急傾斜特厚煤層水平分層開采綜合滅火技術(shù)研究

林 軍，馬祖杰，王 剛，范酒源

(1.國家能源集團(tuán)新疆能源公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院，山東 青島 266590)

礦山火災(zāi)發(fā)生在世界上許多國家，對寶貴的能源資源、環(huán)境以及人類健康和安全構(gòu)成巨大威脅[1-5]。中國是全球最大的煤炭生產(chǎn)國，同樣，也是煤炭自燃嚴(yán)重受災(zāi)國家之一，存在煤炭自燃的礦井大約有56%，有自然發(fā)火危險的煤層占可采煤層數(shù)的60%；由煤炭自燃而引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%[6-10]。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采工藝，但存在采空區(qū)垮落高度大、遺煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重，過斷層推進(jìn)速度緩慢等問題，導(dǎo)致自燃火災(zāi)事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員和綜采設(shè)備的損失，同時，大量煤炭資源將被火區(qū)凍結(jié)，造成巨大的資源浪費(fèi)[11-13]。工作面的啟封是一項(xiàng)復(fù)雜且危險性高的工作，如果對密閉環(huán)境內(nèi)情況認(rèn)知不足，易引起復(fù)燃、甚至是瓦斯爆炸等事故[6]。因此，在啟封火區(qū)前必須對火區(qū)的狀態(tài)做出正確判斷。

烏東煤礦+600水平開采過程中出現(xiàn)明火，在采取了緊急滅火措施撲滅明火后，再恢復(fù)生產(chǎn)時支架后方仍出現(xiàn)冒煙現(xiàn)象。因此，針對烏東煤礦采空區(qū)遺煤自燃反復(fù)發(fā)生的問題，首先需對急傾斜特厚煤層水平分層開采條件產(chǎn)生的自然發(fā)火原因進(jìn)行分析，由于封閉工作面并不能有效消除該采煤方式的采空區(qū)遺煤自燃災(zāi)害，除了及時封閉著火工作面，還對發(fā)火源、地表等區(qū)域采取了注氮、地表堵漏與采空區(qū)注漿等一系列防滅火措施，以求徹底解決這種急傾斜分層開采工作面的火災(zāi)事故。通過COMSOL數(shù)值模擬與現(xiàn)場實(shí)測相結(jié)合的方法，對烏東煤礦特定地質(zhì)條件下采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域的滅火效果檢驗(yàn)進(jìn)行分析，并證實(shí)了達(dá)到工作面啟封條件，最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失和煤炭資源浪費(fèi)。

1 工作面概況

烏東煤礦+600水平43#煤層?xùn)|翼綜采工作面位于副井以東，工作面埋深較淺，靠近地表，地表為荒山丘陵，無公路、河流及建筑設(shè)施，具體的綜放工作面參數(shù)見表1。

表1 綜放工作面參數(shù)

2 急傾斜特厚煤層火災(zāi)治理技術(shù)

通過傳統(tǒng)封閉工作面達(dá)到滅火的技術(shù)，對于急傾斜特厚煤層水平分層綜放工作面的適用性較低。在這種特殊的地質(zhì)與工況環(huán)境下，具有針對性地制定了快速高效的綜合防滅火技術(shù)措施對封閉火區(qū)進(jìn)行治理。

2.1 自然發(fā)火致災(zāi)分析

烏東煤礦+600水平43#煤層上方漏風(fēng)通道示意如圖1所示，其工作面火災(zāi)成因分析如下：

圖1 +600水平45#煤層漏風(fēng)通道剖面

1)立體采空區(qū)存在大量空間分布的遺煤，為采空區(qū)自燃火災(zāi)提供了首要的物質(zhì)條件與蓄熱環(huán)境。

2)急傾斜特厚煤層水平分層采空區(qū)冒落特性決定了頂板側(cè)存在大量的漏風(fēng)裂隙和冒落不充分形成的漏風(fēng)空洞，而且易與地表塌陷裂隙貫通。為采空區(qū)中大量浮煤，特別是采空區(qū)中頂板一側(cè)的遺煤，提供了充足的供氧，極大提高了該區(qū)域發(fā)生煤自然發(fā)火的可能性。

3)上分層遺煤在以裂隙為漏風(fēng)通道并大量供氧作用下，極易發(fā)生自燃。同樣，隨著下分層工作面采動的高溫煤體垮落，導(dǎo)致下分層煤體自然發(fā)火，最終易形成自下而上的立體火區(qū)。

4)封閉綜放工作面火區(qū)上方，存在地表塌陷范圍廣、漏風(fēng)裂隙發(fā)育、火區(qū)高溫范圍大等問題，且很難被快速消除。然而深部和上部火區(qū)火源隱蔽、灌注滅火介質(zhì)的擴(kuò)散性差且難以向高位堆積、松散煤體內(nèi)鉆孔容易塌落等問題也是本工作面發(fā)生火災(zāi)的重要原因。

2.2 綜合滅火技術(shù)實(shí)施

由于烏東煤礦急傾斜特厚煤層水平分層的開采方式著火區(qū)多，立體采空區(qū)存在難以發(fā)現(xiàn)的著火點(diǎn)等特點(diǎn)，為保證工作面后續(xù)的安全生產(chǎn)，除了封閉工作面之外，還采取了其他綜合治理防滅火措施，形成了注氮滅火、地表火點(diǎn)堵漏與注漿堵漏配合的綜合滅火系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 綜合滅火系統(tǒng)

2.2.1 注氮滅火

該工作面累計注氮?dú)?80萬m3，注氮期間密閉內(nèi)外壓差保持在22mmH2O柱-29mmH2O柱，可見，地表與工作面存在漏風(fēng)；在地表對應(yīng)工作面10m處施工注液氮鉆孔，累計注液氮82.7t(液態(tài)102.1m3，氣態(tài)67385m3)，主要通過架后埋管注氮和超前注氮配合的方法控制火區(qū)，對發(fā)火區(qū)完成初步滅火工作。根據(jù)采放高度、采空區(qū)碎脹系數(shù)、自然發(fā)火危險帶寬度等確定注氮口每開啟一次的注氮量。注氮量的確定原則是使氮?dú)獬錆M整個需要惰化處理的區(qū)域，工作面注氮量分為首次注氮量和間歇式注氮量。工作面首次注氮量可按式(1)計算，間歇式注氮的日注氮量式(2)計算。

Q1=WHLK1K2

(1)

式中，Q1為首次總注氮量，m3；W為惰化帶寬度，m；H為惰化帶(采、放煤)高度，m；L為惰化帶長度，m；K1為采空區(qū)氣體置換系數(shù)；K2為采空區(qū)松散系數(shù)。

QN=bLHK1K2K3

(2)

式中，QN為間歇式注氮時日注氮量，m3；b為工作面日推進(jìn)度，m；L為工作面長度，m；H為放煤高度；K1為采空區(qū)氣體置換系數(shù)；K2為采空區(qū)冒落矸石松散系數(shù)；K3為工作面推進(jìn)速度校正系數(shù)。

1)架后埋管注氮。在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)一趟注氮管路。在綜采工作面架后預(yù)埋入12m鐵管，鐵管周邊鉆6mm小眼，眼距20cm，管長12m，管路末端鎖口，管路用管箍連接，啟始端與注氮管連接埋入架后30m深度。

2)超前注氮。為了有效控制無法直接觀測的上分層采空區(qū)內(nèi)的高溫火區(qū)，消除高溫煤體垮落開采分層的威脅，在+600水平43#煤層?xùn)|翼北巷距工作面50m的位置朝上分層采空區(qū)打直徑為100mm鉆孔，沿煤層傾角施工鉆孔，鉆孔打入上分層采空區(qū)。

2.2.2 地表火點(diǎn)堵漏

如圖1所示，開采工作面存在與地表貫通的裂隙，因此在地表圖2中，在井筒煤柱開挖過程中，針對局部火點(diǎn)采取了清挖換填處理措施。坑內(nèi)清挖至原鐵廠溝煤礦+670水平石門時，出現(xiàn)大面積明火，采取混凝土澆灌、黃土覆蓋處理等措施，將漏風(fēng)通道封堵。目前井筒煤柱解壓坑累計回填295萬m3，公路煤柱解壓坑累計回填350萬m3。

2.2.3 對原鐵廠溝廢棄巷道注漿堵漏

由于工作面封閉前，火災(zāi)位置明確，根據(jù)火區(qū)發(fā)生的工作面，查閱烏東煤礦采掘工程平面圖，再以WorldView-2衛(wèi)星數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用遙感解譯與野外驗(yàn)證(包括進(jìn)行紅外測溫和觀察冒煙位置)的方法，并通過人機(jī)交互解譯與計算機(jī)自動信息提取確定了烏東煤礦采空區(qū)內(nèi)火區(qū)所對應(yīng)的地表由采礦活動引發(fā)的裂隙分布影響區(qū)[14]。+600水平43#煤層探查孔平面圖如圖3所示，為達(dá)到直接滅火的效果，由地表向?qū)?yīng)工作面6#～9#支架后25m范圍內(nèi)的采空區(qū)，進(jìn)行打孔注漿堵漏，同時對原鐵長溝煤礦+620～+670軌道、運(yùn)輸兩條上山對應(yīng)位置打孔注漿，灌注黃泥復(fù)合膠體總量11004m3。

圖3 +600水平43#煤層探查孔平面

3 火區(qū)治理效果分析研究

為了分析火區(qū)災(zāi)害治理效果，通過對現(xiàn)場采樣分析與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法分析出了治理效果。

3.1 密閉區(qū)現(xiàn)場取樣監(jiān)測分析

在+600水平43#煤層?xùn)|翼北巷向+620水平43#煤層?xùn)|翼北巷、+620水平43#煤層水倉、+670—+620水平軌道下山下部車場、+620水平43#煤層?xùn)|翼南巷、+670—+620水平運(yùn)輸下山(7#架頂部)等多個地點(diǎn)，施工了探查鉆孔，主要通過巷道內(nèi)探查氣體、積水、積漿等情況，綜合評價火區(qū)治理效果。探查表明：巷道內(nèi)存在積水、積漿。經(jīng)過對其進(jìn)行探放，確保無積水、積漿后，檢測發(fā)火指標(biāo)性氣體。

通過對+600水平43#煤層封閉區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體連續(xù)采樣，采取滅火措施后的不同地點(diǎn)不同氣體組分濃度的整體綜合情況見表2。可見，氧氣濃度在1%左右，一氧化碳、乙烯氣體濃度也保持穩(wěn)定，無乙炔氣體。其間，結(jié)合封閉區(qū)內(nèi)溫度與封閉前日常空氣溫度情況，火區(qū)的出水溫度為14℃，低于25℃。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》[15]二百七十九條規(guī)定以及煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)[16]研究可知，上述氣體濃度和水溫情況，持續(xù)時間近兩個月，初步判斷火災(zāi)封閉工作面的6#—8#液壓支架頂部著火點(diǎn)已熄滅。

表2 火區(qū)治理后氣體組分采樣分析記錄表

為進(jìn)一步研究綜合滅火措施的有效性，對密閉內(nèi)的O2與CO濃度持續(xù)取樣。

連續(xù)37天的O2濃度數(shù)據(jù)統(tǒng)計如圖4所示，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果得出，封閉礦井期間分為初始階段和穩(wěn)定階段兩個階段。初始階段O2濃度波動較大，而穩(wěn)定階段O2濃度波動較小，并且均處于安全線以下。從一定程度上說明礦井封閉效果以與滅火效果良好。采取滅火措施后，對57天CO濃度持續(xù)采樣分析如圖5所示，從數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果得出，礦井封閉后同樣分為兩個階段，即平穩(wěn)階段和穩(wěn)定階段。在平穩(wěn)階段CO濃度降到較低水平但仍有較大波動性，而在穩(wěn)定階段，CO濃度下降至較低水平并且最終趨于平緩。采取滅火措施后，檢測到密閉區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體CO與O2低，維持段時間超過一個月時間，從對O2與CO的分析結(jié)果來看，制定的綜合滅火措施滅火效果好，達(dá)到了工作面啟封的條件。

圖4 封閉區(qū)O2折線

圖5 封閉區(qū)CO折線

3.2 綜合滅火措施實(shí)施前后數(shù)值模擬研究

為了研究綜合滅火措施有效性，利用COMSOL數(shù)值模擬軟件，對實(shí)施滅火措施前后地面漏風(fēng)狀況、CO濃度分布進(jìn)行模擬。相比于常規(guī)地質(zhì)開采條件，烏東煤礦+600水平上分層已開采，存在呈立體式的采空區(qū)，容易產(chǎn)生貫通于地面的漏風(fēng)通道，因此針對烏東煤礦的急傾斜特厚煤層具體的地質(zhì)開采條件，以地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，MATLAB賦值編譯出孔隙率，通過插值函數(shù)邊界條件的方法，將孔隙率插入COMSOL模擬軟件中，在分層采空區(qū)空間的孔隙率分布如圖6所示。

圖6 立體空間孔隙率賦值

根據(jù)烏東煤礦地質(zhì)條件建立幾何模型，假設(shè)立體采空區(qū)為多孔介質(zhì)，邊界條件上下邊界為狄雷克邊界條件，左右無流動，孔隙率為全局賦值邊界。模擬參數(shù)見表3。

表3 模擬相關(guān)參數(shù)

模擬治理前后漏風(fēng)規(guī)律，以達(dá)西定律為基礎(chǔ)，為了更加符合多孔介質(zhì)流動，建立了自定義PDE模型，通過定義系數(shù)來實(shí)現(xiàn)物理模型形式，其偏微分方程為：

(3)

式中，a、γ為矢量系數(shù);；u為變量；ea為質(zhì)量系數(shù)；da為阻尼系數(shù)；c為擴(kuò)散系數(shù)；a為對流系數(shù)；α為吸收系數(shù)；γ為源項(xiàng)；為哈密頓算子。

狄雷克(Dirichlet)邊界條件為：

hu=r

(5)

式中，h為矢量系數(shù)；u為變量；r是狄利克雷邊界條件中指定的邊界速度變量，m/s。

為了保證模擬的準(zhǔn)確性，漏風(fēng)入口為現(xiàn)場實(shí)測的地表氣壓的實(shí)測平均值，出口為+600水平自然風(fēng)壓實(shí)測平均值。

對火災(zāi)治理前后43#煤層急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面漏風(fēng)流場分布規(guī)律模擬分別如圖7和圖8所示。治理前煤層空間內(nèi)漏風(fēng)流場分布范圍大，漏風(fēng)量大，漏風(fēng)流場在+600水平工作面產(chǎn)生積聚，風(fēng)速高的區(qū)域較大，空氣從與地表貫通的裂隙通道內(nèi)涌入開采層空間；采取廢棄巷道注漿堵漏以及地表火點(diǎn)清挖覆蓋、黃土回填堵漏等措施后，漏風(fēng)流場變化，+600水平工作面風(fēng)流速度大幅度減小，風(fēng)流分布區(qū)域大幅度降低。

圖7 治理前43#煤層漏風(fēng)風(fēng)流分布

圖8 治理后43#煤層漏風(fēng)風(fēng)流分布

模擬滅火措施前后CO分布規(guī)律如圖9與圖10所示，從兩圖中可知，因?yàn)樵诠ぷ髅嬷Ъ芴幊霈F(xiàn)著火事故，以及存在地表向下的漏風(fēng)，所以滅火前CO濃度高且主要集中在+600開采水平上。滅火后因?yàn)樽⒌O密度略小于空氣等原因，使得CO主要集中在上分層采空區(qū)內(nèi)。

圖9 治理前CO分布規(guī)律

圖10 治理后CO分布規(guī)律

為了對滅火前后CO分布定量分析，提取圖10中模型中部所對應(yīng)的數(shù)據(jù)提取線和兩側(cè)邊界上的數(shù)據(jù)，兩側(cè)邊界及中部的數(shù)據(jù)提取線是指以+600水平位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿煤層傾角44°由下往上的163m直線，導(dǎo)出如圖11所示，從圖中可知，治理前后CO濃度結(jié)果變化明顯，治理前CO濃度最大達(dá)到0.9%，治理后CO濃度最大達(dá)到0.1%，位于中間和左右兩側(cè)的數(shù)據(jù)提取線所反映的滅火后的+600開采水平的CO濃度模擬數(shù)據(jù)范圍平均濃度為0.0093%，密封穩(wěn)定后現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的平均CO濃度為0.013%，模擬數(shù)據(jù)與實(shí)測結(jié)果吻合，可以從CO濃度數(shù)據(jù)方面驗(yàn)證模擬準(zhǔn)確性高。

圖11 線上的CO濃度分布曲線圖

模擬結(jié)果可得，滅火前+600水平上CO濃度最高，并向地表方向遞減，由于在開采層上發(fā)生了著火事故，煤燃燒產(chǎn)生大量CO且不能及時排出，導(dǎo)致CO產(chǎn)生積聚。采取了綜合滅火措施后，熄滅了火源，并且注入了大量氮?dú)猓归_采層CO濃度降至0.01%以下，在上分層采空區(qū)由于氮?dú)庵脫Q與CO輕于空氣等原因所以出現(xiàn)了CO先上升后下降現(xiàn)象。

針對急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面火災(zāi)發(fā)生特點(diǎn)，從數(shù)值模擬得到采用的綜合防滅火治理措施后，+600水平漏風(fēng)流場范圍減小，CO平均濃度從0.894%降至0.0093%，因此可認(rèn)為啟封前的火區(qū)滅火措施行之有效，火區(qū)治理效果好。

4 結(jié) 論

1)對急傾斜特厚煤層水平分層開采方式發(fā)火災(zāi)害來源分析，制定適用于此開采方式下的地表堵漏、地面注漿與火區(qū)注氮配合的綜合滅火措施，快速處理了工作面著火事故。

2)對封閉工作面氣體O2和CO持續(xù)采樣分析，O2濃度最終在1%左右波動與CO最終在0.013%左右波動，達(dá)到了安全水平并維持這種狀態(tài)較長時間，因此可得出綜合滅火措施可以快速控制火區(qū)，滅火措施有效。

3)數(shù)值模擬得到滅火前后開采分層處風(fēng)流場發(fā)生變化，風(fēng)速大的區(qū)域減小。指標(biāo)氣體CO的分布規(guī)律發(fā)生變化，滅火前CO濃度高，且自開采分層向地表逐漸降低，滅火后CO濃度較低，且出現(xiàn)上分層采空區(qū)先高于開采分層然后降低的現(xiàn)象，說明了提出的綜合滅火措施能夠滿足急傾斜特厚煤層水平分段開采方式下的滅火需求。