鄭曉輝

(霍州煤電集團(tuán)呂梁山煤電有限公司 通風(fēng)處，山西 呂梁 033000)

綜采放頂煤開(kāi)采工藝在我國(guó)廣泛應(yīng)用，但是其產(chǎn)生的大量遺煤、浮煤，加之采空區(qū)漏風(fēng)的影響[1]，使得采空區(qū)遺煤自然發(fā)火問(wèn)題嚴(yán)重，嚴(yán)重影響了工作面的作業(yè)安全[2]。本文針對(duì)辛置煤礦10-428綜放工作面采空區(qū)內(nèi)含大量浮煤，常引發(fā)自然發(fā)火的問(wèn)題，提出開(kāi)放式注氮的防滅火技術(shù)[3]，通過(guò)對(duì)比注氮前、后氧化帶范圍的變化證明了開(kāi)放式注氮能夠有效減小工作面氧化帶范圍[4]，減小采空區(qū)遺煤自燃的概率，并通過(guò)數(shù)值模擬得到驗(yàn)證。有效保障了工作面開(kāi)采的正常進(jìn)行[5]。

1 工作面簡(jiǎn)介

辛置煤礦10-428綜放工作面開(kāi)采10號(hào)煤層，煤層平均厚度5.50 m，傾角2～9°。工作面傾斜長(zhǎng)度為260 m，工作面標(biāo)高403～431 m，采用走向長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤采煤法，全部垮落法管理頂板。工作面通風(fēng)系統(tǒng)采用“一進(jìn)一回”的“U”通風(fēng)方式，即正巷進(jìn)風(fēng)，副巷回風(fēng)，工作面進(jìn)風(fēng)量960 m3/min。

2 采空區(qū)自燃“三帶”的劃分

工作面采空區(qū)遺留浮煤自燃主要取決于浮煤厚度、氧濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度、工作面推進(jìn)速度及自然發(fā)火期5個(gè)參量，工作面正常生產(chǎn)時(shí)，采空區(qū)自燃“三帶”處于一個(gè)動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài)。

采空區(qū)自然發(fā)火防治的首要前提是搞清采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，它是采空區(qū)注氮、堵漏風(fēng)等技術(shù)措施的主要技術(shù)依據(jù)。采空區(qū)自燃“三帶”主要指散熱帶、氧化帶和窒息帶。散熱帶內(nèi)由于垮落不充分，漏風(fēng)流較大，采空區(qū)遺煤氣化產(chǎn)生的熱量不能積聚，一般不會(huì)發(fā)生自然發(fā)火；氧化帶內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速適當(dāng)，具有熱量積聚的條件，O2體積分?jǐn)?shù)又能滿足氧化需求，因此最容易發(fā)生自燃；窒息帶內(nèi)由于漏風(fēng)難以到達(dá)，O2體積分?jǐn)?shù)往往難以滿足氧化需求，一般也不會(huì)發(fā)生自然發(fā)火。

目前，一些學(xué)者提出劃分“三帶”的指標(biāo)有漏風(fēng)風(fēng)速、采空區(qū)氧濃度和溫升速率3種。但因?yàn)檫z煤的溫升速率不穩(wěn)定，無(wú)法得出準(zhǔn)確數(shù)值，所以一般以漏風(fēng)風(fēng)速和采空區(qū)氧濃度作為劃分指標(biāo)。

3 注氮方式及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

3.1 注氮方法

防滅火的本質(zhì)是將氮?dú)庾⑷氩煽諈^(qū)的氧化帶，從而使氧化帶內(nèi)氧氣濃度下降到自然發(fā)火所需氧濃度以下。

10-428綜放工作面采空區(qū)注氮方式為開(kāi)放式注氮，注氮管道的埋設(shè)及氮?dú)忉尫趴诘脑O(shè)置應(yīng)符合以下要求:①沿進(jìn)風(fēng)巷外側(cè)鋪設(shè)注氮管道，氮?dú)忉尫趴诘母叨葢?yīng)高于底板，通過(guò) 90°彎管拐向采空區(qū)，與工作面保持平行，孔口嚴(yán)禁向上，采用石塊或木垛等加以保護(hù)；②一般采用單管注氮管道，管道中設(shè)置三通，從三通上接出500 mm左右的花管，以防堵管；③氮?dú)忉尫趴诘奈恢?，根?jù)采空區(qū)“三帶”尺寸、注氮方式和注氮強(qiáng)度、自然發(fā)火期的長(zhǎng)短、工作面推進(jìn)速度以及采空區(qū)垮落情況等因素，確定在工作面后部25 m處。

注氮量可根據(jù)采空區(qū)注氮前、后氧化帶中的氧氣含量來(lái)計(jì)算，以保證注氮后氧化帶內(nèi)的氧氣含量處于自然發(fā)火所需氧濃度以下。公式如下：

式中：Q氮為注氮量，m3/h；Q氧為漏風(fēng)量，m3/h；C1為氧化帶的平均氧含量；C2為采空區(qū)氧化帶惰性指標(biāo)；C氮為注入氮?dú)庵械臐舛取?/p>

通過(guò)計(jì)算最終得到10-428工作面最佳注氮量為400 m3/ h。

3.2 未注氮時(shí)采空區(qū)三帶監(jiān)測(cè)情況

在10-428工作面建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)記錄各個(gè)測(cè)點(diǎn)所得到的數(shù)據(jù)，并繪制成采空區(qū)的氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線，如圖1。以8%和18%氧氣濃度作為現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)時(shí)劃分三帶的指標(biāo)。

圖1 未注氮時(shí)氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

1) 當(dāng)工作面推進(jìn)后，采用垮落法處理采空區(qū)，頂板圍巖垮落后，壓實(shí)程度較好，采空區(qū)漏風(fēng)較少，氧氣濃度下降緩慢。當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)距離達(dá)到16 m時(shí)，氧氣的濃度快速降低。

2) 采空區(qū)運(yùn)輸巷側(cè)的氧氣濃度下降速度相對(duì)于回風(fēng)巷側(cè)的氧氣下降速度較慢。這主要是因?yàn)檫\(yùn)輸巷的漏風(fēng)量比回風(fēng)巷大，頂板跨落后密實(shí)程度低造成的。當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)距離達(dá)到18 m時(shí)，回風(fēng)巷氧氣濃度下降到18%以下，，當(dāng)累計(jì)推進(jìn)度達(dá)到115 m時(shí)，氧氣濃度下降到8%以下；同理可知運(yùn)輸巷在工作面累計(jì)推進(jìn)度達(dá)到37 m時(shí)進(jìn)入氧化帶，136 m時(shí)進(jìn)入窒息帶。由此得到該工作面氧化帶的平均范圍為27.5～125.5 m。

3.3 注氮后采空區(qū)三帶監(jiān)測(cè)情況

注氮后，通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)得到各個(gè)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并把他們繪制成采空區(qū)氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線，如圖2。

圖2 注氮后氧氣濃度隨工作面推進(jìn)的變化

注氮后，采空區(qū)運(yùn)輸巷側(cè)的氧氣濃度下降速度相對(duì)于回風(fēng)巷側(cè)的氧氣下降速度較慢，下降的總體趨勢(shì)與未注氮前一樣。當(dāng)工作面累計(jì)推進(jìn)距離達(dá)到14.3 m時(shí)，此時(shí)回風(fēng)巷氧氣濃度下降到18%以下，當(dāng)累計(jì)推進(jìn)距離達(dá)到83.3 m時(shí)，氧氣濃度下降到8%以下；同理可知運(yùn)輸巷在工作面累計(jì)推進(jìn)度達(dá)到22 m時(shí)進(jìn)入氧化帶，97.6 m時(shí)進(jìn)入窒息帶。由此得到該工作面氧化帶的平均范圍為18.2～90.5 m。

4 數(shù)值模擬

4.1 建立模型

根據(jù)10-428工作面的實(shí)際情況確定巷道模擬所需參數(shù)，進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷的寬度分別為5.5 m和5.2 m，工作面長(zhǎng)260 m，寬5.5 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)速1.2 m/s。工作面進(jìn)風(fēng)量960 m3/min，氧氣濃度20.4%。以采空區(qū)和工作面中部的交點(diǎn)作為原點(diǎn)，采空區(qū)的反方向作為x軸正方向，工作面的傾向?yàn)閥軸正方向，建立采空區(qū)幾何模型，如圖3所示。以0.1 m/min和0.24 m/min采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速作為模擬時(shí)劃分三帶的指標(biāo)。

圖3 采空區(qū)幾何模型

4.2 采空區(qū)三帶模擬

1) 注氮前。按進(jìn)風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行模擬，得到以風(fēng)速劃分的氧化帶范圍云圖和各區(qū)域氧化帶范圍。如圖4所示。

圖4 不同區(qū)域氧化帶范圍

由圖4(a)可知，在工作面中部散熱帶最寬，在進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)較窄。氧化帶在工作面中部以及進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的范圍出現(xiàn)了峰值，其中氧化帶范圍最大。從圖4(b)、(c)、(d)中可得采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、采空區(qū)中部、采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的氧化帶范圍分別是25～115 m、36～127 m、28.7～118.7 m，通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)和實(shí)測(cè)結(jié)果相差不大。

2) 注氮后。注氮后的氧氣濃度以及氧化帶的范圍見(jiàn)圖5。

圖5 注氮后氧氣濃度以及氧化帶范圍

通過(guò)注氮使得工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度變大，氧化帶的寬度大幅減小，而散熱帶和窒息帶范圍則顯著增加。注氮后氧化帶及散熱帶的最大范圍為84 m，相比未注氮前減小了約30%。在保持工作面通風(fēng)風(fēng)量和日推進(jìn)距離不變的情況下，通過(guò)開(kāi)放式注氮有效減少了采空區(qū)內(nèi)浮煤處于氧化帶范圍內(nèi)的時(shí)間，降低了自然發(fā)火的概率，保證了工作面回采的安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 通過(guò)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)得采用開(kāi)放式注氮后氧化帶范圍顯著減小。注氮前氧化帶范圍是125.5m，注氮后的氧化帶范圍是90.5m，減小為原來(lái)的70%。

2) 通過(guò)數(shù)值模擬可知采用開(kāi)放式注氮后氧化帶范圍的最大平均值為84 m，是未注氮前氧化帶最大范圍118.7 m的70%。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致?？芍_(kāi)放式注氮可有效減小氧化帶的范圍，降低工作面采空區(qū)自燃的概率，對(duì)于工作面的安全開(kāi)采有很大作用。

3) 開(kāi)放式注氮防滅火技術(shù)具有成本低，工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)在采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行注氮，可有效減小工作面采空區(qū)氧化帶的長(zhǎng)度，為其他類似工作面注氮防滅火技術(shù)的應(yīng)用提供了借鑒。