自然風(fēng)壓與風(fēng)門對采空區(qū)自然發(fā)火的影響

王宇飛

（大同煤礦集團大同地煤青磁窯煤礦，山西 大同037000）

0 引言

煤的自燃具有一定的規(guī)律性，是各種因素相互作用的效果，開采有自燃傾 向性的煤層，不論該煤層是否發(fā)生過自燃都必須制定周密的防滅火措施及方案。在開采和采區(qū)設(shè)計中,必須首先考慮防滅火,開采系統(tǒng)要符合防滅火的要求。采空區(qū)煤自燃的主要條件是采空區(qū)持續(xù)供氧，促使煤的氧化和自燃。為防止煤的自燃，必須減少和防止漏風(fēng)。

1 自然發(fā)火原因分析

煤炭自燃的必要充分條件是：①有自燃傾向性的煤被開采后呈破碎狀態(tài),堆積厚度一般要 >0.4m；②有較好的蓄熱條件;③有適量的通風(fēng)供氧。通風(fēng)是維持較高氧濃度的必要條件,是保證氧化反應(yīng)自動加速的前提；④上述3個條件共存時間大于煤的自然發(fā)火期。前3個條件是煤炭自燃的必要條件,最后1個條件是充分條件。

煤炭自燃過程發(fā)展的3個階段即：緩慢氧化一－自熱增溫加速氧化一－急劇氧化著火自燃。如果處于自熱增溫階段產(chǎn)生的熱量能夠得到釋放，則煤會冷卻而被風(fēng)化。

從煤炭自燃的3個因素和3個階段可知，連續(xù)供氧條件是引起自燃的主要方面，它是使煤不斷氧化導(dǎo)致溫度遞增的主要因素。所以，煤炭自燃與礦井通風(fēng)和漏風(fēng)有密切的關(guān)系。

引起煤炭自燃的漏風(fēng)，主要指采空區(qū)和煤柱問的通道以及裂隙的漏風(fēng)。漏風(fēng)量小則達不到加速氧化的作用；漏風(fēng)量大則氧化熱可隨風(fēng)散走也不易增溫自燃 。

在煤炭氧化過程的熱平衡關(guān)系中,漏風(fēng)起兩方面作用：一是向煤提供氧化所必須的氧氣,促進氧化發(fā)展;二是帶走氧化生產(chǎn)的熱量,降低煤溫,抑制氧化過程發(fā)展。前蘇聯(lián)學(xué)者B.M.Maeв cк aя(1946年)等研究表明,漏風(fēng)強度在 0.1～0.24m3/(min·m2)時容易自然發(fā)火。不會導(dǎo)致自燃的極限風(fēng)速低于0.02～0.05m3/(min·m2);封閉采空區(qū)密閉墻漏風(fēng)壓差在 300 Pa、漏風(fēng)強度在 0.02～1.2m3/(min·m2)時屬容易自然發(fā)火的。由于這些參數(shù)都是在一定條件下取得的,因此,有一定局限性,但對我們研究自燃問題是有參考價值的。

2 自然風(fēng)壓對自然發(fā)火的影響

2.1 自然風(fēng)壓的影響因素

（1）礦井某一回路中兩側(cè)空氣柱的溫差是主要影響因素。

（2）空氣成分和濕度影響空氣的密度,從而影響自然風(fēng)壓。

（3）井深。

（4）主要通風(fēng)機的工作對自然風(fēng)壓的大小和方向也有一定影響

2.2 自然風(fēng)壓對自然發(fā)火的影響

自然風(fēng)壓的變化對礦井井下局部地段漏風(fēng)帶來的影響 ,主要表現(xiàn)在隨著季節(jié)的變換,自然風(fēng)壓的值也隨之發(fā)生變化。在主要通風(fēng)機工況不變的前提下,井下局部地段的空氣物理參數(shù)發(fā)生變化,從而導(dǎo)致自然發(fā)火的要求達到滿足。

（1）引起采面進回風(fēng)流壓差變化,從而引起“三帶”分布范圍變化,增加采空區(qū)自然發(fā)火的危險程度。以某礦為例,在一次地表氣溫變化幅度為 10℃的情況下,礦井的自然風(fēng)壓對井下通風(fēng)產(chǎn)生了較大影響。礦井總進風(fēng)量變化不大,回采工作面進風(fēng)量減少了 30%。由此,可以看出,一年四季氣溫狀況不同 ,礦井的自然風(fēng)壓也隨之改變,從而導(dǎo)致采區(qū)進回風(fēng)流的各項物理參數(shù)變化,對采空區(qū)煤自然發(fā)火的動態(tài)平衡產(chǎn)生影響。當(dāng)風(fēng)機工況、礦井通風(fēng)設(shè)施等條件保持不變的情況下,隨著溫度的升高,該采面的風(fēng)量會有所增加。如若該礦所采煤層為易自燃或自燃煤層,則隨著風(fēng)量的增加,采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)同樣增加,從而擴大氧化帶范圍;在推進度、開采工藝等等條件不變的情況下,采空區(qū)自然發(fā)火的幾率會大大增加。因此,要注重自然風(fēng)壓的監(jiān)測,了解自然風(fēng)壓各個季節(jié)變化幅度,并掌握自然風(fēng)壓變化對采區(qū)進回風(fēng)影響的范圍,從而對防治采空區(qū)自然發(fā)火作出及時的調(diào)整，一采區(qū)“三帶”如圖1：

圖1

（2）對于老巷,由于巷道形成保存時間長 ,礦井壓力大 ,巷道局部地段周邊煤壁由于礦壓作用產(chǎn)生了破碎 ,發(fā)育了一定程度的裂隙 ,并在裂隙間產(chǎn)生了量很小的漏風(fēng)。在平時的通風(fēng)日常管理中,不至于發(fā)生自然發(fā)火。然而,隨著季節(jié)和氣溫的變化,礦井自然風(fēng)壓隨之發(fā)生改變,在礦井風(fēng)機工況不變和通風(fēng)條件不變的前提下,導(dǎo)致裂隙間的壓差產(chǎn)生變化,裂隙間漏風(fēng)速率和漏風(fēng)量也隨之改變。當(dāng)裂隙間漏風(fēng)速率和漏風(fēng)量滿足自然發(fā)火條件時,老巷局部地段的自燃也就產(chǎn)生了。

(3)對于礦井其他用風(fēng)地點,如配電硐室,材料庫等等 ,需要關(guān)注季節(jié)變化導(dǎo)致自然風(fēng)壓變化帶來的影響 ,防止此類地點附近煤自燃的發(fā)生。

2.3 小結(jié)

（1）對于有高差的通風(fēng)網(wǎng)路系統(tǒng),自然熱風(fēng)壓對網(wǎng)絡(luò)風(fēng)流狀態(tài)有一定的影響,特別是多風(fēng)機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在某一風(fēng)機停止運行時,必須考慮熱風(fēng)壓對網(wǎng)絡(luò)分支風(fēng)流的影響。

（2）對于礦井各用風(fēng)地點,需時刻注意自然風(fēng)壓變化帶來的影響,如若漏風(fēng)達到自然發(fā)火區(qū)間時,得加強管理,避免自然發(fā)火的發(fā)生。

（3）礦井老巷年久失修的斷面,裂隙比較發(fā)育,在風(fēng)量發(fā)生變化從而影響裂隙間漏風(fēng)速率和供氧條件變化,達到自燃條件導(dǎo)致自燃的危險大大增加。

（4）對于深井,自然風(fēng)壓變化對整個礦井通風(fēng)系統(tǒng)影響并不顯著,但局部地段隨著季節(jié)變化而導(dǎo)致的風(fēng)壓變化也需要做必要的觀測分析,從而防止自燃的發(fā)生。

3 風(fēng)門對采空區(qū)自然發(fā)火的影響

風(fēng)門是煤礦井下重要的通風(fēng)構(gòu)筑物,它不僅在合理調(diào)節(jié)風(fēng)量和通風(fēng)網(wǎng)路、提高礦井有效風(fēng)量率等方面有著重要作用,而且對防治采空區(qū)煤炭自然發(fā)火也會產(chǎn)生重要影響。

3.1 理論分析

礦井漏風(fēng)阻力定律

這表明，采空區(qū)的漏風(fēng)量在同樣封閉的條件下，取決于漏風(fēng)通路的風(fēng)壓，風(fēng)壓越大漏風(fēng)量越多反之風(fēng)壓越小，漏風(fēng)量越少而風(fēng)門則會對風(fēng)壓產(chǎn)生重要的影響，因為安設(shè)風(fēng)門后，等于增加了局部通風(fēng)阻力，所會改變巷道中的空氣壓力分布狀況。經(jīng)測定，一般巷道中的風(fēng)門兩側(cè)風(fēng)壓在80Pa～240Pa之間。主要巷道中的風(fēng)門兩側(cè)風(fēng)壓在240～62 0pa之間。

如在巷道AB中有一個采空區(qū)，如圖所示，風(fēng)流從A流向B，在來設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)量門前，密閉1和2都由內(nèi)向外漏風(fēng)，密閉3由外向內(nèi)漏風(fēng)，構(gòu)成兩條漏風(fēng)通路GEC和GFD，但所漏風(fēng)量，并沒有引起采空區(qū)自然發(fā)火。如因某種原因，需要減少AB巷道的風(fēng)量，應(yīng)在AB中設(shè)置調(diào)節(jié)風(fēng)門來控制風(fēng)量，這時風(fēng)門位置選擇就成為十分重要的課題。

圖2

（1）將調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)在I處，如上圖1所示密閉l閉外巷道外的空氣絕對壓力下降了ΔPd，密閉2閉外巷道的絕對壓力下降了，使兩條漏風(fēng)通路GEC、GKD的兩端的壓力分別增大了，從而增加了采空區(qū)的漏風(fēng)量，此時極易引起自然發(fā)火。因此，將風(fēng)門設(shè) 在I處是不合理的。

（2）將調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)II在處，如上圖2所示 密閉l閉外巷道的空氣絕對壓力增加 了ΔPt，使GEC漏風(fēng)增路兩端的壓力差減少 了，但密閉2閉外巷道的空氣絕對壓力都下降了，從而使GFD漏風(fēng)通路的漏風(fēng)量增加，仍有引起采空區(qū)自然發(fā)火的危險 。因此，設(shè)在II處也是不合理的。

（3）將調(diào)節(jié)風(fēng)門設(shè)在Ⅱ處，如上圖3所示。密閉l和密閉2閉外巷遭的空氣絕對壓力分別增大了，使采空區(qū)的兩條漏風(fēng)通路GE C、GF D兩端的壓力差分別減少了，從而使采空區(qū)的漏風(fēng)量比來設(shè)風(fēng)門前減少了。 因此，將風(fēng)門設(shè)在這里是合理的，它有利于防止采空區(qū)自然發(fā)火

3.2 小結(jié)

通過上述分析可知，如果風(fēng)門位置選擇得合理 ，則會減少采空區(qū)漏風(fēng)通路的風(fēng)壓，從而減少漏風(fēng)量，有利于防止采空區(qū)自然發(fā)火所以在有采空區(qū)的巷道中設(shè)置風(fēng)門時，必須認真分析，慎重設(shè)置，選擇正確合理的位置。

4 結(jié)論

（1）煤的自燃具有一定的規(guī)律性，是各種因素相互 作用的效果，開采有自燃傾 向性的煤層，不論該煤層是 否發(fā)生過自燃都必須制定周密的防滅火措施及方案。

（2）煤自燃的主要條件是采空區(qū)持續(xù)供氧，促使煤的氧化和自燃。為防止煤的自燃 ，必須減少和防止漏 風(fēng)。可以采用均壓方法使密閉墻內(nèi)外壓差趨于零。

（3）在工作面設(shè)計及采掘煤工藝的選擇上必須統(tǒng)籌考慮防火措施，為回采過程中及回采后工作面收尾后的防滅火工作創(chuàng)造出條件。

（4）嚴格按照規(guī)定留設(shè)保護煤柱，不得超層越界開采。