工作面前期支護對后期防滅火風(fēng)險分析研究

秦 鵬 劉虹妹

（1.山東省天安礦業(yè)集團有限公司，曲阜 273100；2.山東省工業(yè)和信息化研究院，濟南250022）

隨著煤炭淺部資源的減少，深部資源的開采成為必然。煤礦進入深部開采后，隨著地質(zhì)環(huán)境的惡化和煤巖體力學(xué)響應(yīng)的非線性化，突發(fā)性重大災(zāi)害發(fā)生概率顯著上升，其中以沖擊地壓為代表的煤巖動力災(zāi)害機理最復(fù)雜、防治難度最大，其次為礦井內(nèi)因火災(zāi)事故。星村煤礦目前主采3 煤層，其深埋、堅硬厚層頂?shù)装澹嘈悦簩樱_采區(qū)域內(nèi)存在褶曲、斷層等構(gòu)造的復(fù)雜地質(zhì)條件。礦井所采三煤自然發(fā)火期短，回采工作面在回采過程中極易發(fā)生自然發(fā)火事故。因此，如何有效采取創(chuàng)新技術(shù)綜合治理自然發(fā)火成為關(guān)鍵。本項目從支護的根本上對后期防滅火控制進行創(chuàng)新研究，從而達到保證礦井安全的目的。

以往支護與防滅火之間未能達到統(tǒng)一的平衡點，支護僅僅用來控制礦壓和確保頂板的安全，對防滅火風(fēng)險控制不足，造成后期防滅火工作處理難度大、成本高[1]。本項目重點研究前期支護對防滅火的影響，同時進行了系統(tǒng)分析和科學(xué)實驗驗證，通過支護階段采取相應(yīng)措施減輕后期防滅火壓力。

1 工作面支護與防滅火之間的分析研究

綜放工作面在回采前如何精確劃分巷道和采空區(qū)浮煤自燃危險區(qū)域至關(guān)重要[2]。根據(jù)綜放工作面回采期間采空區(qū)遺煤自燃的特點，采用實驗測定相關(guān)重要參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，劃分現(xiàn)場不同條件下能夠引起煤體自燃的極限參數(shù)，然后確定實際條件下的綜放面采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律、自燃危險區(qū)域和合理推進速度，為工作面煤層自然發(fā)火的防治提供技術(shù)支持，形成采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報模型，對工作面采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)進行數(shù)值模擬與計算。

工作面回采巷道煤層自燃與松散煤體厚度、對流散熱強度、煤體當量粒徑以及氧的滲透量息息相關(guān)。若從單一參數(shù)考慮，體自燃引起都有一個極限條件，超出該極限條件的煤體不可能引起自燃。

根據(jù)能量守恒定律，當采空區(qū)浮煤自燃氧化放熱量不小于頂?shù)装迳崃亢惋L(fēng)流帶走熱量之和的情況才會引起煤自燃升溫，即采空區(qū)浮煤氧化放熱量能引起升溫必須滿足：

式中：ρg為工作面風(fēng)流密度，g·cm-3；cg為工作面熱容，J·g-1·℃-1；q0(T)為實驗測定煤的放熱強度，J·cm-3·s-1；λe代表浮煤導(dǎo)熱系數(shù)，J·s-1·cm-1；代表采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速度，cm·s-1。

根據(jù)式（1）可知，采空區(qū)遺煤自燃需要足夠的浮煤厚度，積聚浮煤氧化產(chǎn)生的熱量，提供足夠氧氣濃度使得浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱升溫所需熱能，低量的漏風(fēng)強度不會使風(fēng)流將煤體自燃產(chǎn)生的熱量帶走。

采空區(qū)煤體自燃極限參數(shù)主要包含采空區(qū)最小浮煤厚度、采空區(qū)極限漏風(fēng)強度和采空區(qū)極限氧濃度。本項目主要研究支護對防滅火的影響，包括采空區(qū)最小浮煤厚度的確定和支護的控制影響形變曲線。

2 采空區(qū)三帶劃分

采空區(qū)遺煤自燃根據(jù)《煤礦防滅火細則》可劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶[3]。三帶在工作面生產(chǎn)過程中呈動態(tài)變化，其中工作面推進速度是影響三帶劃分的重要因素。

2.1 散熱帶

散熱帶是指在某一特定溫度下，足夠的氧濃度使得煤體充分氧化放熱，產(chǎn)生的熱量一直小于或等于散發(fā)熱量的集合。散熱帶緊靠工作面，一般不會發(fā)生 自燃。

判定條件如下：

式中：Q 為氧化放熱強度；h 為浮煤厚度。

2.2 氧化帶

氧化帶是指在某一特定溫度下產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)熱量的集合。氧化帶遺煤氧化蓄熱容易引起自燃。

氧化帶判定條件如下：

式中：Q 為氧化放熱強度；h 為浮煤厚度；C 為氧氣濃度。

2.3 窒息帶

窒熄帶是指在某一特定溫度下，存在足夠的浮煤厚度和蓄熱條件，但氧濃度低導(dǎo)致產(chǎn)生的熱量小于或等于散發(fā)熱量的集合。

窒熄帶判定條件如下：

式中：C 為氧氣濃度。

工作面采空區(qū)三帶靜態(tài)劃分范圍見圖1。

3 實驗過程及分析

3.1 觀測點布置

根據(jù)現(xiàn)場實際情況設(shè)置了14 個測點，軌道順槽和運輸順槽分別布置測點8 個測點和6 個測點，軌道順槽測點編號為1#、3#、5#、7#、9#、11#、13#、15#，運輸順槽測點編號為2#、4#、6#、8#、10#、12#。其中，軌道順槽的1#、3#、5#、7#、11#、15#和運輸順槽2#、4#、8#為施工的頂板觀測鉆孔，其余點鉆孔為巷道兩幫鉆孔。各測點鉆孔具體位置關(guān)系如 圖2 所示。

3.2 采空區(qū)浮煤厚度內(nèi)部分布狀況

根據(jù)礦井綜放工作面實際觀測情況，理論上進行計算和推論。

工作面進風(fēng)順槽端頭架處浮煤厚度為（7.15-2.3）÷ （1-20%）≈6.0 m，浮煤寬度約為3 m。回風(fēng)順槽端頭支架處浮煤厚度為（7.15-2.3）÷（1-20%）≈6.0 m，浮煤寬度約為4.5 m。進風(fēng)順槽浮煤厚度為（7.15-3.6）÷（1-20%）≈4.4 m；回風(fēng)順槽浮煤厚度為（7.15-4.1）÷（1-20%）≈3.8 m；兩順槽的浮煤寬度約為3 m；工作面中部回采率85%范圍內(nèi)的浮煤厚度為7.15×（1-85%）÷（1-20%）≈1.4 m。

浮煤寬度大約130 m，工作面為“雙傾角”特殊情況，工作面老頂在跨落時向下速度較快導(dǎo)致落地后產(chǎn)生位移，使得理論計算浮煤厚度發(fā)生偏移。根據(jù)現(xiàn)場觀測和理論計算，可推斷出發(fā)生位移改變后的浮煤分布的具體情況[4]。

進風(fēng)順槽浮煤厚度及寬度分布依次為：進風(fēng)順槽浮煤按4 m 厚度、3 m 寬度計算；進風(fēng)順槽端頭支架浮煤按4 m 厚度、15 m 寬度計算；工作面回采率采用85%范圍內(nèi)的浮煤按1.5 m 厚度、120 m 寬度計算；回風(fēng)順槽端頭支架處浮煤按4 m 厚度、5 m 寬度計算；回風(fēng)順槽浮煤按2.5 m 厚度、2 m 寬度統(tǒng)計（注：回風(fēng)順槽由于外幫及隔離墻的支撐，本身錨網(wǎng)支護強度高，故順槽的頂煤幾乎不冒落）。根據(jù)上述計算可繪制綜放工作面面采空區(qū)內(nèi)部浮煤厚度等值線及浮煤厚度分布圖，如圖3 所示。

3.3 實驗驗證

3.3.1 順槽煤體氧氣濃度變化分析

根據(jù)測點取樣分析，工作面軌順測點氧氣濃度隨時間變化曲線如圖4 所示。

3.3.2 順槽煤體漏風(fēng)強度變化分析

根據(jù)礦井煤樣自燃性實驗測試結(jié)論[5]，采取不同的測點取其實測溫度的平均值，利用順槽測點實測的氧濃度，推算軌道順槽的漏風(fēng)強度，結(jié)果如圖5 所示。

4 結(jié)果分析

根根據(jù)試驗結(jié)果確定不同的支護參數(shù)，選擇合理的支護方式。通過采空區(qū)浮煤厚度結(jié)合防滅火管理，考慮本井田煤層賦存深度大、斷層構(gòu)造發(fā)育等特點，工作面選ZF6200/17/30 型支撐掩護式液壓支架，支護強度為0.85 ～0.87 MPa，端頭選用ZFG6500/19/32型 過 渡 支 架， 支 護 強 度 為0.85 ～0.87 MPa。 工作面支護強度大于0.533 MPa，滿足要求。工作面選用9ZF6200/17/30 型中間支架，排頭支架選用5ZFG6500/19/32 型過渡支架，溜頭端頭選用ZT18700/18/35 型端頭支架。綜采工作面液壓支架型號為ZF6200/17/30，額定支護強度為830 kPa。工作面支架工作阻力在線監(jiān)測周期來壓時支護強度平均最大值為532.96 kPa，與經(jīng)驗公式計算數(shù)相比稍大，但其值只占支架額定支護強度的64.21%（計算過程為532.96÷830），故所選架型（支撐掩護式）能夠滿足頂板管理和安全生產(chǎn)需要。

據(jù)以上試驗選取相應(yīng)的支護支架既滿足了支護需求，又減少了后期回采時工作面的防火壓力與工作面。工作面回采期間回風(fēng)流一氧化碳濃度不超過10 mg·m-3， 工作面巷道變形量不大于5%。

5 結(jié)語

項目首次針對工作面前期支護對防滅火的影響進行研究，將采空區(qū)浮煤自燃極限參數(shù)引入防滅火治理：完善支護對防滅火時間形變曲線，在保證礦壓和頂板支護安全的前提下追加防滅火控制要素；根據(jù)影響自然發(fā)火的因素確定前期支護參數(shù)，有效減輕了后期回采時工作面防滅火壓力。本文從系統(tǒng)工程角度出發(fā)，對前期支護水平及生產(chǎn)動態(tài)過程進行研究，分析其對防滅火的影響，根據(jù)研究制定相應(yīng)的對策及實施驗證，有效解決了前期支護與后期交叉影響帶來的困難。