葉文韜，汪開(kāi)元，藺增元

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

立體化巷道布置對(duì)綜放厚煤層自然發(fā)火的影響

葉文韜，汪開(kāi)元，藺增元

(中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400039)

針對(duì)傳統(tǒng)綜放厚煤層開(kāi)采過(guò)程中遺煤較多、煤層易發(fā)火的問(wèn)題，從巷道布置上分析了煤層自然發(fā)火的根本原因，提出了沿煤層頂板和底板分別布置區(qū)段回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷的立體化巷道布置方案。然后根據(jù)影響煤炭自燃危險(xiǎn)性的因素建立層次結(jié)構(gòu)模型及各層次判斷矩陣，應(yīng)用定性與定量相結(jié)合的層次分析法對(duì)煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)性進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明，新型立體巷道布置體系使煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)性降低一個(gè)等級(jí)。實(shí)際生產(chǎn)驗(yàn)證，采用立體化巷道布置以來(lái)工作面及采空區(qū)均未發(fā)生自然發(fā)火，證實(shí)了研究的客觀性。

自然發(fā)火；錯(cuò)層位；巷道布置；層次分析法；危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

厚煤層綜放開(kāi)采技術(shù)以其產(chǎn)量大、效率高、耗能少、對(duì)地質(zhì)條件的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)為煤礦厚煤層的開(kāi)采帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。但保證礦井高產(chǎn)、高效生產(chǎn)的同時(shí)，造成的冒落高度大、采空區(qū)遺留殘煤多、漏風(fēng)嚴(yán)重等問(wèn)題，使得煤自然發(fā)火幾率增高，礦井自燃火災(zāi)事故增多，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)[1-3]。厚煤層開(kāi)采中自然發(fā)火問(wèn)題是由傳統(tǒng)放頂煤自身巷道布置及工藝特點(diǎn)造成的[4]。因此，只有通過(guò)改進(jìn)傳統(tǒng)綜放開(kāi)采工藝，才能從根源上解決厚煤層綜放開(kāi)采自然發(fā)火問(wèn)題，更好地預(yù)防和控制礦井自燃火災(zāi)。

1 傳統(tǒng)綜放工作面巷道布置分析

傳統(tǒng)綜采放頂煤一般沿煤層底板布置的區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷1和區(qū)段回風(fēng)巷2構(gòu)成一個(gè)放頂煤工作面[3]。工作面端頭頂煤、巷道頂煤以及區(qū)段煤柱共同形成T型煤柱5。在瓦斯含量較高的礦井，為了解決頂煤析出瓦斯的排放問(wèn)題，在頂煤中布置了隨采隨廢的專(zhuān)用排瓦斯巷6。放頂煤開(kāi)采的巷道布置見(jiàn)圖1。

根據(jù)煤炭自燃的條件，影響煤炭自燃的因素很多，影響過(guò)程也極其復(fù)雜，但歸根到底煤炭自燃火災(zāi)的發(fā)生須具備以下幾個(gè)條件[5]。其相互的關(guān)系如圖2所示。

從上圖可以看出，影響煤層自燃的受人為影響的有遺留浮煤、連續(xù)供氧和熱量積聚，而連續(xù)供氧和熱量積聚是以大量遺留浮煤為前提的，因此引發(fā)煤炭自燃的根源就是大量松散浮煤。在傳統(tǒng)的綜合機(jī)械化放頂煤工作面的生產(chǎn)過(guò)程當(dāng)中，工作面兩端不放煤、回采工藝造成的丟煤以及采空區(qū)側(cè)煤柱的壓裂破壞形成大量的松散浮煤，加之傳統(tǒng)放頂煤通常留設(shè)5～8m不等的窄煤柱[6-7]，窄煤柱在雙側(cè)采動(dòng)的影響下，彈性核不復(fù)存在，內(nèi)部?jī)蓚?cè)塑性區(qū)貫通導(dǎo)致漏風(fēng)嚴(yán)重，使得工作面的端頭、兩巷、以及相鄰采空區(qū)等位置成為煤炭自然火災(zāi)頻發(fā)的地帶，其具體情況見(jiàn)圖3。

圖1 放頂煤開(kāi)采巷道布置示意圖

圖2 煤炭自燃條件及相互關(guān)系

圖3 綜放工作面易自然發(fā)火位置

2 立體化巷道布置的特點(diǎn)分析

立體化巷道布置又稱(chēng)錯(cuò)層位巷道布置，該采煤法依據(jù)理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐，用新的立體化巷道布置的理念分別沿煤層頂板和底板布置區(qū)段回風(fēng)巷和進(jìn)風(fēng)巷，下區(qū)段進(jìn)風(fēng)巷則在上一工作面垮落穩(wěn)定的采空區(qū)下掘進(jìn)[8]。具體布置情況如圖4所示。

圖4 錯(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)

錯(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)與傳統(tǒng)的放頂煤巷道布置系統(tǒng)相比，回采工作面的區(qū)段之間以三維空間的立體形式相互交錯(cuò)搭接，與傳統(tǒng)的放頂煤回采巷道布置系統(tǒng)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：①?gòu)氐捉鉀Q了回采工作面的端頭煤損和區(qū)段平巷頂部煤損的問(wèn)題，取消了區(qū)段煤柱，大幅度提高煤炭回采率，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的厚煤層完全無(wú)煤柱開(kāi)采；②在傳統(tǒng)的放頂煤開(kāi)采過(guò)程當(dāng)中，其初采和末采均有一定的煤體損失。然而，在錯(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)當(dāng)中，回采工作面的區(qū)段之間以三維空間的立體形式相互交錯(cuò)搭接，回采工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，使初、末采的回采率得到了很大程度的提高；③在上一工作面垮落穩(wěn)定的采空區(qū)下方，布置接續(xù)工作面的區(qū)段進(jìn)風(fēng)平巷，然后再沿煤層頂板布置區(qū)段回風(fēng)平巷，避免了高冒區(qū)的形成，進(jìn)一步阻止了巷道高冒發(fā)火的發(fā)生；④錯(cuò)層位布置所留的實(shí)體三角煤上方為采空區(qū)，受采動(dòng)影響小，同時(shí)與傳統(tǒng)放頂煤相比實(shí)體三角煤上方采空區(qū)空間小更容易重新壓實(shí)，有利于避免巷道漏風(fēng)。

錯(cuò)層位巷道布置系統(tǒng)的應(yīng)用，工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，消除了巷道及采空區(qū)邊緣浮煤，避免了浮煤積聚形成的熱力風(fēng)壓，加上實(shí)體三角煤的阻風(fēng)作用能夠有效防止巷道漏風(fēng)，從而從根本上解決了礦井煤炭自然發(fā)火的隱患。

3 工程應(yīng)用自然發(fā)火的危險(xiǎn)評(píng)價(jià)

本文以山西鎮(zhèn)城底礦為研究背景，結(jié)合層次分析法[9-12]，對(duì)不同巷道布置系統(tǒng)下的綜放工作面采空區(qū)煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行綜合評(píng)估，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用效果進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 礦井概況

該礦所采的8#煤層位于太原組西山煤田西北邊緣，地質(zhì)構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，煤層整體呈一單斜構(gòu)造，賦存穩(wěn)定，傾角5～9°，平均煤厚5.47m。瓦斯的相對(duì)涌出量為0.41m3/t；煤塵有具有爆炸性?xún)A向，爆炸指數(shù)為22.31%；煤層易于自然發(fā)火。

3.2 層次分析模型的建立

根據(jù)影響煤炭自燃危險(xiǎn)性的因素，確定層次結(jié)構(gòu)，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，具體層次結(jié)構(gòu)模型見(jiàn)表1。

按照表1所示的層次結(jié)構(gòu)模型，通過(guò)兩兩比較下一層次各因素對(duì)上一層次某元素的相對(duì)重要性，并采用1～9 階標(biāo)度法賦值(表2)，建立上下層次之間的隸屬關(guān)系構(gòu)造判斷矩陣(表3)，并用“和積法”計(jì)算相應(yīng)的權(quán)重，并做一致性檢驗(yàn)。

表1 綜放工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性作層次結(jié)構(gòu)模型

表2 判斷矩陣標(biāo)度與含義

表3 判斷矩陣A-B數(shù)值表

1)按照式(1)，將每一列經(jīng)正規(guī)化后的判斷矩陣按行相加。

(1)

2) 按照式(2)對(duì)向量歸一化，得出所求特征向量。

(2)

得到所求特征向量：W=[50.1 0.46 0.28 0.16]T。

3)根據(jù)式(3)計(jì)算判斷矩陣最大特征根λmax。

=4.0322

(3)

式中：λmax為判斷矩陣最大特征根；(AW)i為向量AW的第i個(gè)分量。

4)進(jìn)行一致性檢驗(yàn)(式(4))。

(4)

式中：CI為一致性指標(biāo)(ConsistencyIndex)，當(dāng)判斷矩陣具有完全一致性時(shí)，CI=0。見(jiàn)式(5)。

(5)

式中：CR為一致性比例(ConsistencyRatio)，當(dāng)CR<0.10 時(shí)，可認(rèn)為判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性，否則就需要對(duì)判斷矩陣進(jìn)行調(diào)整；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)(RandomIndex)，經(jīng)上述計(jì)算可得：第1層次與第2層次之間的隸屬關(guān)系判斷矩陣具有滿(mǎn)意的一致性。根據(jù)公式1～5建立個(gè)分層的隸屬關(guān)系并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。各子因素對(duì)指標(biāo)層的權(quán)重見(jiàn)表4。

表4 各個(gè)單獨(dú)因素對(duì)指標(biāo)層B的權(quán)重

3.3 煤炭自燃危險(xiǎn)性等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)煤礦現(xiàn)場(chǎng)的研究，通過(guò)模糊聚類(lèi)分析，可將我國(guó)煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)性分為四級(jí)[13]，具體分級(jí)見(jiàn)表5。

17個(gè)單獨(dú)因素對(duì)準(zhǔn)則層B的權(quán)重計(jì)算結(jié)果如表6所示，因此，可計(jì)算出傳統(tǒng)放頂煤開(kāi)采的綜合評(píng)估計(jì)算值為：A=0.056×0.8+0.032×0.5+…+0.068×0.2=0.57。

表5 煤炭自燃危險(xiǎn)性等級(jí)劃分

表6 各個(gè)單獨(dú)因素對(duì)目標(biāo)層A的權(quán)重

對(duì)照表6和表7可以看出，該礦若采用傳統(tǒng)巷道布置的綜放技術(shù)開(kāi)采，其自然發(fā)火危險(xiǎn)性屬于I類(lèi)—很危險(xiǎn)型。

根據(jù)立體化巷道布置及其回采工藝特點(diǎn)，評(píng)價(jià)中部分單獨(dú)因素對(duì)于目標(biāo)層的隸屬度發(fā)生了變化：端頭煤損為傳統(tǒng)放頂煤損失的25.6%，初、末采損失為原來(lái)的88.3%；實(shí)體三角煤的煤損為相應(yīng)“T”形煤柱煤損的23.6%；巷道位置的改變及其浮煤的減少降低了熱力風(fēng)壓差及漏風(fēng)可能性，阻止了部分區(qū)域區(qū)域圍巖溫度的升高；另外，由于回采巷道內(nèi)沒(méi)有高冒區(qū)的存在，所以回采巷道頂板及采空區(qū)的處理方式影響因素也相應(yīng)降低。其它因素變化不大，可忽略不計(jì)。綜上所述，對(duì)變化各因素對(duì)目標(biāo)層隸屬度重新打分，r4=0.71，r6=0.205，r7=0.05，r10=0.4，r11=0.35，r13=0.4。則：A′=0.056×0.8+…+0.07×0.71+…+0.068×0.2=0.41。

由計(jì)算結(jié)果可知，8#煤層采用錯(cuò)層位巷道布置采煤法開(kāi)采，其自然發(fā)火的危險(xiǎn)性屬I(mǎi)I類(lèi)—危險(xiǎn)型，煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)性明顯降低。實(shí)際生產(chǎn)表明，該煤礦采用立體化巷道布置以來(lái)工作面及采空區(qū)均未發(fā)生自然發(fā)火，證實(shí)了該研究的客觀性。

4 結(jié) 論

1)根據(jù)煤炭自燃火災(zāi)發(fā)生的條件，對(duì)傳統(tǒng)放頂煤采煤工藝進(jìn)行分析，得出綜放工作面的生產(chǎn)過(guò)程中兩端不放煤、回采工藝造成的丟煤以及采空區(qū)側(cè)煤柱的壓裂破壞形成大量的松散浮煤是引發(fā)煤炭自燃的根源。

2)提出了錯(cuò)層位巷道布置方案，工作面的端頭頂煤和巷道頂煤均被采出，消除了巷道及采空區(qū)邊緣浮煤，加上實(shí)體三角煤的阻風(fēng)作用能夠有效防止巷道漏風(fēng)，從根源上解決了礦井煤炭自然發(fā)火的隱患。

表7 各個(gè)單獨(dú)因素對(duì)目標(biāo)層A的隸屬度

3)利用多目標(biāo)層次分析對(duì)礦井自然發(fā)火危險(xiǎn)性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果證明采用錯(cuò)層位巷道布置采全厚采煤法，煤層自然發(fā)火的危險(xiǎn)性由I類(lèi)—很危險(xiǎn)轉(zhuǎn)化為II類(lèi)—危險(xiǎn)型，危險(xiǎn)性較傳統(tǒng)綜放開(kāi)采系統(tǒng)有明顯的降低。

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The analysis of three-dimensional roadway’s influence on spontaneous combustion in caving mining thick coal seam

YE Wen-tao，WANG Kai-yuan，LIN Zeng-yuan

(China Coal Techology and Engineering Group Chongqing Research institute，Chongqing 400039，China)

In allusion to the spontaneous combustion problem of coal seams in the process of full mechanized top-coal caving mining，analyzing the reason of coal spontaneous combustion，we have presented three-dimensional roadway layout scheme which along the seam roof and floor layouts section return airway and air intake.Then according to the influencing factors of coal spontaneous combustion hazard，the hierarchy structure model was established including each level judgment matrix，and used the combination of qualitative and quantitative AHP(Analytic Hierarchy Process) analysis.The results showed that using the new roadway layout system the danger of the coal seam spontaneous combustion has a lower level.Actual production verification，using three-dimensional roadway layout scheme，Spontaneous combustion has not occurred In working face and goaf.This verification confirmed the objectivity of research.

spontaneous combustion；disordered layer location；roadway layout；analytic hierarchy process；fatalness assessment

2014-12-27

2014年工信部物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展專(zhuān)項(xiàng)資金項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)的煤礦安全生產(chǎn)協(xié)同管控系統(tǒng)研制及應(yīng)用”資助(編號(hào)：2014083105)

葉文韜(1986-)，湖北宜昌人，技術(shù)員，主要從事煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)及煤礦安全生產(chǎn)研究。E-mail：yewentao43@126.com。

TD822+.2;TD75+2

A

1004-4051(2015)07-0083-04