價值工程在采空區注漿防滅火技術中的應用探索

車德高CHE De-gao；朱長海ZHU Chang-hai；辛世龍XIN Shi-long

（①黑龍江省應急管理廳，哈爾濱150000；②七臺河嵐峰礦業有限公司，七臺河154500；③黑龍江科技大學，哈爾濱150022）

0 引言

在煤炭開采過程中，采空區自燃帶來的風險長期以來一直是工程安全的重大挑戰。煤層的自然發火不僅導致了資源的巨大損失，還會引起一系列的安全問題，包括毒氣釋放和地下火災，嚴重時甚至會威脅礦工生命安全和礦井設施安全。據統計，我國自然發火礦井占全國重點煤礦的50%以上，由于煤炭自燃引起的礦井火災占總數的90%以上。尤其是厚煤層，采空區煤層自燃發生率高達80%以上[1]。煤層自燃現象與采空區遺煤有很大關系，在采高較大的區域移速慢，漏風量大，導致遺煤自燃概率增大[2]，這嚴重制約著煤礦的安全高效生產，與價值工程核心目標相背離。

國內外許多學者對采空區遺煤自燃“三帶”分布做出成果，從理論建立、模型的改進及演變規律等方面分別給出有效的措施建議。宋萬新[3]等通過現場實測與模擬相結合，提出了基于氧氣氣體體積分數的高瓦斯采空區自燃“三帶”的劃分方法；王俊峰[4]等利用CFD 模擬預測了采空區遺煤自燃多發的區域，得出采空區氧化帶呈“O”型分布的特征；楊勝強[5]等通過現場實測和Fluent 模擬分析采空區自燃氧化反應、熱源反應過程及自燃“三帶”的分布，為采空區防滅火給出了最佳的通風量；郭重托[6]等提出了一種研究工作面長度與氧化帶寬度相關性的方法，得出工作面長度與采空區自燃氧化帶呈正相關，鑒于以上，本文深度挖掘價值工程的七個邏輯步驟，系統地研究了煤礦采空區自燃問題的防治措施。選定寧夏金鳳煤礦大采高工作面采空區自燃問題作為改進對象，通過收集和分析煤礦作業環境、工作面特點及煤層自燃機理等情報資料，進行了詳細的功能分析，確定了煤炭自燃風險的核心影響因素。提出了采空區注漿技術作為改進方案，并通過應用氣體流動方程、溫度氧化方程和滲透演變方程對改進方案的有效性進行了深入分析和評價。

1 改進研究對象概況

本次價值工程的改進研究對象選擇寧夏金鳳煤礦011811 工作面，該工作面走向長度為1300m，傾斜長度200m，煤層傾角平均15°，煤層厚度平均為9.4m，回采率為93%。采用長臂后退式放頂采煤法，并且采空區全部垮落。巷道斷面為矩形，凈高寬為4.5m×5.2m。設計通風量為1500m3/min。煤層自燃傾向性等級屬于I 類容易自燃，最短自然發火期為41 天，礦井擁有注漿防滅火系統。

2 情報收集與功能分析

根據價值工程的七個邏輯要素對寧夏金鳳煤礦011811 工作面開展情報收集與工能分析工作，該工作面初采初放、收尾期間，沿工作面風巷向采空區埋入三根φ108mm 鋼管，埋深分別為30m、60m、90m。正常回采期間，沿工作面風巷向采空區埋入2 根φ108mm 鋼管，管口間距為30m，交替向前埋設。一根埋管深度達到30m 時開始灌漿，深度達到60m 時停止該埋管灌漿，采用另一根埋管灌漿，如此循環，直至工作面灌漿結束。工作面初采初放及回采期間，采用埋管開放式灌漿。工作面回收結束封閉后，根據采空區自然發火標志性氣體情況，采用密閉插管封閉式灌漿。注漿管路示意圖如圖1 所示。

圖1 注漿管路示意圖

功能分析是價值工程的核心環節，針對寧夏金鳳煤礦011811 工作面進行功能分析，找出如下防滅火效果和成本的關鍵因素：

①注漿防滅火系統：該系統對于金鳳煤礦011811 工作面煤炭自燃取得了一定效果，但其效果受到注漿管布局、灌漿量、注漿材料等多種因素的影響，不合理的布局和灌漿量不足都可能導致防滅火效果不佳。

②礦井通風與自然發火期：設計的通風量對于控制礦井內的氧氣濃度至關重要，可以延長煤層的自然發火期。然而，如果通風管理不當，可能會增加自燃的風險，降低防滅火效果。

③煤層自燃傾向性與開采深度：煤層的自燃傾向性直接影響防滅火的難度。在I 類容易自燃的情況下，隨著開采深度的增加，地溫升高，自燃傾向性可能會進一步增強，這對防滅火系統提出了更高的要求。

④煤層自燃傾向性：煤層屬于I 類容易自燃，最短自然發火期為41 天，這要求高標準的防滅火措施，進而增加了防滅火的成本。注漿防滅火系統雖然有效，但在容易自燃的煤層中，維護和運行成本較高。

3 價值研究手段選擇

鑒于以上價值關鍵因素，直接現場實踐難度大，且應用效果具有不確定性，極易造成額外的治理成本，綜合考量價值工程的核心目標，采用數值模擬技術可以減少現場試驗和物理模擬的需求，降低試驗成本和時間成本。通過數值模擬，可以在設計階段就預測和評估工程效果，避免浪費和返工。此外，優化后的設計方案和施工方案還可以提高礦山的生產能力和經濟效益，為企業創造更多的價值。同時數值模擬技術可以為礦業企業的決策制定提供科學依據。通過對模擬結果的分析和解讀，企業可以了解礦山開采過程中的關鍵問題和風險點，制定針對性的策略和措施。同時，數值模擬技術還可以用于科學研究領域，推動礦業工程技術的創新和發展。故本次研究選擇數值模擬的手段開展價值研究，數值模型結合氣體流動、采空區滲透率演變、溫度對遺煤氧化速率的影響和遺煤氧化反應，分別建立不同物理場的控制方程。不同物理場之間相互耦合，最終得到不同時間下的采空區氣體情況。

3.1 幾何模型建立

根據011811 工作面實際情況建立采空區幾何模型如圖2 所示，由工作面、采空區和垮落帶三部分組成，如圖2所示。采空區走向長250m，傾向長200m，工作面采高9.4m，垮落帶高度為60m。模型總高度為69.4m。進風巷和回風巷設計寬為5m，高為5m，進風風量約為1500m3/min，從而計算出風速約為1.1m/s。注漿孔在回風巷道30m 處開始澆灌，隨著工作面推移到60m 停止澆灌。

圖2 數值模型示意圖

3.2 氣體流動方程

采空區的空氣流動規律則視為多孔介質內的氣體滲流運動，通過Brinkman 方程來進行描述：

式中：μ——混合氣體的動力粘度，Pa·s；

k——氣體滲透率，m2；

ci——氣體組分i 的摩爾濃度，mol/m3。

煤與氧的氧化反應速率QO2與氧濃度和環境溫度有關，根據Arrhenius 方程可定義為：

式中：A——指前因子，s-1；

Ea——表觀活化能；

cO2——氧氣濃度，mol/m3。

3.3 采空區滲透方程

采空區多孔介質內的滲透率與孔隙度的關系可以用Blake-Kozeny 方程近似表征：

式中：ε——采空區的孔隙度；

k——采空區滲透率，m2；

Dp——采空區多孔介質平均粒徑，m。

采空區孔隙度隨著與工作面的距離增大而逐漸減小，從工作面附近的0.32 降低到距工作面110m 處的0.1。且與兩幫距離的增大而緩慢減小，在工作面附近從0.58 下降到0.32 左右。三維示意圖中可以看出孔隙度隨著標高的上升而下降，從底板附近的0.3 到垮落帶頂部的0.1 甚至更低。

3.4 注漿擴散方程

設置注漿條件的相關參數作為與無注漿模型的對比，模擬采空區注漿防治措施。在回風巷道中距工作面30m處設置注漿孔，漿液流速按照施工工藝設置為1m/s。模擬采空區注漿防治措施，漿液的擴散方程如下：

式中：DF——流體的擴散系數，m2/s；

?p——滲透率；

τF——有效擴散系數。

漿液的擴散系數取1e-9m2/s，滲透率取方程所得結果，有效擴散系數。其原理是漿液擴散范圍所覆蓋的區域將遺煤與空氣隔絕開來，使得該區域的遺煤不是發熱升溫的區域，且不參與氧化反應。

4 價值結果評價

4.1 未注漿采空區氧濃度時空演化規律

為了方便觀察注漿對采空區自燃的效果，首先對未注漿下的采空區自燃進行模擬。圖3 為標高為1m 時，不同時間內未注漿條件下采空區及垮落帶內氧濃度三維分布圖。從圖中可以看出，高氧濃度隨著時間變化逐漸向采空區深部延伸，由于進風風流的帶動作用，進風巷處的高氧氣濃度范圍比回風巷大。注漿1d 時采空區進風側在距工作面約110m 處的氧濃度達到了12%以上，到注漿4d 時采空區進風側距工作面180m 處的氧濃度達到了12%以上，高氧濃度范圍向采空區深部擴散了70m。

圖3 無注漿采空區氧濃度時空演化

4.2 注漿后采空區氧濃度時空演化規律

圖4 為注漿條件下采空區氧濃度時空演化模擬結果。可以看到，漿液擴散的范圍對氧濃度的降低有著顯著作用，對氧氣的擴散有著較大阻礙作用。對比無注漿情況下，在4d 時，回風巷附近都處于氧濃度較低的狀態，沒有出現上圖回風巷氧氣全部覆蓋的情況。可見漿液覆蓋范圍對氧濃度的升高有著顯著作用。

圖4 注漿采空區氧濃度時空演化

4.3 注漿前后采空區自燃“三帶”演化結果

采空區自燃按照氧濃度和風速將其劃分成三個區域，也稱“三帶”，分別為散熱帶、氧化帶和窒息帶，具體劃分標準見表1。

表1 采空區自燃“三帶”劃分標準

圖5 為未注漿時分別按照氧濃度劃分和風速劃分的采空區自燃“三帶”分布。從圖中可以看出，由于進風巷具有風量大的特點，采空區靠近進風側的氧氣相對回風側氧氣更為活躍，采空區靠近進風側氧氣的滲流范圍相對于采空區中部以及回風側更加明顯，氧濃度隨距工作面距離的增加而降低。

圖5 無注漿條件下氧濃度和風速自燃“三帶”分布

圖6 為注漿之后的采空區自燃“三帶”分布。可以看出按照氧濃度劃分，在注漿孔半徑為30m 范圍內形成了氧濃度幾乎為0 的區域，這使得采空區回風巷附近的氧化帶向工作面方向移動了50m 左右。再觀察按風速劃分的結果，氧化帶在注漿孔附近減少了20m 左右距離。可以見得采空區注漿對回風巷附近的遺煤自燃問題有較為明顯的減弱。

圖6 注漿條件下氧濃度和風速自燃“三帶”分布

5 結論

本文依靠價值工程七個邏輯步驟，針對采空區注漿防滅火技術開展專項研究，得到結論如下：①選定對象：針對寧夏金鳳煤礦011811 工作面采空區自燃風險管理的問題，特別是注漿處理對于降低自燃風險的效果，開展專項研究。②收集情報資料，進行功能分析得出，金鳳煤礦011811 工作面應用的注漿防滅火系統中，雖然取得了抑制煤炭自燃的效果，但系統的性能受注漿管布局、灌漿量及材料等因素影響，需細致調整以優化效能。通風管理的合理性對于控制自燃風險同樣關鍵，設計的通風量需要在安全與成本之間找到平衡。此外，由于煤層隨開采深度增加自燃傾向性加強，I 類易自燃煤層的防滅火措施要求更為嚴格，相應提高了成本。價值工程的應用有助于優化防滅火和通風策略，以實現成本效益最大化和安全標準之間的最佳平衡，并以此提出價值工程改進方案。③實施方案：運用空氣流動模型和滲透率演化方程，結合采空區氧濃度的時空演化數據，進行了數值模擬，得出注漿顯著影響了氧濃度分布和自燃“三帶”的區域大小，為工程實踐提供了理論依據和實踐經驗。④評價活動成果：注漿處理通過減少氧供應和調整通風模式，有效地降低了自燃風險，在數值模擬驗證了注漿方案的價值效果，表明了其在降低氧濃度和自燃“三帶”分布方面的有效性，注漿處理作為一種風險緩解措施，有效地降低了采空區自燃的可能性，并優化了礦井的安全環境。進一步展示了價值工程方法論在礦業安全技術中的應用潛力，為未來類似風險管理問題提供了一個系統的解決方略。