郝利生

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦)

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斜溝煤礦18112綜采孤島工作面控制風量防滅火技術(shù)研究

郝利生

(山西西山晉興能源有限責任公司斜溝煤礦)

為了防治斜溝煤礦8#煤層18112綜采孤島工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，從煤的活性自由基角度分析了煤炭自燃機理，并基于采空區(qū)自燃“三帶”劃分標準和數(shù)值模擬的方法，采用流體力學COMSOL計算軟件，研究了孤島工作面在不同進風量時采空區(qū)氧化升溫帶的變化規(guī)律，確定氧化升溫帶的范圍；通過回歸分析方法得到工作面供風量與氧化升溫帶寬度的回歸方程。研究結(jié)果表明，采空區(qū)漏風是導致18112孤島工作面采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因；氧化升溫帶寬度隨著工作面供風量的增加而變大。實施以風治火技術(shù)后，18114回風密閉墻內(nèi)CO濃度由開始超過20×10-6降至5×10-6左右，表明運用以風治火技術(shù)防治斜溝煤礦采空區(qū)遺煤自燃是可行的。

綜采孤島工作面 數(shù)值模擬 采空區(qū)漏風 以風治火 自燃機理

近年來，綜采技術(shù)在煤炭開采得到了廣泛的推廣應用，但受到采煤推進速度的加快及復雜的地質(zhì)條件限制，導致一部分煤炭遺留在采空區(qū)，這部分煤與漏入的空氣發(fā)生緩慢的氧化反應，造成煤自然發(fā)火，威脅煤礦的安全高效生產(chǎn)[1]。

為了防止遺煤自燃，國內(nèi)外眾多研究人員開展了大量的研究，如注漿防滅火技術(shù)、采空區(qū)灑水(注水)、充填堵漏防滅火技術(shù)、惰氣防滅火技術(shù)、阻化劑防滅火技術(shù)、凝膠防滅火技術(shù)、三相泡沫防滅火技術(shù)等[2-5]，取得了一定的科研成果，但均存在成本較高、操作工序較復雜、人員投入較多、前期需要準備的材料耗時較長等問題[6]，且如果采空區(qū)有漏風通道，氮氣、三相泡沫、阻化劑、凝膠、黃泥漿會沿著漏風通道流失，不能長時間起到防滅火作用。為此，本研究基于CFD理論，利用COMSOL軟件對斜溝煤礦18112綜采孤島工作面，在供風量不同的條件下，采空區(qū)自燃“三帶”寬度變化進行數(shù)值模擬，得出自燃“三帶”與供風量的變化規(guī)律，從誘發(fā)火災的根本原因出發(fā)，提出價格低廉、操作簡便的以風治火技術(shù)。現(xiàn)場實施應用表明，該技術(shù)能顯著防治18112孤島工作面采空區(qū)自燃的難題。

1 斜溝煤礦18112孤島工作面概況

斜溝煤礦地處山西省呂梁市興縣，該礦位于河東煤田北部的中南部。主采煤層為8#、13#煤，井田南北長約22 km，東西寬約4.5 km，面積88.6 km2。絕對瓦斯涌出總量24.02 m3/min，相對瓦斯涌出量0.84 m3/t，屬于瓦斯礦井。

18112綜采孤島工作面位于11采區(qū)輔運上山南側(cè)，西鄰18110工作面，東鄰18114工作面，再向東有礦界，礦界內(nèi)外高家峁煤礦物探異常區(qū)，南部為實煤區(qū)。

由于18110和18114綜采工作面都已采完，18112綜采工作面變成了綜采孤島工作面。18112綜采工作面傾斜長度294 m，走向長度3 796.5 m，采用走向長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法?，F(xiàn)開采的8#煤層平均厚度5.75 m，平均傾角8.2°，屬于自燃煤層，自然發(fā)火期為84 d，煤塵具有爆炸性。該工作面回風巷最大絕對瓦斯涌出量1.39 m3/min，屬于瓦斯工作面，采取“U”型通風方式，巷道布置如圖1所示。

圖1 18112工作面巷道布置

2 煤的活性自由基形成及其自燃氧化機理分析

受到采煤破壞的影響，原始煤體中產(chǎn)生大量裂縫和裂隙，在外力作用下煤分子斷裂，含有側(cè)鏈和官能團的大量煤體分子結(jié)構(gòu)被破壞，變?yōu)榛钚宰杂苫鶊F，煤體表面在吸附氧分子的過程中均形成大量自由基[7]。自由基形成反應方程式為

(1)

煤的自由基鏈式反應是一個復雜的、連續(xù)進行的過程，漏風強度的不同、煤的變質(zhì)程度及蓄熱條件均會引起不同的鏈式反應，具體影響自由基鏈式反應的因素在文獻[7]中已做分析，其反應過程方程式為

(2)

由式(1)和式(2)可看出，活性自由基的形成和鏈式反應都有一個共同點，即必須有足夠的氧氣，如果采空區(qū)漏風減少，則活性自由基將顯著變少，其鏈式反應的進行也將終止，煤也就終止自然氧化。

在頂板壓力等的作用下，18112綜采孤島工作面采空區(qū)遺煤產(chǎn)生大量裂隙并在其表面生成大量活性自由基團，同時在礦山壓力的作用下，保護煤柱被壓酥，18112工作面采空區(qū)和18110、18114采空區(qū)連成一片，形成了復雜的采空區(qū)漏風網(wǎng)絡，充分發(fā)育的漏風網(wǎng)絡為自由基鏈式氧化反應提供了條件，進而引起采空區(qū)遺煤自燃。因此，要防治18112綜采孤島工作面采空區(qū)自然發(fā)火，可以從以風防火、以風治火的角度著手，降低采空區(qū)漏風，使自由基的形成和鏈式反應終止。

3 采空區(qū)自燃氧化帶寬度與供風量關(guān)系的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模擬邊界條件及計算參數(shù)設(shè)置

為了研究采空區(qū)遺煤自然發(fā)火情況，利用COMSOL軟件數(shù)值模擬采空區(qū)流場。按照現(xiàn)場實際情況選定數(shù)值模擬的條件和參數(shù)，根據(jù)18112工作面現(xiàn)場風流參數(shù)測試的結(jié)果，設(shè)置數(shù)值模擬的計算區(qū)域長128 m，寬294 m，其中工作面寬8 m、采空區(qū)走向長120 m、工作面傾斜長294 m。18112孤島工作面進風巷的氧氣濃度為20.9%，風流溫度19.7 ℃?，F(xiàn)場風流參數(shù)測試結(jié)果見表1。

表1 18112綜采孤島工作面風流參數(shù)

根據(jù)多孔介質(zhì)Carman計算采空區(qū)的滲透率

(3)

(4)

式中,n為孔隙率，n=1-1/Kp；Dm為多孔介質(zhì)骨架的平均粒徑，m；K為采空區(qū)滲透率，取值為以下3種情況：壓實穩(wěn)定區(qū)巖體K=1.47×10-6m2，受載荷影響區(qū)的巖體K=3.54×10-6m2，自然堆積狀態(tài)下的巖體K=5.389×10-6m2；R為反應率；b為實驗常數(shù)。

數(shù)值模擬計算參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 數(shù)值模擬計算參數(shù)的設(shè)置

采空區(qū)的滲透率為指數(shù)遞減的變化趨勢。18112綜采孤島工作面滲透率K擬合曲線：

(5)

3.2 模擬方案

將進風巷的風量設(shè)置為1 800，2 200，2 600和3 000 m3/min，模擬18112孤島工作面采空區(qū)自燃“三帶”與供風量之間的變化規(guī)律。

3.3 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

升溫速率劃分法、漏風風速劃分法和氧濃度劃分法[8-10]是國內(nèi)采空區(qū)自燃“三帶”劃分最常用的方法。采空區(qū)內(nèi)升溫速率k>1 ℃/d、漏風風速在0.001 6～0.004 m/s和氧濃度在8%～18%的區(qū)域即為采空區(qū)氧化升溫帶。針對18112工作面采空區(qū)遺煤的自然特性，采用漏風風速劃分法和氧濃度劃分法相結(jié)合，對采空區(qū)自燃“三帶”范圍進行劃分才更為合理。即以風速0.004 m/s為界限，氧化帶與窒息帶以氧氣濃度8%為界限，作為冷卻帶與氧化帶的分界。根據(jù)兩種劃分方法，設(shè)置工作面不同的供風量，借助數(shù)值模擬計算采空區(qū)氧化升溫帶范圍，見表3。

表3 供風量不同時采空區(qū)氧化升溫帶范圍

分析表3的數(shù)據(jù)可以得出，氧化升溫帶與工作面供風量呈現(xiàn)出非線性遞增關(guān)系，給定供風量(x)不同時，對氧化升溫帶的寬度(y)運用二次多項式進行擬合分析，擬合曲線如圖2所示。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，利用回歸分析方法得到18112工作面不同供風量時氧化升溫帶寬度的回歸方程：

(6)

圖2 供風量不同時氧化升溫帶范圍的擬合曲線

通過圖3得到，隨著工作面供風量的不斷增大，氧化升溫帶的最大寬度變化很小，但最低氧濃度等值線和最大漏風風速等值線均有變化。最低氧氣濃度等值線8%隨著進風量的增加向采空區(qū)深部移動，最大漏風風速等值線0.004 m/s隨著供風量的增加向采空區(qū)的深部移動，但移動距離較??；氧化升溫帶的寬度也在增大。

圖3 18112工作面供風量不同時采空區(qū)氧化升溫帶寬度的數(shù)值模擬

4 控制風量防滅火技術(shù)

4.1 控制風量技術(shù)的應用

采空區(qū)漏風情況、煤及圍巖溫度、煤的破碎性、采空區(qū)氧濃度、煤層自燃特性等多種條件導致斜溝煤礦18112孤島工作面采空區(qū)遺煤自燃[11-13]。研究分析數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)采空區(qū)漏風是導致18112采空區(qū)遺煤自燃的主要原因。理論研究成果和現(xiàn)場實際生產(chǎn)證明：在18112孤島工作面運用控制風量防滅火技術(shù)能夠顯著減少采空區(qū)的漏風，有效防治采空區(qū)遺煤自燃。

為了降低18112工作面采空區(qū)的漏風量，阻止采空區(qū)遺煤自燃，在18114孤島工作面應用均壓防滅火技術(shù)，即采用固體泡沫噴涂，將18110工作面與18112回風巷已封閉的聯(lián)絡巷封閉墻，另外在18110綜采工作面進風巷停采線位置灌注凝膠加強封堵，達到充分密閉采空區(qū)的目的。由于18112孤島工作面瓦斯較小，配風量只需滿足CH4安全濃度要求即可。通過現(xiàn)場實踐應用發(fā)現(xiàn)：當18112孤島工作面風量為35 m3/min時，既可以有效風排瓦斯，又可以較好的阻止采空區(qū)遺煤自燃。

控制風量通風技術(shù)運用前后，18114工作面回風密閉墻內(nèi)采空區(qū)CO濃度變化如圖4所示。

從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，實施控制風量通風技術(shù)后，18114工作面采空區(qū)的CO濃度顯著減少，最終穩(wěn)定在5×10-6。在18112工作面實施以風治火技術(shù)后，有效控制了采空區(qū)浮煤的自燃，18112工作面達到安全、高效回采。

圖4 18114回風密閉墻內(nèi)CO濃度監(jiān)測結(jié)果

4.2 18112孤島工作面采空區(qū)氧化升溫帶與相鄰采空區(qū)漏風的關(guān)系

眾多學者認為，采空區(qū)自燃“三帶”的范圍隨著采空區(qū)漏風量增大而變大，特別是氧化升溫帶，遺煤的氧化反應最為強烈，采空區(qū)中同一位置的遺煤由于自燃氧化帶寬度的變大，進而處于氧化升溫帶內(nèi)的時間增長，遺煤蓄熱時間也隨之延長，從而加劇遺煤自燃的危險性[13-15]。此次數(shù)值模擬過程中，分析研究了18112孤島工作面采空區(qū)自燃“三帶”與鄰近采空區(qū)的漏風關(guān)系。分析數(shù)值模擬結(jié)果：18112孤島工作面與普通工作面自燃“三帶”不同，氧化升溫帶的寬度隨著相鄰采空區(qū)的漏風增大而增大，并且鄰近采空區(qū)的漏風使氧化升溫帶向采空區(qū)深部移動；由于18110孤島工作面采空區(qū)漏風嚴重，采空區(qū)氧化升溫帶的范圍在進風側(cè)明顯比回風側(cè)寬；氧濃度等值線(8%)和風速等值線(0.004 m/s)隨著采空區(qū)漏風量的增大向采空區(qū)深部移動，采空區(qū)深部的氧濃度也隨之升高，致使氧化升溫帶的寬度增大。

5 結(jié) 論

(1)由活性自由基鏈式反應理論、COMSOL數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場測試，得出18112采空區(qū)煤炭自燃的主要原因是采空區(qū)漏風。

(2)借助COMSOL軟件，對采空區(qū)自燃“三帶”寬度與工作面供風量進行數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：18112孤島工作面風量由1 800 m3/min逐漸增大到3 000 m3/min時，采空區(qū)自燃氧化升溫帶向采空區(qū)深部移動，其區(qū)域從48.5 m擴至50.8 m。通過回歸分析，得到了氧化升溫帶與工作面供風量呈現(xiàn)出非線性遞增關(guān)系。

(3)對鄰近的18114采空區(qū)實施加強封堵和均壓等以風治火技術(shù)措施及監(jiān)測監(jiān)控密閉墻內(nèi)氣體，采空區(qū)漏風顯著減少，有效防止了18112孤島工作面采空區(qū)遺煤的自燃。

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Study on Fire Prevention and Control Technology of Controlling Air Volume on 18112 Fully-mechanized Isolated Island Caving Face of Xiegou Coal Mine

Hao Lisheng

(Xiegou Coal Mine,Shanxi Xishan Jinxing Energy Co.,Ltd.)

In order to prevent coal spontaneous combustion in goaf of 18112 fully-mechanized caving island coal face that is located in 8#coal seam of Xiegou coal mine,the mechanism of coal spontaneous combustion is analyzed from the view of the active radicals,according to the division standard of spontaneous combustion "three zones" in goaf and numerical simulation method,the change law of oxygenation heating-up zone in goaf under different air supply volumes is studied and the scope of oxygenation heating-up zone is determined by using the computational fluid dynamics COMSOL software.The regression equation between air supply volume of the working face and the width of oxygenation heating-up zone is obtained by conducting regression analysis.The study results show that air leakage in goaf is the main reason of spontaneous combustion in goaf of 18112 fully-mechanized caving island coal face,the with of oxygenation heating-up zone is enlarged with the increasing of the air supply volume.The application results of the fir prevention and control technology of controlling air volume show that the concentration of CO in 18110 return air closed wall of goaf is decreased from 20×10-6to 5×10-6,it is further indicated that is is feasible to prevent spontaneous combustion of residual coal in goaf of Xiegou coal mine by using wind preventing fire technology.

Full-mechanized isolated island caving face,Numerical simulation,Goaf air leaking,Wind preventing fire,Spontaneous combustion mechanism

2016-09-02)

郝利生(1983—)，男，工程師，033602 山西省呂梁市興縣魏家灘鎮(zhèn)。