立體化巷道布置對綜放厚煤層自然發火的影響

葉文韜，汪開元，藺增元

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

立體化巷道布置對綜放厚煤層自然發火的影響

葉文韜，汪開元，藺增元

(中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039)

針對傳統綜放厚煤層開采過程中遺煤較多、煤層易發火的問題，從巷道布置上分析了煤層自然發火的根本原因，提出了沿煤層頂板和底板分別布置區段回風巷和進風巷的立體化巷道布置方案。然后根據影響煤炭自燃危險性的因素建立層次結構模型及各層次判斷矩陣，應用定性與定量相結合的層次分析法對煤層自然發火的危險性進行分析。分析結果表明，新型立體巷道布置體系使煤層自然發火的危險性降低一個等級。實際生產驗證，采用立體化巷道布置以來工作面及采空區均未發生自然發火，證實了研究的客觀性。

自然發火；錯層位；巷道布置；層次分析法；危險性評價

厚煤層綜放開采技術以其產量大、效率高、耗能少、對地質條件的適應性強等優點為煤礦厚煤層的開采帶來了巨大的經濟效益。但保證礦井高產、高效生產的同時，造成的冒落高度大、采空區遺留殘煤多、漏風嚴重等問題，使得煤自然發火幾率增高，礦井自燃火災事故增多，嚴重威脅著礦井的安全生產[1-3]。厚煤層開采中自然發火問題是由傳統放頂煤自身巷道布置及工藝特點造成的[4]。因此，只有通過改進傳統綜放開采工藝，才能從根源上解決厚煤層綜放開采自然發火問題，更好地預防和控制礦井自燃火災。

1 傳統綜放工作面巷道布置分析

傳統綜采放頂煤一般沿煤層底板布置的區段進風巷1和區段回風巷2構成一個放頂煤工作面[3]。工作面端頭頂煤、巷道頂煤以及區段煤柱共同形成T型煤柱5。在瓦斯含量較高的礦井，為了解決頂煤析出瓦斯的排放問題，在頂煤中布置了隨采隨廢的專用排瓦斯巷6。放頂煤開采的巷道布置見圖1。

根據煤炭自燃的條件，影響煤炭自燃的因素很多，影響過程也極其復雜，但歸根到底煤炭自燃火災的發生須具備以下幾個條件[5]。其相互的關系如圖2所示。

從上圖可以看出，影響煤層自燃的受人為影響的有遺留浮煤、連續供氧和熱量積聚，而連續供氧和熱量積聚是以大量遺留浮煤為前提的，因此引發煤炭自燃的根源就是大量松散浮煤。在傳統的綜合機械化放頂煤工作面的生產過程當中，工作面兩端不放煤、回采工藝造成的丟煤以及采空區側煤柱的壓裂破壞形成大量的松散浮煤，加之傳統放頂煤通常留設5～8m不等的窄煤柱[6-7]，窄煤柱在雙側采動的影響下，彈性核不復存在，內部兩側塑性區貫通導致漏風嚴重，使得工作面的端頭、兩巷、以及相鄰采空區等位置成為煤炭自然火災頻發的地帶，其具體情況見圖3。

圖1 放頂煤開采巷道布置示意圖

圖2 煤炭自燃條件及相互關系

圖3 綜放工作面易自然發火位置

2 立體化巷道布置的特點分析

立體化巷道布置又稱錯層位巷道布置，該采煤法依據理論研究和生產實踐，用新的立體化巷道布置的理念分別沿煤層頂板和底板布置區段回風巷和進風巷，下區段進風巷則在上一工作面垮落穩定的采空區下掘進[8]。具體布置情況如圖4所示。

圖4 錯層位巷道布置系統

錯層位巷道布置系統與傳統的放頂煤巷道布置系統相比，回采工作面的區段之間以三維空間的立體形式相互交錯搭接，與傳統的放頂煤回采巷道布置系統相比，具有如下優點：①徹底解決了回采工作面的端頭煤損和區段平巷頂部煤損的問題，取消了區段煤柱，大幅度提高煤炭回采率，實現了真正意義上的厚煤層完全無煤柱開采；②在傳統的放頂煤開采過程當中，其初采和末采均有一定的煤體損失。然而，在錯層位巷道布置系統當中，回采工作面的區段之間以三維空間的立體形式相互交錯搭接，回采工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，使初、末采的回采率得到了很大程度的提高；③在上一工作面垮落穩定的采空區下方，布置接續工作面的區段進風平巷，然后再沿煤層頂板布置區段回風平巷，避免了高冒區的形成，進一步阻止了巷道高冒發火的發生；④錯層位布置所留的實體三角煤上方為采空區，受采動影響小，同時與傳統放頂煤相比實體三角煤上方采空區空間小更容易重新壓實，有利于避免巷道漏風。

錯層位巷道布置系統的應用，工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，消除了巷道及采空區邊緣浮煤，避免了浮煤積聚形成的熱力風壓，加上實體三角煤的阻風作用能夠有效防止巷道漏風，從而從根本上解決了礦井煤炭自然發火的隱患。

3 工程應用自然發火的危險評價

本文以山西鎮城底礦為研究背景，結合層次分析法[9-12]，對不同巷道布置系統下的綜放工作面采空區煤炭自然發火危險性進行綜合評估，并通過現場實際應用效果進行驗證。

3.1 礦井概況

該礦所采的8#煤層位于太原組西山煤田西北邊緣，地質構造比較簡單，煤層整體呈一單斜構造，賦存穩定，傾角5～9°，平均煤厚5.47m。瓦斯的相對涌出量為0.41m3/t；煤塵有具有爆炸性傾向，爆炸指數為22.31%；煤層易于自然發火。

3.2 層次分析模型的建立

根據影響煤炭自燃危險性的因素，確定層次結構，建立評價指標體系，具體層次結構模型見表1。

按照表1所示的層次結構模型，通過兩兩比較下一層次各因素對上一層次某元素的相對重要性，并采用1～9 階標度法賦值(表2)，建立上下層次之間的隸屬關系構造判斷矩陣(表3)，并用“和積法”計算相應的權重，并做一致性檢驗。

表1 綜放工作面自然發火危險性作層次結構模型

表2 判斷矩陣標度與含義

表3 判斷矩陣A-B數值表

1)按照式(1)，將每一列經正規化后的判斷矩陣按行相加。

(1)

2) 按照式(2)對向量歸一化，得出所求特征向量。

(2)

得到所求特征向量：W=[50.1 0.46 0.28 0.16]T。

3)根據式(3)計算判斷矩陣最大特征根λmax。

=4.0322

(3)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征根；(AW)i為向量AW的第i個分量。

4)進行一致性檢驗(式(4))。

(4)

式中：CI為一致性指標(ConsistencyIndex)，當判斷矩陣具有完全一致性時，CI=0。見式(5)。

(5)

式中：CR為一致性比例(ConsistencyRatio)，當CR<0.10 時，可認為判斷矩陣具有滿意的一致性，否則就需要對判斷矩陣進行調整；RI為平均隨機一致性指標(RandomIndex)，經上述計算可得：第1層次與第2層次之間的隸屬關系判斷矩陣具有滿意的一致性。根據公式1～5建立個分層的隸屬關系并進行一致性檢驗。各子因素對指標層的權重見表4。

表4 各個單獨因素對指標層B的權重

3.3 煤炭自燃危險性等級評價

根據國內學者對煤礦現場的研究，通過模糊聚類分析，可將我國煤炭自然發火危險性分為四級[13]，具體分級見表5。

17個單獨因素對準則層B的權重計算結果如表6所示，因此，可計算出傳統放頂煤開采的綜合評估計算值為：A=0.056×0.8+0.032×0.5+…+0.068×0.2=0.57。

表5 煤炭自燃危險性等級劃分

表6 各個單獨因素對目標層A的權重

對照表6和表7可以看出，該礦若采用傳統巷道布置的綜放技術開采，其自然發火危險性屬于I類—很危險型。

根據立體化巷道布置及其回采工藝特點，評價中部分單獨因素對于目標層的隸屬度發生了變化：端頭煤損為傳統放頂煤損失的25.6%，初、末采損失為原來的88.3%；實體三角煤的煤損為相應“T”形煤柱煤損的23.6%；巷道位置的改變及其浮煤的減少降低了熱力風壓差及漏風可能性，阻止了部分區域區域圍巖溫度的升高；另外，由于回采巷道內沒有高冒區的存在，所以回采巷道頂板及采空區的處理方式影響因素也相應降低。其它因素變化不大，可忽略不計。綜上所述，對變化各因素對目標層隸屬度重新打分，r4=0.71，r6=0.205，r7=0.05，r10=0.4，r11=0.35，r13=0.4。則：A′=0.056×0.8+…+0.07×0.71+…+0.068×0.2=0.41。

由計算結果可知，8#煤層采用錯層位巷道布置采煤法開采，其自然發火的危險性屬II類—危險型，煤層自然發火危險性明顯降低。實際生產表明，該煤礦采用立體化巷道布置以來工作面及采空區均未發生自然發火，證實了該研究的客觀性。

4 結 論

1)根據煤炭自燃火災發生的條件，對傳統放頂煤采煤工藝進行分析，得出綜放工作面的生產過程中兩端不放煤、回采工藝造成的丟煤以及采空區側煤柱的壓裂破壞形成大量的松散浮煤是引發煤炭自燃的根源。

2)提出了錯層位巷道布置方案，工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，消除了巷道及采空區邊緣浮煤，加上實體三角煤的阻風作用能夠有效防止巷道漏風，從根源上解決了礦井煤炭自然發火的隱患。

表7 各個單獨因素對目標層A的隸屬度

3)利用多目標層次分析對礦井自然發火危險性進行計算，結果證明采用錯層位巷道布置采全厚采煤法，煤層自然發火的危險性由I類—很危險轉化為II類—危險型，危險性較傳統綜放開采系統有明顯的降低。

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The analysis of three-dimensional roadway’s influence on spontaneous combustion in caving mining thick coal seam

YE Wen-tao，WANG Kai-yuan，LIN Zeng-yuan

(China Coal Techology and Engineering Group Chongqing Research institute，Chongqing 400039，China)

In allusion to the spontaneous combustion problem of coal seams in the process of full mechanized top-coal caving mining，analyzing the reason of coal spontaneous combustion，we have presented three-dimensional roadway layout scheme which along the seam roof and floor layouts section return airway and air intake.Then according to the influencing factors of coal spontaneous combustion hazard，the hierarchy structure model was established including each level judgment matrix，and used the combination of qualitative and quantitative AHP(Analytic Hierarchy Process) analysis.The results showed that using the new roadway layout system the danger of the coal seam spontaneous combustion has a lower level.Actual production verification，using three-dimensional roadway layout scheme，Spontaneous combustion has not occurred In working face and goaf.This verification confirmed the objectivity of research.

spontaneous combustion；disordered layer location；roadway layout；analytic hierarchy process；fatalness assessment

2014-12-27

2014年工信部物聯網發展專項資金項目“基于物聯網的煤礦安全生產協同管控系統研制及應用”資助(編號：2014083105)

葉文韜(1986-)，湖北宜昌人，技術員，主要從事煤礦安全監控系統及煤礦安全生產研究。E-mail：yewentao43@126.com。

TD822+.2;TD75+2

A

1004-4051(2015)07-0083-04