類比分析法在防滅火工程中的實踐與應用

任寶生

（山西靈石紅杏廣進寶煤業有限公司，山西朔州036800）

煤礦火災被認為是影響礦井安全生產的五大災害之一[1]。煤礦如果不小心引起火災，其火勢一般較難控制，并且影響的范圍也比較廣泛，不僅會給煤炭資源造成一定的損失，打亂煤礦的正常生產部署，而且嚴重時還會引起瓦斯爆炸，并進一步使災害的程度和范圍擴大，對礦井的安全生產造成一定的危害[2]。重大煤礦火災事故的發生，對我國的煤炭生產產生了較大的負面影響，也對我國煤炭企業的經濟效益產生難以估量的影響[3]。因此，在礦井生成過程中要有效的加強煤礦火災的防治工作，保證煤礦安全有效地進行生產，這就要求我們在煤礦的生產過程中熟知火災的引起因素和一些必要的防治措施，盡量避免煤礦火災的發生。

1 礦井及工作面概況

1.1 礦井概況

山西朔州平魯區后安煤炭有限公司后安煤礦位于朔州市平魯區東南約14.5km陶村鄉王高登村附近，行政隸屬于平魯區陶村鄉管轄。井田面積4.8336km2，批準開采4#煤層~11#煤層，現核定生產能力500×104t/a。井田采用斜井開拓方式，有主斜井、副斜井、行人斜井和回風立井四個井筒。礦井共設兩個開拓水平，一水平標高為+1135m，開采井田范圍內的4#煤層，二水平標高為+1072m，開采9#煤層和11#煤層。礦井通風方式為中央分列式，通風方法為機械抽出式，主扇為2臺FBCDZ-10-№30型對旋式軸流通風機，一臺工作，一臺備用，配備電機型號為YBF630S1-10，功率280kW×2。礦井回采工作面采用全負壓通風，掘進工作面采用壓入式通風，礦井風量及各用風地點風量滿足礦井生產需要，且通風系統正常運轉。根據2019年瓦斯等級鑒定結果，礦井瓦斯絕對涌出量為2.95m3/min，相對瓦斯涌出量為0.43m3/t，屬低瓦斯礦井。煤層自燃傾向等級均為Ⅱ類，均屬自燃煤層，自然發火期為83d，煤塵均有爆炸危險性。礦井采掘機械化程度100%。目前4#煤層布置1個綜放工作面、1個掘進工作面，9#煤層布置1個綜放工作面、5個掘進工作面。

1.2 工作面概況

90303工作面位于井田東北部，東為90302采空區；西為90304備采工作面；南為903采區軌道、回風、膠運巷；北為礦界保安煤柱。對應上覆4號層8505、8507、北輔采空區，煤層厚度在12.80~14.05m，平均煤厚13.2m。

90303工作面所采煤層為9#煤，采用綜采放頂煤走向長壁采煤方法開采，頂板管理采用全部垮落法，割底留頂煤，走向長度412.6m，工作面長度173.2m，工作面通風采用一進一回的U型負壓通風方式，工作面需風量為1080m3/min。

2 問題的提出

90303綜放工作面于2020年5月30日開始回采，截止目前為止已經生產2個月，工作面推進長度251m。2020年7月25日瓦斯檢查員在工作面上隅角檢查氣體濃度時發現上隅角出現了CO氣體，瓦斯檢查員用多種氣體測定管對上隅角CO濃度進行測定，氣體濃度為11ppm，用CO便攜儀測定上隅角CO濃度為13ppm。8月3~5日瓦斯員對90303綜采面上隅角傳感器處、上隅角切頂柱處、后溜尾處、回風流4個取樣點采集氣樣，通風區化驗室對采集氣樣進行了化驗分析，化驗結果顯示CO濃度在12~16ppm范圍內，無C2H2、C2H4、C2H6等其它自燃標志氣體。

3 原因分析

3.1 90303工作面上隅角出現CO的可能原因

（1）采空區遺留煤炭在氧氣進入的情況下發生緩慢氧化發生陰燃，產生大量的CO氣體，并隨著風流涌入工作面上隅角。

（2）在90303工作面回采過程中采空區受礦壓影響，導致90303采空區與相鄰90302采空區、902采區的采空區相連通，最終相鄰采空區內CO氣體受通風負壓影響涌入90303采空區，繼而從90303上隅角涌出，導致90303上隅角出現CO氣體。

（3）隨著90303工作面推進，采空區頂板垮落，使對應地表塌陷或者出現裂縫，導致90303采空區與上覆4#煤層8505、8507采空區、北輔采空區及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區內CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區，又從采空區向上隅角涌出。

3.2 針對不同情況采用類比法具體原因分析

類比分析法的工作原理是利用與擬建項目類型相同的現有項目的設計資料或實測數據進行工程分析的方法。是工程分析常用的方法，也是定量結果較為準確的方法。但該方法要求時間長、工作量大。在評價時間允許、評價工作等級較高、又有可資參考的相同的或相似的現有工程時，應采用此法。

（1）針對采空區遺留煤炭自燃原因分析。

①運用類比法進行分析，由于90303綜放工作面與其相鄰的90302工作面都是回采的9#煤層，所開采煤層的厚度、傾角、地質構造基本相同，并且90302綜放工作面切眼長度與90303綜放工作面切眼長度一樣也是173.2m，同樣都是采用的綜采放頂煤回采工藝，采空區都遺留了大量的煤炭，因此具有很大的相似性和可比性。90302綜放工作面于2020年5月18日回采結束開始鋪網回撤到2020年7月4日工作面回撤結束歷時46d，整個工作面在既沒有回采并且又不斷地通風的情況下采空區遺留煤炭未發生陰燃，上隅角也未出現CO氣體，那么通過類比可知相同條件下90303工作面采空區遺留煤炭不可能發生陰燃。

②按采煤工作面采空區內浮煤自燃危險性的不同，可將采空區劃分為散熱帶、自燃帶和窒熄帶[4]。在采煤工作面推進過程中，采空區自燃“三帶”范圍和寬度隨采煤工作面漏風量、氧濃度、浮煤厚度和采空區溫度等因素動態變化[5]。

重慶煤科院為后安煤礦9#煤層采空區自燃三帶的進行了具體劃分，后安煤礦9#煤層的散熱帶為緊靠工作面0~26m，自燃帶為26~105m，窒息帶為支架后方采空區105m以里的空間。90303綜放工作面以每天3.8m的速度向前不間斷地推進來計算[即105÷3.8=27.6（d），取整為28d]，則工作面連續推進28d即可將采空區遺留煤炭甩進采空區的窒息帶。9#煤層的自燃發火期為83d，所以采空區遺留煤炭在遠遠小于自燃發火期（83d）的時間內就進入了采空區的窒息帶（即進入窒息帶時間為28d），根本來不及自燃就已經被甩入窒息帶，所以可以排除本煤層采空區自燃的情況。

③如表1所示，為90303工作面上隅角2020年8月1~14日CO氣體濃度觀測情況一覽表。

表1 90303工作面上隅角氣體情況一覽表

圖1 為90303工作面上隅角2020年8月1~14日CO、CO2、O2濃度變化趨勢圖，由圖1可知CO濃度最高點在28ppm，最低點為12ppm，平均值在16ppm左右，但是總體趨勢未出現快速上升趨勢，這與采空區遺留煤炭發生自燃的規律不相符合，一般情況下如果采空區煤炭出現自燃現象，工作面的上隅角及回風順槽的CO濃度會在短時間內呈現快速增長之勢，最后出現煙霧和明火，但是在將近半個月的觀察期內并未發現CO濃度快速增長，因此也可以排除采空區煤炭自燃的可能性。

圖1 90303工作面上隅角CO濃度變化趨勢圖

（2）針對在90303綜采工作面回采過程中相鄰90302采空區、902采區的采空區涌入CO氣體的原因分析。

①表2是后安煤礦2020年8月1~14日利用束管檢測系統對90201膠運順槽密閉內的CO氣體濃度進行觀測情況的一覽表。902采區其他采空區均為發現CO氣體，因此在此不予考慮。

表2 90201膠運順槽密閉內氣體情況一覽表

圖2 為90201膠運順槽2020年8月1~14日CO濃度變化趨勢圖，由圖2可知CO濃度最高點在18ppm，最低點為0ppm，平均值在5ppm左右，由此可見90201膠運順槽的CO濃度遠遠低于90303工作面上隅角的CO濃度，一般來說氣體運動規律是從高濃度區域向低濃度區域流動，比較圖1和圖2可以發現90201膠運順槽密閉內的CO濃度遠遠小于90303工作面上隅角CO的濃度，因此可以推斷出90303工作面上隅角的CO不可能是從90201采空區涌入。

圖2 90201膠運順槽密閉內CO濃度變化趨勢圖

②觀測發現盡管有一定CO氣體存在，但是平均濃度在7ppm左右，因此根據氣體運動規律是從高濃度區域向低濃度區域流動的原理可以排除從90302采空區涌入90303工作面上隅角的可能性。

（3）針對從地表和上覆4#煤層8505、8507采空區、北輔采空區內CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區，又從采空區向上隅角涌出的原因分析。

①利用數學上的排除法可以分析，既然排除了前兩種情況的可能性，那么90303工作面上隅角CO增大的原因必然是從上覆的4#煤層8505、8507采空區、北輔采空區內CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區，又從采空區向上隅角涌出。

②90303綜放工作面上覆巖層有炭質泥巖、中細粒砂巖，并且距離4#煤層平均間距46m，而且4#煤層上覆巖層為中粒砂巖，屬于堅硬頂板管理類型。根據大尺度原位連續監測技術研究成果，即大空間覆巖“懸臂梁+砌體梁+高位結構”特征，從大空間采場覆巖結構出發建立力學模型如圖3所示，揭示了遠近場結構失穩的礦壓作用機理，為巖層控制提供了理論依據。

圖3 大空間遠近場覆巖結構力學特征模型圖

由圖3大空間采場覆巖結構出發建立力學模型可以分析出來，在近場“懸臂梁+砌體梁”結構破斷呈現大小周期復合礦壓，小周期在12~20m范圍內，大周期在30~60m范圍內，作用于工作面煤壁和支架上；而遠場覆巖失穩影響范圍廣，超前影響范圍100m,采空區滯后影響范圍160~200m,礦壓作用強度大，引發強礦壓。而90303綜放工作面于2020年5月30日開始回采，截止目前為止已經生產2個月，工作面推進長度251m，正好是在出現強礦壓之后的這個階段，此時在強礦壓的作用下地表至4#煤層采空區、90303采空區之間會出現大量的裂隙，使對應地表塌陷或者出現裂縫，導致90303采空區與上覆4#煤層8505、8507采空區、北輔采空區及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區內CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區，又從采空區向上隅角涌出。

3 治理對策

（1）地測科、通風區加強地面塌陷檢查巡視，安排相關人員用黃土對地面塌陷、裂縫及時進行回填，從源頭上杜絕地面塌陷區向老空區漏風。

（2）加強采面上隅角及其回風流中CO及其它有毒有害氣體檢測檢查。瓦斯員每班必須測定工作面上隅角及其回風流中的CO及其它有毒有害氣體濃度，并及時向通風調度室匯報。

（3）將擋風布簾懸掛到合適的位置，引導風流進入上隅角稀釋和沖淡上隅角有害氣體濃度。

4 結論

經過上面的系統分析可知90303上隅角CO增大的原因是由于在強礦壓的作用下地表至4#煤層采空區、90303采空區之間會出現大量的裂隙，使對應地表塌陷或者出現裂縫，導致90303采空區與上覆4#煤層8505、8507采空區、北輔采空區及地表連通，形成漏風通道，造成上覆采空區內CO氣體在通風負壓的作用下涌入到本煤層采空區，又從采空區向上隅角涌出。因此必須針對這種情況采取有針對性的措施方可解決90303上隅角CO增大的技術難題，收到有的放矢、事半功倍的效果,通過技術分析并采取了有效的治理對策后90303上隅角的CO濃度從12~16ppm降至3~5ppm，確保了工作面安全、高效地回采。