新河煤礦采空區自燃“三帶”分布及防火技術研究

高常華 王成穩

（山東新河礦業有限公司，山東 濟寧 272000）

隨著采煤深度的增加，頂板的壓力也在增加。地壓高時，煤柱容易被壓碎，煤的氧化作用加強，極易發生采空區災害事故。為解決這一難題，劃分采空區自燃“三帶”成為防治煤自燃的重點研究內容[1-2]。以新河煤礦7312 工作面為背景，通過現場測量，并利用數值模擬與之結合，對采空區自燃“三帶”進行確定，并實施了針對性的火災防治技術方案，確保了開采安全。

1 礦井概況

新河礦業位于濟寧煤田西南部，新河煤礦地勢平坦，東北方向高，西南方向略低。本區屬構造中等井田，區內褶曲發育，以向斜構造為主，規模較小。7312 工作面屬新河礦業3 煤層，全區厚度為4.15～10 m，巖層傾角在20°左右，煤的類型為氣煤。工作面為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期為40 d，走向長度為675 m，傾斜長100 m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化放頂煤回采工藝組織回采。

2 7312 工作面采空區三帶分布

2.1 測點布置

對于7312 工作面采空區“三帶”的觀測，氣體由溫度傳感器和束管進行綜合監測，進風道和回風道分別布置了三條通路，設有兩條監控管線，每個監測點將安裝一個溫度傳感器和束管裝置。測點布置如圖1。

圖1 新河煤礦7312 工作面采空區“三帶”觀測管路布置圖（m）

在“三帶”觀測的過程中摒棄手動抽氣的方法，選用便攜式的氣體采集儀采集氣樣。

2.2 觀測結果分析

當前我國對采空區“三帶”的劃分多以O2濃度作為劃分標準[3-4]，根據實測數據，分別對采空區進風側、中間位置、回風側的O2濃度進行分析。1#測點僅在推進進尺9.4 m 處測得O2濃度為20.87%，測點1#-7#的O2變化情況如圖2。

圖2 1#-7#的O2 變化情況

由圖2 可知，隨著工作面的不斷推進，采空區中部3#、5#測點的O2濃度起伏趨勢較為明顯，但整體未呈現下降趨勢，并且在整個推進過程中采空區中部O2濃度始終大于18%，因此采空區中部始終處于散熱帶范圍。這是由于3#、4#測點位于工作面采空區中部，頂板相對破碎，工作面推過后采空區未壓實，使得漏風通道較多，此處空間得到了氧氣補充。

根據以上對新河煤礦7312 煤層采空區不同區域溫度及O2實測數據分析，得出當7312 工作面面長在110 m 左右、采高為3.5 m 時，采空區自燃“三帶”分布規律見表1 和圖3。

表1 7312 工作面采空區自燃“三帶”分布規律

圖3 7312 工作面采空區自燃“三帶”分布示意圖

2.3 數值模擬分析

在對現場測定的基礎上，運用FLUENT 模擬軟件，對采空區內部流場、氣體濃度等進行計算，以期與測定結果相互驗證，準確劃分氧化“三帶”范圍。

根據新河煤礦7312 工作面的基本參數，建立了采空區模型。工作面的入口定義為速度入口，邊界條件為速度入口，回風巷道定義為自由出口，工作面和采空區間的兩個面被設置為內部交界面，整個3D 模型被設置為流體區域，采空區視為多孔介質[5]。

由圖4 可知，采空區內部氧氣的分布規律受風流運移的影響，采空區整體氧氣濃度回風側明顯小于進風側，沿工作面推進方向看，采空區中部和深部氧氣濃度在逐漸降低。由于空氣經過沿途耗氧以及動量損失回到回風側，氧氣濃度明顯降低。回風側氧氣濃度隨著向采空區深部的不斷延伸，呈現不斷衰減的趨勢。氧氣濃度“三帶”劃分標準：氧化帶8%～18%，散熱帶大于18%，窒息帶小于8%。

圖4 采空區氧氣濃度分布

對7312 煤層進行采空區三帶分布的數值模擬，分布規律如下：進風側，散熱帶0～10 m，氧化升溫帶10～31.4 m，其余為窒息帶；采空區，散熱帶0～14.1 m，氧化升溫帶14.1～39.7 m，其余為窒息帶；回風側，散熱帶0～13.9 m，氧化升溫帶13.9～38.3 m，其余為窒息帶。如圖5 和表2，經過對比，新河煤礦7312 工作面采空區三帶分布規律模擬結果和現場實測結果基本一致。

圖5 采空區自燃“三帶”分布

表2 7312 工作面采空區自燃“三帶”分布對比

3 工作面自燃火災預防及自燃火區快速處理技術

3.1 安全監測監控

為了及時準確地預測預報工作面及采空區的自然發火隱患，新河煤礦建立了完善的安全監測系統，實現了井下環境參數的監測和相關設備的閉鎖控制。

（1）安全監控系統

新河煤礦根據《煤礦安全規程》要求，安裝了KJ76X 安全監控系統。該系統具備完善的安全監測、生產監控及管理功能，能夠對全礦井下環境參數及生產進行實時數據采集和記錄，對井下與安全生產相關的設備進行監控，確保人員及設備的安全。

（2）束管監測系統

新河煤礦安裝有KSS-200 型束管監測系統，以該系統為自然發火監測的主要手段，對井下空氣中O2、CO、CO2、N2、CH4等氣體含量定時巡回監測。

監測點布置：在采煤工作面風流布置一個測點，距煤壁10～15 m 范圍內；采煤工作面回風隅角：布置一個測點，在工作面切頂線外側1 m 范圍內。

（3）采樣分析

測點布置：采煤工作面，采煤工作面進、回風隅角，回風流。

監測手法：用CO 測定器，檢測測點的CO 濃度；用紅外線測溫儀測定密閉墻表面溫度。由檢查員負責監測，一周一次采樣分析；采煤工作面、采煤工作面回風隅角等由檢查員每天進行采樣分析；以上氣樣利用氣相色譜儀分析，判斷自然發火危險性。

3.2 工作面自燃火災預控技術

（1）注氮防滅火

氮氣作為惰性氣體，既可用作預防性注氮，也用作滅火性注氮。目前國內煤礦采用的氮氣防滅火系統有地面固定式、地面移動式、井下固定式和井下移動式四種制氮裝置防滅火系統。

井下固定式和井下移動式與地面固定式和地面移動式相比具有機動性強、出氮快及生產成本低等優點。而井下移動式與井下固定式相比具有輸氮管路短、機動靈活和使用方便等特點，因此設計采用井下移動式制氮裝置系統。

（2）灌漿防滅火

工作面正常回采期間進行預防性灌漿，新河礦業在工業廣場安裝一套地面固定式膠體防滅火系統，該系統主要由儲存罐、螺桿輸送機、膠體制備機、輸漿管網等部分構成。

（3）注凝膠防滅火

凝膠滅火技術集堵塞、冷卻和耐化學性能于一體，對解決灌漿和注水泄漏問題具有積極作用。工藝流程及相關設備適應井下有限空間等實際條件，為滅火的基本技術之一。

3.3 采空區自燃火區快速處理技術

當綜采工作面推進速度較慢時，一旦采空區出現火災，按照《煤礦安全規程》中的有關規定，迅速做好滅火工作。

（1）近距離采空區自燃滅火方案

若火區靠近生產區，應將火區撲滅或直接隔離，防止火區通過煤屑或煤柱向礦井蔓延。① 根據監測數據，判定火區的位置及范圍；② 用水控制火勢；③ 布置注膠鉆孔注凝膠。

（2）遠距離采空區自燃滅火方案

① 加快工作面推進速度；② 采用沙袋充填上順槽采空區巷道，建立隔離墻；③ 采用均壓通風技術，減小向采空區漏風[6]。

4 結論

（1）對新河煤礦7312 工作面采空區進行氣體監測，得到采空區內氧氣濃度的變化規律，進行了自燃“三帶”分布：散熱帶（0～12.7 m），氧化升溫帶（12.7～39.7 m），其余為窒息帶。

（2）對7312 工作面采空區進行FLUENT 數值模擬，得出7312 工作面采空區氧化帶為10～37.5 m，與觀測結果基本一致。

（3）利用安全監控、束管監控和人工檢測相結合的方式，監控工作面煤自燃的情況；注氮、注漿、注膠防滅火技術相結合，形成7312 工作面自燃火災預控及快速處理體系。