宮 彪

(大同煤礦集團(tuán)有限公司通風(fēng)處，山西省大同市，037003)

礦井火災(zāi)發(fā)生速度快，范圍廣，控制難度大，是直接威脅礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。近年來(lái),隨著綜采放頂煤技術(shù)的推廣應(yīng)用，煤礦雖然實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的目標(biāo)，但這種采煤方法在采空區(qū)留煤較多，加之采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，所以綜放面采空區(qū)的自然發(fā)火危險(xiǎn)性也較大。因此，研究采空區(qū)自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的分布規(guī)律，確定出合理的工作面推進(jìn)速度，對(duì)防止采空區(qū)自燃、保障礦井安全生產(chǎn)具有十分重要的意義。

1 工作面概況

金莊煤業(yè)8201綜放工作面內(nèi)部靠近停采線約250 m范圍內(nèi)為3-5#煤層合并區(qū)，其余大部分3#煤層和5#煤層分開。在兩煤層分開區(qū)域內(nèi)，5#煤層平均厚度為15.3 m；3#煤層平均厚度為3.27 m；3#煤層和5#煤層之間的夾層厚度為0.71～1.77 m，平均厚度為1.2 m，夾層巖性主要為泥巖、炭質(zhì)泥巖、高嶺質(zhì)泥巖等。在兩煤層的合并區(qū)，最大煤層厚度為22.3 m，傾角為3°～6°。8201工作面走向長(zhǎng)1262 m，傾斜長(zhǎng)220 m，為“一進(jìn)一回”兩巷布置，2201巷為進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤巷，5201巷為回風(fēng)、運(yùn)輸兼作行人巷。經(jīng)測(cè)定3-5#合并煤層自燃傾向性為容易自燃，自然發(fā)火等級(jí)為Ⅰ類，最短自然發(fā)火期為41 d，具有爆炸危險(xiǎn)性。

由于8201工作面在回采過(guò)程中采用的是綜采放頂煤開采方法，該開采方法在放頂煤后頂板垮落范圍大，在采場(chǎng)后方形成冒落、破碎帶，在礦壓作用下，采空區(qū)在短時(shí)間內(nèi)很難被壓實(shí)，所以漏風(fēng)通道多，漏風(fēng)嚴(yán)重。此外，綜采放頂煤開采方法的回采率不高，在采空區(qū)的遺煤量較大，且該方法比其他方法多了一道放頂煤工序，工作面推進(jìn)速度比較慢，增加了采空區(qū)遺煤與氧氣的接觸時(shí)間，所以8201工作面采空區(qū)的自然發(fā)火威脅較大。

2 8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

為避免8201綜放面在回采過(guò)程中采空區(qū)發(fā)生自燃，必須確定出合理的工作面推進(jìn)速度，而要確定工作面的推進(jìn)速度就必須知道采空區(qū)氧化升溫帶的寬度。為此，在工作面不采取任何防滅火措施的條件下對(duì)8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的分布進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2.1 模型建立

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)定可得,2201進(jìn)風(fēng)巷斷面積為18.9 m2，進(jìn)風(fēng)風(fēng)速測(cè)量值為2.04 m/s；5201回風(fēng)巷斷面積為17.5 m2，回風(fēng)風(fēng)速測(cè)量值為2.24 m/s。根據(jù)采場(chǎng)上覆巖層運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵層理論，關(guān)鍵層初次斷裂后在采空區(qū)中部趨于壓實(shí)，而在采空區(qū)兩側(cè)仍各保持一個(gè)離層區(qū)，工作面?zhèn)鹊碾x層區(qū)隨工作面開采而不斷前移，從平面看，在采空區(qū)四周存在一沿層面橫向連通的離層發(fā)育區(qū)，稱為采動(dòng)裂隙“O”形圈，相應(yīng)數(shù)值模擬采空區(qū)按照采動(dòng)裂隙“O”形圈理論設(shè)置。

本次數(shù)值模擬模型具體參數(shù)：工作面長(zhǎng)度220 m、寬度4 m，采空區(qū)走向長(zhǎng)度250 m，進(jìn)風(fēng)巷長(zhǎng)度30 m、寬度5.4 m，回風(fēng)巷長(zhǎng)度30 m、寬度5 m。應(yīng)用GAMBIT軟件建立一源一匯的二維物理模型，進(jìn)行網(wǎng)格化，將坐標(biāo)原點(diǎn)定在進(jìn)風(fēng)巷端頭，指向采空區(qū)的方向?yàn)閅軸正方向，指向工作面的方向?yàn)閄軸正方向，兩方向的步長(zhǎng)均取1 m，即網(wǎng)格大小為1 m×1 m，網(wǎng)格數(shù)量共計(jì)66382個(gè)。并將采空區(qū)劃分成壓實(shí)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、未壓實(shí)區(qū)、工作面、入風(fēng)巷及回風(fēng)巷6部分，如圖1所示。

圖1 模型網(wǎng)格劃分圖

由于工作面空間存在支架立柱、梁、采煤機(jī)機(jī)組、人員設(shè)備等，增加了工作面通風(fēng)阻力，因此，將壓實(shí)區(qū)、過(guò)渡區(qū)、未壓實(shí)區(qū)及工作面這四部分都定義成為多孔介質(zhì)區(qū)。

2.2 模擬結(jié)果分析

假設(shè)采空區(qū)松散煤體及巖體各為均勻多孔介質(zhì)；計(jì)算區(qū)域內(nèi)流體密度不變，空氣滲流在過(guò)渡區(qū)和壓實(shí)區(qū)符合達(dá)西定律；空氣中的氧與煤反應(yīng)而被消耗，同時(shí)產(chǎn)生CO2等氣體，氣體消耗量與產(chǎn)生量相等，使空氣總量不發(fā)生變化；空氣中各組分按照Fick定律從濃度高處向低處擴(kuò)散；由于煤自燃過(guò)程非常緩慢，認(rèn)為在正常生產(chǎn)中，采空區(qū)的滲流、擴(kuò)散及化學(xué)反應(yīng)是穩(wěn)態(tài)過(guò)程，采空區(qū)溫度在回采過(guò)程中變化不大，基本保持在300 K，因此不考慮熱傳導(dǎo)。通過(guò)模擬，可得到金莊煤業(yè)8201綜放面的氧濃度分布如2圖所示。

圖2 采空區(qū)氧氣濃度分布圖

綜合上述分析，運(yùn)用數(shù)值模擬方法得到的采空區(qū)自燃“三帶”分布情況如圖3所示。

圖3 數(shù)值模擬采空區(qū)自燃“三帶”范圍

由圖3可知，在不向工作面采空區(qū)采取任何防滅火措施的情況下，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，距工作面45 m處進(jìn)入氧化帶；在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，距工作面33 m處進(jìn)入氧化帶。即散熱帶寬為33～45 m，窒熄帶為距工作面150～175 m之后的范圍。

3 采空區(qū)注氮及端頭堵漏措施

(1)采空區(qū)注氮措施。在8201綜放面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿進(jìn)風(fēng)巷預(yù)埋設(shè)三趟注氮管路。當(dāng)?shù)谝惶寺袢氩煽諈^(qū)20 m后開始注氮，同時(shí)又埋入第二趟注氮管路；當(dāng)?shù)诙俗⒌墓芸诼袢氩煽諈^(qū)20 m時(shí)向采空區(qū)注氮，再埋入第三趟注氮管路，同時(shí)斷開第一趟注氮管路；如此循環(huán)，直止工作面采完為止。

(2)采空區(qū)端頭堵漏措施。端頭封堵作為防滅火的輔助手段，能有效減少采空區(qū)漏風(fēng)、縮短采空區(qū)氧化帶長(zhǎng)度、降低采空區(qū)自然發(fā)火隱患。在頂板條件允許情況下，8201工作面上、下端頭每隔10 m各構(gòu)筑一道粉煤灰墻，且每?jī)傻婪勖夯覊χg加設(shè)一道6 m×7 m的風(fēng)幛，封堵墻必須從煤幫構(gòu)筑到

后溜尾處，確保將端頭封堵嚴(yán)實(shí)。每道封堵墻厚度為1.8 m，構(gòu)筑時(shí)每碼放一層粉煤灰袋就鋪灑一層粉煤灰固化材料(甲乙料)，封堵裂隙、接頂，待粉煤灰墻構(gòu)筑完畢后，用粉煤灰固化材料(甲乙料)對(duì)墻體進(jìn)行抹面，確保墻體嚴(yán)密不漏風(fēng)。墻體規(guī)格按巷道斷面規(guī)格確定。

4 注氮、端頭堵漏條件下采空區(qū)自燃“三帶”劃分

4.1 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

采空區(qū)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由采樣器、接管箱、放水器、除塵器、抽氣泵、采樣控制柜和分析單元等組成，利用真空泵通過(guò)一組空心塑料管將井下檢測(cè)地點(diǎn)的空氣直接抽至分析單元中進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。它的優(yōu)點(diǎn)主要是能實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)、分析數(shù)據(jù)可靠，當(dāng)井下發(fā)生事故斷電撤人后也能保持正常的監(jiān)測(cè)工作，不但可以用于煤炭自燃的早期預(yù)報(bào)，還可以監(jiān)測(cè)礦井內(nèi)其他氣體成分的變化。

在金莊煤業(yè)8201綜放工作面2201進(jìn)風(fēng)巷和5201回風(fēng)巷各安裝一組束管。安裝前，工作面支架保持不移架，后部刮板輸送機(jī)拉進(jìn)，留出埋入束管的空間。安裝時(shí)，將工作面后部刮板輸送機(jī)靠采空區(qū)側(cè)刮板外邊緣浮煤清出，保證束管的埋入深度為距離刮板上邊緣0.2 m。連接好并埋入后，用浮煤蓋實(shí)。工作面各束管連接至地面束管監(jiān)測(cè)主系統(tǒng)，采樣氣體由氣相色譜儀進(jìn)行分析。

4.2 觀測(cè)結(jié)果及分析

選取8201綜放工作面在采取注氮及端頭堵漏的條件下的2201進(jìn)風(fēng)巷束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和5201回風(fēng)巷束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析采空區(qū)氧濃度場(chǎng)分布，以確定8201工作面自燃“三帶”范圍。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表

由以上觀測(cè)數(shù)據(jù)，可得5201回風(fēng)巷與2201進(jìn)風(fēng)巷幾個(gè)時(shí)間段內(nèi)，采空區(qū)距工作面不同位置處的氧濃度曲線圖，如圖4所示。

目前，一般認(rèn)為，窒息帶氧濃度≤7%，氧化帶氧濃度為7%～18%，散熱帶氧濃度≥18%。由圖4可知，5201回風(fēng)巷在第1時(shí)間段內(nèi)距離工作面0～35 m為散熱帶，35～52 m處為氧化帶，52 m以后為窒息帶；5201回風(fēng)巷在第2時(shí)間段內(nèi)距離工作面0～10 m為散熱帶，10～63 m處為氧化帶，63 m以后為窒息帶；5201回風(fēng)巷在第3時(shí)間段內(nèi)距離工作面0～22 m為散熱帶，22～83 m處為氧化帶，83 m以后為窒息帶；2201進(jìn)風(fēng)巷在第1時(shí)間段內(nèi)距離工作面0～22 m為散熱帶，22～107 m處為氧化帶，107 m以后為窒息帶；2201進(jìn)風(fēng)巷在第2時(shí)間段內(nèi)距離工作面0～31 m為散熱帶，31～54 m處為氧化帶，54 m以后為窒息帶。分析可知，8201綜放工作面3-5#合并煤層采空區(qū)在采取注氮及端頭堵漏措施后，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶邊界為22～31 m處，氧化帶的最大寬度為85 m，54～107 m處為窒息帶的起始邊界；8201工作面回風(fēng)側(cè)散熱帶邊界為10～35 m處，氧化帶的最大寬度為61 m，52～83 m處為窒息帶的起始邊界。

圖4 采空區(qū)距工作面不同距離處的氧濃度曲線圖

5 8201綜放面合理推進(jìn)速度的確定

通過(guò)上述分析可知，在工作面采空區(qū)采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，采空區(qū)氧化帶的最大寬度為85 m，則其每月的最小推進(jìn)距離為62.2 m/月；在工作面采空區(qū)不采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，采空區(qū)氧化帶的最大寬度為130 m，則其每月的最小推進(jìn)距離為95.2 m/月。

由于《關(guān)于進(jìn)一步規(guī)范和改善煤炭生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)秩序的通知》要求全國(guó)煤礦自2016年起全年作業(yè)時(shí)間不超過(guò)276個(gè)工作日，落實(shí)到每月即不超過(guò)23 d。則在采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，每天的最小推進(jìn)距離為2.7 m/d；在不采取注氮及端頭堵漏措施的情況下，每天的最小推進(jìn)距離為4.1 m/d。

由于受到礦井產(chǎn)量及礦井運(yùn)輸能力的限制，8201工作面每天的推進(jìn)距離不能太大。推進(jìn)距離太大易引發(fā)各種災(zāi)害事故；但推進(jìn)距離也不能太小，太小無(wú)法確保整個(gè)礦井的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。目前金莊煤業(yè)8201工作面所采用的采煤機(jī)的有效截深為0.8 m，綜合考慮各種因素的影響，確定8201工作面每天割4刀煤，即推進(jìn)距離為3.2 m/d，因?yàn)樵撏七M(jìn)距離小于不采取防滅火措施情況下的最小推進(jìn)距離4.1 m。因此，為防止8201工作面采空區(qū)自然發(fā)火，需采取一定的防滅火措施，即可向采空區(qū)采取注氮和端頭堵漏的措施。

6 結(jié)論

(1)在采空區(qū)不注氮及不堵漏的條件下，通過(guò)模型的建立、條件的假設(shè)及結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，模擬了8201綜放面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍。

(2)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)8201綜放面采空區(qū)內(nèi)氧濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷多個(gè)時(shí)間段內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析，劃分出了采空區(qū)在采取注氮及堵漏措施下的自燃“三帶”分布范圍。

(3)計(jì)算了8201綜放面在采取注氮及堵漏措施和不采取注氮及堵漏措施兩種條件下每月的最小推進(jìn)距離，并結(jié)合每年作業(yè)時(shí)間不超過(guò)276 d的生產(chǎn)要求，進(jìn)一步計(jì)算了兩種條件下每天的最小推進(jìn)距離。

(4)考慮到礦井的生產(chǎn)能力及運(yùn)輸能力，在確保礦井可以正常運(yùn)轉(zhuǎn)的條件下，結(jié)合8201綜放面采煤機(jī)的有效截深，確定了合理的工作面推進(jìn)速度，并提出了相應(yīng)的防滅火措施。

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