特厚綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律研究

宮 彪

(大同煤礦集團有限公司通風處，山西省大同市，037003)

礦井火災發(fā)生速度快，范圍廣，控制難度大，是直接威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災害之一。近年來,隨著綜采放頂煤技術的推廣應用，煤礦雖然實現(xiàn)了高產(chǎn)高效的目標，但這種采煤方法在采空區(qū)留煤較多，加之采空區(qū)漏風嚴重，所以綜放面采空區(qū)的自然發(fā)火危險性也較大。因此，研究采空區(qū)自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的分布規(guī)律，確定出合理的工作面推進速度，對防止采空區(qū)自燃、保障礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 工作面概況

金莊煤業(yè)8201綜放工作面內部靠近停采線約250 m范圍內為3-5#煤層合并區(qū)，其余大部分3#煤層和5#煤層分開。在兩煤層分開區(qū)域內，5#煤層平均厚度為15.3 m；3#煤層平均厚度為3.27 m；3#煤層和5#煤層之間的夾層厚度為0.71～1.77 m，平均厚度為1.2 m，夾層巖性主要為泥巖、炭質泥巖、高嶺質泥巖等。在兩煤層的合并區(qū)，最大煤層厚度為22.3 m，傾角為3°～6°。8201工作面走向長1262 m，傾斜長220 m，為“一進一回”兩巷布置，2201巷為進風、運煤巷，5201巷為回風、運輸兼作行人巷。經(jīng)測定3-5#合并煤層自燃傾向性為容易自燃，自然發(fā)火等級為Ⅰ類，最短自然發(fā)火期為41 d，具有爆炸危險性。

由于8201工作面在回采過程中采用的是綜采放頂煤開采方法，該開采方法在放頂煤后頂板垮落范圍大，在采場后方形成冒落、破碎帶，在礦壓作用下，采空區(qū)在短時間內很難被壓實，所以漏風通道多，漏風嚴重。此外，綜采放頂煤開采方法的回采率不高，在采空區(qū)的遺煤量較大，且該方法比其他方法多了一道放頂煤工序，工作面推進速度比較慢，增加了采空區(qū)遺煤與氧氣的接觸時間，所以8201工作面采空區(qū)的自然發(fā)火威脅較大。

2 8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

為避免8201綜放面在回采過程中采空區(qū)發(fā)生自燃，必須確定出合理的工作面推進速度，而要確定工作面的推進速度就必須知道采空區(qū)氧化升溫帶的寬度。為此，在工作面不采取任何防滅火措施的條件下對8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的分布進行了數(shù)值模擬。

2.1 模型建立

通過現(xiàn)場實際測定可得,2201進風巷斷面積為18.9 m2，進風風速測量值為2.04 m/s；5201回風巷斷面積為17.5 m2，回風風速測量值為2.24 m/s。根據(jù)采場上覆巖層運動的關鍵層理論，關鍵層初次斷裂后在采空區(qū)中部趨于壓實，而在采空區(qū)兩側仍各保持一個離層區(qū)，工作面?zhèn)鹊碾x層區(qū)隨工作面開采而不斷前移，從平面看，在采空區(qū)四周存在一沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，稱為采動裂隙“O”形圈，相應數(shù)值模擬采空區(qū)按照采動裂隙“O”形圈理論設置。

本次數(shù)值模擬模型具體參數(shù)：工作面長度220 m、寬度4 m，采空區(qū)走向長度250 m，進風巷長度30 m、寬度5.4 m，回風巷長度30 m、寬度5 m。應用GAMBIT軟件建立一源一匯的二維物理模型，進行網(wǎng)格化，將坐標原點定在進風巷端頭，指向采空區(qū)的方向為Y軸正方向，指向工作面的方向為X軸正方向，兩方向的步長均取1 m，即網(wǎng)格大小為1 m×1 m，網(wǎng)格數(shù)量共計66382個。并將采空區(qū)劃分成壓實區(qū)、過渡區(qū)、未壓實區(qū)、工作面、入風巷及回風巷6部分，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

由于工作面空間存在支架立柱、梁、采煤機機組、人員設備等，增加了工作面通風阻力，因此，將壓實區(qū)、過渡區(qū)、未壓實區(qū)及工作面這四部分都定義成為多孔介質區(qū)。

2.2 模擬結果分析

假設采空區(qū)松散煤體及巖體各為均勻多孔介質；計算區(qū)域內流體密度不變，空氣滲流在過渡區(qū)和壓實區(qū)符合達西定律；空氣中的氧與煤反應而被消耗，同時產(chǎn)生CO2等氣體，氣體消耗量與產(chǎn)生量相等，使空氣總量不發(fā)生變化；空氣中各組分按照Fick定律從濃度高處向低處擴散；由于煤自燃過程非常緩慢，認為在正常生產(chǎn)中，采空區(qū)的滲流、擴散及化學反應是穩(wěn)態(tài)過程，采空區(qū)溫度在回采過程中變化不大，基本保持在300 K，因此不考慮熱傳導。通過模擬，可得到金莊煤業(yè)8201綜放面的氧濃度分布如2圖所示。

圖2 采空區(qū)氧氣濃度分布圖

綜合上述分析，運用數(shù)值模擬方法得到的采空區(qū)自燃“三帶”分布情況如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬采空區(qū)自燃“三帶”范圍

由圖3可知，在不向工作面采空區(qū)采取任何防滅火措施的情況下，在采空區(qū)進風側，距工作面45 m處進入氧化帶；在采空區(qū)回風側，距工作面33 m處進入氧化帶。即散熱帶寬為33～45 m，窒熄帶為距工作面150～175 m之后的范圍。

3 采空區(qū)注氮及端頭堵漏措施

(1)采空區(qū)注氮措施。在8201綜放面的進風側沿進風巷預埋設三趟注氮管路。當?shù)谝惶寺袢氩煽諈^(qū)20 m后開始注氮，同時又埋入第二趟注氮管路；當?shù)诙俗⒌墓芸诼袢氩煽諈^(qū)20 m時向采空區(qū)注氮，再埋入第三趟注氮管路，同時斷開第一趟注氮管路；如此循環(huán)，直止工作面采完為止。

(2)采空區(qū)端頭堵漏措施。端頭封堵作為防滅火的輔助手段，能有效減少采空區(qū)漏風、縮短采空區(qū)氧化帶長度、降低采空區(qū)自然發(fā)火隱患。在頂板條件允許情況下，8201工作面上、下端頭每隔10 m各構筑一道粉煤灰墻，且每兩道粉煤灰墻之間加設一道6 m×7 m的風幛，封堵墻必須從煤幫構筑到

后溜尾處，確保將端頭封堵嚴實。每道封堵墻厚度為1.8 m，構筑時每碼放一層粉煤灰袋就鋪灑一層粉煤灰固化材料(甲乙料)，封堵裂隙、接頂，待粉煤灰墻構筑完畢后，用粉煤灰固化材料(甲乙料)對墻體進行抹面，確保墻體嚴密不漏風。墻體規(guī)格按巷道斷面規(guī)格確定。

4 注氮、端頭堵漏條件下采空區(qū)自燃“三帶”劃分

4.1 束管監(jiān)測系統(tǒng)

采空區(qū)束管監(jiān)測系統(tǒng)由采樣器、接管箱、放水器、除塵器、抽氣泵、采樣控制柜和分析單元等組成，利用真空泵通過一組空心塑料管將井下檢測地點的空氣直接抽至分析單元中進行實時監(jiān)測。它的優(yōu)點主要是能實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測、分析數(shù)據(jù)可靠，當井下發(fā)生事故斷電撤人后也能保持正常的監(jiān)測工作，不但可以用于煤炭自燃的早期預報，還可以監(jiān)測礦井內其他氣體成分的變化。

在金莊煤業(yè)8201綜放工作面2201進風巷和5201回風巷各安裝一組束管。安裝前，工作面支架保持不移架，后部刮板輸送機拉進，留出埋入束管的空間。安裝時，將工作面后部刮板輸送機靠采空區(qū)側刮板外邊緣浮煤清出，保證束管的埋入深度為距離刮板上邊緣0.2 m。連接好并埋入后，用浮煤蓋實。工作面各束管連接至地面束管監(jiān)測主系統(tǒng)，采樣氣體由氣相色譜儀進行分析。

4.2 觀測結果及分析

選取8201綜放工作面在采取注氮及端頭堵漏的條件下的2201進風巷束管監(jiān)測數(shù)據(jù)和5201回風巷束管監(jiān)測數(shù)據(jù)分析采空區(qū)氧濃度場分布，以確定8201工作面自燃“三帶”范圍。監(jiān)測數(shù)據(jù)見表1。

表1 束管監(jiān)測數(shù)據(jù)表

由以上觀測數(shù)據(jù)，可得5201回風巷與2201進風巷幾個時間段內，采空區(qū)距工作面不同位置處的氧濃度曲線圖，如圖4所示。

目前，一般認為，窒息帶氧濃度≤7%，氧化帶氧濃度為7%～18%，散熱帶氧濃度≥18%。由圖4可知，5201回風巷在第1時間段內距離工作面0～35 m為散熱帶，35～52 m處為氧化帶，52 m以后為窒息帶；5201回風巷在第2時間段內距離工作面0～10 m為散熱帶，10～63 m處為氧化帶，63 m以后為窒息帶；5201回風巷在第3時間段內距離工作面0～22 m為散熱帶，22～83 m處為氧化帶，83 m以后為窒息帶；2201進風巷在第1時間段內距離工作面0～22 m為散熱帶，22～107 m處為氧化帶，107 m以后為窒息帶；2201進風巷在第2時間段內距離工作面0～31 m為散熱帶，31～54 m處為氧化帶，54 m以后為窒息帶。分析可知，8201綜放工作面3-5#合并煤層采空區(qū)在采取注氮及端頭堵漏措施后，進風巷側散熱帶邊界為22～31 m處，氧化帶的最大寬度為85 m，54～107 m處為窒息帶的起始邊界；8201工作面回風側散熱帶邊界為10～35 m處，氧化帶的最大寬度為61 m，52～83 m處為窒息帶的起始邊界。

圖4 采空區(qū)距工作面不同距離處的氧濃度曲線圖

5 8201綜放面合理推進速度的確定

通過上述分析可知，在工作面采空區(qū)采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，采空區(qū)氧化帶的最大寬度為85 m，則其每月的最小推進距離為62.2 m/月；在工作面采空區(qū)不采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，采空區(qū)氧化帶的最大寬度為130 m，則其每月的最小推進距離為95.2 m/月。

由于《關于進一步規(guī)范和改善煤炭生產(chǎn)經(jīng)營秩序的通知》要求全國煤礦自2016年起全年作業(yè)時間不超過276個工作日，落實到每月即不超過23 d。則在采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，每天的最小推進距離為2.7 m/d；在不采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，每天的最小推進距離為4.1 m/d。

由于受到礦井產(chǎn)量及礦井運輸能力的限制，8201工作面每天的推進距離不能太大。推進距離太大易引發(fā)各種災害事故；但推進距離也不能太小，太小無法確保整個礦井的正常運轉。目前金莊煤業(yè)8201工作面所采用的采煤機的有效截深為0.8 m，綜合考慮各種因素的影響，確定8201工作面每天割4刀煤，即推進距離為3.2 m/d，因為該推進距離小于不采取防滅火措施情況下的最小推進距離4.1 m。因此，為防止8201工作面采空區(qū)自然發(fā)火，需采取一定的防滅火措施，即可向采空區(qū)采取注氮和端頭堵漏的措施。

6 結論

(1)在采空區(qū)不注氮及不堵漏的條件下，通過模型的建立、條件的假設及結合現(xiàn)場數(shù)據(jù)，模擬了8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍。

(2)束管監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)了對8201綜放面采空區(qū)內氧濃度的實時監(jiān)測，通過對進風巷和回風巷多個時間段內的監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，劃分出了采空區(qū)在采取注氮及堵漏措施下的自燃“三帶”分布范圍。

(3)計算了8201綜放面在采取注氮及堵漏措施和不采取注氮及堵漏措施兩種條件下每月的最小推進距離，并結合每年作業(yè)時間不超過276 d的生產(chǎn)要求，進一步計算了兩種條件下每天的最小推進距離。

(4)考慮到礦井的生產(chǎn)能力及運輸能力，在確保礦井可以正常運轉的條件下，結合8201綜放面采煤機的有效截深，確定了合理的工作面推進速度，并提出了相應的防滅火措施。

參考文獻：

[1] 徐精彩,張辛亥,鄧軍等.常村煤礦2106綜放面采空區(qū)“三帶”規(guī)律及自燃危險性研究[J].湖南科技大學學報(自然科學版), 2004(3)

[2] 畢巖峰,張人偉,代曉亮.采空區(qū)“三帶”劃分數(shù)值模擬及其應用[J].煤炭技術,2013(1)

[3] 靳玉萍,張兵.基于非穩(wěn)態(tài)對流擴散方程高階緊致差分的煤自燃數(shù)值模擬[J].科學技術與工程,2014(14)

[4] 周心權.煤礦采空區(qū)自燃防治和應急處置能力提高的建議[J].煤炭科學技術,2013(9)

[5] 海林鵬.淺埋綜放采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律的實測與數(shù)值模擬研究[J].科學技術與工程,2013(17)

[6] 童校長,宋家勇.綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”測定技術[J].煤炭技術,2016(3)

[7] 趙國彬,潘鳳龍.綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”的測定[J].煤炭與化工,2016(4)

[8] 郭樹武.注氮技術在回采工作面采空區(qū)內因火災防治中的應用[J].華北科技學院學報,2016(5)

[9] 蔡周全,王龍,邢書寶等.束管監(jiān)測系統(tǒng)在煤礦應用中存在的問題及解決方法[J].煤炭技術,2016(7)

[10] 何啟林,彭偉.利用束管監(jiān)測系統(tǒng)預報采空區(qū)遺煤氧化情況[J].安徽理工大學學報(自科版),2011(3)