干河煤礦2-216工作面采空區自燃三帶分布及防滅火技術研究

段國斌

(山西焦煤霍州煤電 霍寶干河煤礦有限公司，山西 臨汾 041602)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電霍寶干河煤礦2-216工作面井下位于+80 m水平一采區的右翼，北側為F14斷層，西側為2-112工作面采空區，南側為2-118C工作面采空區，東側為F23斷層。工作面開采2號煤層，煤層平均厚度3.75 m，夾矸0.55 m左右，煤層傾角7～11°，平均傾角為9°，煤層普氏系數f=1.5，屬于穩定性煤層。煤層直接頂為細粒砂巖，厚2.45 m，基本頂為K8中粒砂巖，厚4.8 m；直接底為炭質泥巖，厚2.9 m，老底為K7中粒砂巖，厚3.1 m。頂板裂隙發育，底板為砂巖遇水不膨脹。

根據礦井地質資料，2-216工作面絕對瓦斯涌出量0.74 m3/min，相對瓦斯涌出量0.46 m3/t，2號煤層具有自燃傾向，屬于Ⅱ級自燃煤層，自然發火期為61 d。由于工作面采用大采高綜采工藝，煤層回采后會有一定的煤炭遺留在采空區內，為有效防止采空區出現遺煤自燃，特進行采空區自燃三帶分布規律分析及防滅火技術設計。

2 采空區自燃三帶分布

2.1 現場實測分析

根據相關文獻[1-2]，目前我國針對采空區“三帶”的劃分標準最常用的方法以氧氣濃度作為劃分標準，具體為：散熱帶為O2濃度>18%、自燃帶為18%≥O2濃度>8%、窒息帶為O2濃度<8%。現基于該劃分標準，采用埋管與束管相結合的方式進行采空區內氧氣含量的測試，在工作面區域共計布置4個采樣點，具體采樣點布置形式如圖1所示。

圖1 2-216工作面采樣測點布置示意

通過對各個采樣點數據的采樣，采用氣相色譜儀進行氣體成分的分析，根據測試結果得出工作面膠帶巷和回風巷氧氣濃度與工作面推進距離間的關系曲線，如圖2所示。

由圖2可知，工作面回風巷的測點隨著工作面回采作業的推進其氧氣濃度逐漸降低，在測點進入采空區40 m時，氧氣濃度由原來的22%降低至18%，隨著工作面的進一步推進，當測點進入采空區140 m時，氧氣濃度降低至8%，并進入到采空區窒息帶；在工作面進風側，由于其漏風強度較大，測點在進入采空區深度60 m時氧氣濃度才逐漸下降，當測點進入采空區150 m時，此時氧氣濃度下降至10%以下。

根據上述分析，結合采空區“三帶”劃分標準，基于測試結果初步劃定采空區“三帶”的分布特征如表1所示。

圖2 氧氣濃度變化曲線

表1 基于測試結果的采空區“三帶”初步劃分

2.2 數值模擬分析

為進一步掌握2-216工作面采空區“三帶”的分布特征，考慮到測試分析中存在著一定的偏差問題，故基于上述現場實測結果，結合工作面特征，采用Fluent數值模擬軟件，建立采空區長×寬=260 m×200 m的數值模型，將采空區視為各項同樣的多孔介質[3]，忽略位能的影響，假定工作面進風巷和回風巷在同一水平面內，并忽略內部阻力系數和粘性阻力系數在Z軸方向上的變化，結合工作面通風特性，設置工作面供風量為Q=1 000 m3/min，模擬采空區氧氣濃度分布和氧化自燃帶分布范圍，模擬結果如圖3所示。

由圖3可知，在工作面配風量為1 000 m3/min時，工作面膠帶巷散熱帶范圍<52 m，氧化自燃帶為52～161 m，窒息帶為>161 m；工作面回風巷散熱帶范圍為<46 m，氧化自燃帶為46～142 m，窒息帶為>142 m。基于上述分析，數值模擬得出采空區“三帶”的分布與實測結果基本一致。

圖3 采空區氧氣濃度分布和氧化自燃帶分布云圖

基于現場實測數據與數值模擬結果，綜合確定2-216工作面采空區“三帶”的分布見表2。

表2 2-216工作面采空區“三帶”分布情況

3 工作面防滅火技術

3.1 防滅火方案設計

基于上述2-216工作面采空區“三帶”的分布特征，確定工作面回采期間采用灌漿+上下隅角袋子墻封堵+注氮的防滅火技術，具體各項措施參數設計如下：

1) 采空區灌漿。本次采空區灌漿采用黃泥漿，漿液的水灰比為1∶4～1∶2，漿液在地面固定式灌漿站進行制備，在工作面回采期間，通過在工作面后方從膠帶巷向回風巷方向鋪設1趟DN100 mm的鋼管，鋼管在工作面面長方向上每間隔30 m在其上加設1根花管，長度為1 m，并將灌注管路在工作面下隅角區域與灌漿系統相連接，當工作面回采推進50 m時，進行灌漿。具體采空區灌漿布置形式如圖4所示。

圖4 采空區灌漿布置形式示意

2) 封堵工作面上下隅角。由于采空區漏風現象的存在，會使得工作面上下隅角之間的風力形成一定的壓差，給采空區內提供一定氧氣，進而為遺煤的氧化提供條件，故對工作面上下隅角進行封堵，以減小氧化帶的范圍[4-6]。本次采用堆砌袋子墻的方式進行上下隅角的封堵，以降低工作面上下隅角端頭未垮落區域的漏風現象，具體端頭未冒落區域封堵形式如圖5所示。

圖5 上下隅角袋子墻封堵示意

3) 注氮惰化采空區。本次采空區注氮采用連續注氮方式，基于工作面特征確定注氮流量為2 000 m3/h，本次采空區注氮采用預埋管路的注氮工藝，工作面注氮管路埋入采空區50 m的深度，注氮管路預先在工作面膠帶巷內敷設，一端埋入采空區內，另一端與注氮系統連接，隨著工作面回采作業的進行，隨時調整注氮管路深入采空區的位置，始終保持注氮管路端頭深入采空區的深度為50 m，即將注氮管路始終埋設在采空區氧化自燃帶內。

3.2 效果分析

為分析2-216工作面采空區防滅火技術的應用效果，根據2-216工作面KSS-200型束管監測系統的監測數據可知，采空區防滅火技術實施后，工作面膠帶巷52～160 m范圍內，即氧化自燃帶內的一氧化碳濃度為0.001 7%，氧氣的濃度為5.5%；工作面回風巷44～141 m，一氧化碳濃度為0.001 5%，氧氣濃度為5.3%。工作面回采期間無采空區自燃發火現象出現。

4 結 語

根據霍寶干河煤礦2號煤層的賦存情況及2-216工作面的特征，通過現場測試與數值模擬的方式確定了工作面膠帶巷氧化自燃帶的范圍為52～160 m，回風巷氧化自燃帶的范圍為44～141 m，基于采空區自燃“三帶”分布規律，確定工作面采用灌漿+上下隅角袋子墻封堵+注氮的防滅火技術，現場應用結果表明，防滅火措施有效保障了采空區的安全。