和束管進行綜合監(jiān)測，進風(fēng)道和回風(fēng)道分別布置了三條通路，設(shè)有兩條監(jiān)控管線，每個監(jiān)測點將安裝一個溫度傳感器和束管裝置。測點布置如圖1。

圖1 新河煤礦7312 工作面采空區(qū)“三帶”觀測管路布置圖（m）

在“三帶”觀測的過程中摒棄手動抽氣的方法，選用便攜式的氣體采集儀采集氣樣。

2.2 觀測結(jié)果分析

當(dāng)前我國對采空區(qū)“三帶”的劃分多以O(shè)2濃度作為劃分標準[3-4]，根據(jù)實測數(shù)據(jù)，分別對采空區(qū)進風(fēng)側(cè)、中間位置、回風(fēng)側(cè)的O2濃度進行分析。1#測點僅在推進進尺9.4 m 處測得O2濃度為20.87%，測點1#-7#的O2變化情況如圖2。

圖2 1#-7#的O2 變化情況

由圖2 可知，隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)中部3#、5#測點的O2濃度起伏趨勢較為明顯，但整體未呈現(xiàn)下降趨勢，并且在整個推進過程中采空區(qū)中部O2濃度始終大于18%，因此采空區(qū)中部始終處于散熱帶范圍。這是由于3#、4#測點位于工作面采空區(qū)中部，頂板相對破碎，工作面推過后采空區(qū)未壓實，使得漏風(fēng)通道較多，此處空間得到了氧氣補充。

根據(jù)以上對新河煤礦7312 煤層采空區(qū)不同區(qū)域溫度及O2實測數(shù)據(jù)分析，得出當(dāng)7312 工作面面長在110 m 左右、采高為3.5 m 時，采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律見表1 和圖3。

表1 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

圖3 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布示意圖

2.3 數(shù)值模擬分析

在對現(xiàn)場測定的基礎(chǔ)上，運用FLUENT 模擬軟件，對采空區(qū)內(nèi)部流場、氣體濃度等進行計算，以期與測定結(jié)果相互驗證，準確劃分氧化“三帶”范圍。

根據(jù)新河煤礦7312 工作面的基本參數(shù)，建立了采空區(qū)模型。工作面的入口定義為速度入口，邊界條件為速度入口，回風(fēng)巷道定義為自由出口，工作面和采空區(qū)間的兩個面被設(shè)置為內(nèi)部交界面，整個3D 模型被設(shè)置為流體區(qū)域，采空區(qū)視為多孔介質(zhì)[5]。

由圖4 可知，采空區(qū)內(nèi)部氧氣的分布規(guī)律受風(fēng)流運移的影響，采空區(qū)整體氧氣濃度回風(fēng)側(cè)明顯小于進風(fēng)側(cè)，沿工作面推進方向看，采空區(qū)中部和深部氧氣濃度在逐漸降低。由于空氣經(jīng)過沿途耗氧以及動量損失回到回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度明顯降低?；仫L(fēng)側(cè)氧氣濃度隨著向采空區(qū)深部的不斷延伸，呈現(xiàn)不斷衰減的趨勢。氧氣濃度“三帶”劃分標準：氧化帶8%～18%，散熱帶大于18%，窒息帶小于8%。

圖4 采空區(qū)氧氣濃度分布

對7312 煤層進行采空區(qū)三帶分布的數(shù)值模擬，分布規(guī)律如下：進風(fēng)側(cè)，散熱帶0～10 m，氧化升溫帶10～31.4 m，其余為窒息帶；采空區(qū)，散熱帶0～14.1 m，氧化升溫帶14.1～39.7 m，其余為窒息帶；回風(fēng)側(cè)，散熱帶0～13.9 m，氧化升溫帶13.9～38.3 m，其余為窒息帶。如圖5 和表2，經(jīng)過對比，新河煤礦7312 工作面采空區(qū)三帶分布規(guī)律模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果基本一致。

圖5 采空區(qū)自燃“三帶”分布

表2 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布對比

3 工作面自燃火災(zāi)預(yù)防及自燃火區(qū)快速處理技術(shù)

3.1 安全監(jiān)測監(jiān)控

為了及時準確地預(yù)測預(yù)報工作面及采空區(qū)的自然發(fā)火隱患，新河煤礦建立了完善的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和相關(guān)設(shè)備的閉鎖控制。

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)

新河煤礦根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，安裝了KJ76X 安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備完善的安全監(jiān)測、生產(chǎn)監(jiān)控及管理功能，能夠?qū)θV井下環(huán)境參數(shù)及生產(chǎn)進行實時數(shù)據(jù)采集和記錄，對井下與安全生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備進行監(jiān)控，確保人員及設(shè)備的安全。

（2）束管監(jiān)測系統(tǒng)

新河煤礦安裝有KSS-200 型束管監(jiān)測系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為自然發(fā)火監(jiān)測的主要手段，對井下空氣中O2、CO、CO2、N2、CH4等氣體含量定時巡回監(jiān)測。

監(jiān)測點布置：在采煤工作面風(fēng)流布置一個測點，距煤壁10～15 m 范圍內(nèi)；采煤工作面回風(fēng)隅角：布置一個測點，在工作面切頂線外側(cè)1 m 范圍內(nèi)。

（3）采樣分析

測點布置：采煤工作面，采煤工作面進、回風(fēng)隅角，回風(fēng)流。

監(jiān)測手法：用CO 測定器，檢測測點的CO 濃度；用紅外線測溫儀測定密閉墻表面溫度。由檢查員負責(zé)監(jiān)測，一周一次采樣分析；采煤工作面、采煤工作面回風(fēng)隅角等由檢查員每天進行采樣分析；以上氣樣利用氣相色譜儀分析，判斷自然發(fā)火危險性。

3.2 工作面自燃火災(zāi)預(yù)控技術(shù)

（1）注氮防滅火

氮氣作為惰性氣體，既可用作預(yù)防性注氮，也用作滅火性注氮。目前國內(nèi)煤礦采用的氮氣防滅火系統(tǒng)有地面固定式、地面移動式、井下固定式和井下移動式四種制氮裝置防滅火系統(tǒng)。

井下固定式和井下移動式與地面固定式和地面移動式相比具有機動性強、出氮快及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點。而井下移動式與井下固定式相比具有輸?shù)苈范?、機動靈活和使用方便等特點，因此設(shè)計采用井下移動式制氮裝置系統(tǒng)。

（2）灌漿防滅火

工作面正?；夭善陂g進行預(yù)防性灌漿，新河礦業(yè)在工業(yè)廣場安裝一套地面固定式膠體防滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由儲存罐、螺桿輸送機、膠體制備機、輸漿管網(wǎng)等部分構(gòu)成。

（3）注凝膠防滅火

凝膠滅火技術(shù)集堵塞、冷卻和耐化學(xué)性能于一體，對解決灌漿和注水泄漏問題具有積極作用。工藝流程及相關(guān)設(shè)備適應(yīng)井下有限空間等實際條件，為滅火的基本技術(shù)之一。

3.3 采空區(qū)自燃火區(qū)快速處理技術(shù)

當(dāng)綜采工作面推進速度較慢時，一旦采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)，按照《煤礦安全規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，迅速做好滅火工作。

（1）近距離采空區(qū)自燃滅火方案

若火區(qū)靠近生產(chǎn)區(qū)，應(yīng)將火區(qū)撲滅或直接隔離，防止火區(qū)通過煤屑或煤柱向礦井蔓延。① 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判定火區(qū)的位置及范圍；② 用水控制火勢；③ 布置注膠鉆孔注凝膠。

（2）遠距離采空區(qū)自燃滅火方案

① 加快工作面推進速度；② 采用沙袋充填上順槽采空區(qū)巷道，建立隔離墻；③ 采用均壓通風(fēng)技術(shù)，減小向采空區(qū)漏風(fēng)[6]。

4 結(jié)論

（1）對新河煤礦7312 工作面采空區(qū)進行氣體監(jiān)測，得到采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的變化規(guī)律，進行了自燃“三帶”分布：散熱帶（0～12.7 m），氧化升溫帶（12.7～39.7 m），其余為窒息帶。

（2）對7312 工作面采空區(qū)進行FLUENT 數(shù)值模擬，得出7312 工作面采空區(qū)氧化帶為10～37.5 m，與觀測結(jié)果基本一致。

（3）利用安全監(jiān)控、束管監(jiān)控和人工檢測相結(jié)合的方式，監(jiān)控工作面煤自燃的情況；注氮、注漿、注膠防滅火技術(shù)相結(jié)合，形成7312 工作面自燃火災(zāi)預(yù)控及快速處理體系。