鄯夢(mèng)濤

(陽(yáng)泉市上社二景煤炭有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045100)

引 言

煤炭在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占據(jù)主導(dǎo)地位，近年來(lái)，隨著采煤工藝及技術(shù)的不斷改進(jìn)和綜采設(shè)備自動(dòng)化水平及可靠性的不斷提升，工作面的采煤效率得到不斷提升。隨著開(kāi)采空間的不斷增大，使得工作面的遺煤量不斷增加，進(jìn)而導(dǎo)致工作面瓦斯的涌出量相當(dāng)嚴(yán)重。尤其是針對(duì)高瓦斯突出的煤層群而言，其本身瓦斯含量就高，使得礦井發(fā)生火災(zāi)事故的概率越發(fā)增大。此外，受到采空區(qū)上覆巖運(yùn)動(dòng)規(guī)律和綜采技術(shù)的影響，使得采空區(qū)煤炭自燃的概率仍然很高，導(dǎo)致煤礦火災(zāi)事故的發(fā)生[1]。為確保綜采工作面的安全生產(chǎn)，預(yù)防工作面火災(zāi)事故的發(fā)生也是非常重要的。本文著重闡述了綜采工作面的防滅火技術(shù)。

1 工作面通風(fēng)方式及防滅火技術(shù)

1.1 工作面通風(fēng)方式

工作面良好的通風(fēng)方式是控制其瓦斯?jié)舛鹊闹饕胧?，尤其是針?duì)高瓦斯礦井而言，必須保證其通風(fēng)系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性以及連續(xù)性。目前，我國(guó)煤礦生產(chǎn)所采用的通風(fēng)方式包括有U型、Y型、W型、E型以及Z型等，且應(yīng)用最為廣泛的通風(fēng)方式包括有U型和Y型。

1.1.1 U型通風(fēng)方式

U型通風(fēng)方式的優(yōu)勢(shì)在于其成本低、構(gòu)造簡(jiǎn)單，主要適用于瓦斯含量相對(duì)較低的工作面且煤層自燃概率相對(duì)較低的工作面。U型通風(fēng)方式的劣勢(shì)在于其在應(yīng)用時(shí)存在通風(fēng)阻力大、采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重以及隅角范圍內(nèi)的瓦斯很難得到解決的問(wèn)題[2]。U型通風(fēng)方式的布置圖如圖1所示。

圖1 U型通風(fēng)方式的布置圖

如圖1所示，U型通風(fēng)方式包括有后退式U型和前進(jìn)式U型兩種構(gòu)造。

1.1.2 Y型通風(fēng)方式

Y型通風(fēng)方式的一般構(gòu)造為巷道上下為主次進(jìn)風(fēng)，次巷道一次采空區(qū)的單巷道為回風(fēng)。Y型通風(fēng)方式的優(yōu)勢(shì)在于可避免隅角處瓦斯的聚集，提高工作面風(fēng)流的效率，保證工作面原煤的高效生產(chǎn)[3]。Y型通風(fēng)方式的劣勢(shì)在于在回風(fēng)巷道內(nèi)容易造成瓦斯聚集。Y型通風(fēng)方式的布置圖如圖2所示。

圖2 Y型通風(fēng)方式的布置示意圖

1.2 工作面防滅火技術(shù)研究

一般情況下，采空區(qū)為發(fā)生火災(zāi)概率最高的場(chǎng)地，由于防火措施不當(dāng)有可能導(dǎo)致礦井火災(zāi)保持幾年或者幾十年。目前，應(yīng)用于工作面防滅火的技術(shù)主要包括灌漿、注氮等。

灌漿滅火是將配制好的灌漿材料通過(guò)鉆孔注入注漿點(diǎn)，從而達(dá)到預(yù)防或者消滅工作面火災(zāi)的目的。該滅火技術(shù)應(yīng)用最早也應(yīng)用時(shí)間最長(zhǎng)，目前仍然被使用。

注氮滅火是將惰性氣體氮?dú)馔ㄟ^(guò)輸氣管道注入至指定位置，降低該處的氧氣濃度，從而達(dá)到抑制煤炭氧化、預(yù)防自燃的目的。

均壓滅火的主體思路是采用多種措施對(duì)采空區(qū)的氣流及風(fēng)壓進(jìn)行控制，使得采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象得到解決，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)煤自燃現(xiàn)象的抑制。

泡沫滅火是將液相、氣相以及固相的材料組合，抑制采空區(qū)煤層自燃從而達(dá)到防火的目的。該滅火方式主要適用于采空區(qū)堵漏，且具有成本低以及無(wú)污染的優(yōu)勢(shì)[4]。

2 工作面火災(zāi)防治數(shù)值模擬

為確保后續(xù)所設(shè)計(jì)的防滅火方案能夠有效達(dá)到預(yù)防火災(zāi)和滅火的目的，需準(zhǔn)確掌握綜采工作面采空區(qū)的相關(guān)特性，具體包括有工作面采空區(qū)的漏風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)、氧濃度、瓦斯?jié)舛鹊?、本文采用基于FLUENT軟件對(duì)采空區(qū)相關(guān)特性進(jìn)行數(shù)值模擬分析?；贔LUENT搭建模型所參照的參數(shù)如表1所示。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)設(shè)置

2.1 采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速場(chǎng)仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真分析可知，主進(jìn)風(fēng)巷和輔助進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)速較大，可達(dá)到0.1 m/s；距離工作面較近的采空區(qū)以及上下隅角范圍內(nèi)采空區(qū)的風(fēng)速較大。而且，距離工作面越遠(yuǎn)的位置，其漏風(fēng)范圍在不斷擴(kuò)大[5]。

2.2 采空區(qū)氧濃度仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真分析可知，受到漏風(fēng)范圍的影響，在進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷以及工作面附近采空區(qū)的氧濃度值最高，可達(dá)到25%。而且，距離主進(jìn)風(fēng)巷道80 m采空區(qū)氧濃度變化不大，而次進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)氧濃度變化較大。此外，在工作面采空區(qū)較深的位置和受進(jìn)風(fēng)流影響的位置氧濃度變化趨勢(shì)一致，且濃度值在8%左右。

2.3 采空區(qū)瓦斯?jié)舛确抡娼Y(jié)果分析

隨著工作面采空區(qū)的不斷深入，瓦斯?jié)舛戎涤?%一直增大到40%；主進(jìn)風(fēng)和次進(jìn)風(fēng)巷道以及工作側(cè)采空區(qū)域受到漏風(fēng)風(fēng)流的影響，使得瓦斯?jié)舛鹊玫较♂?。而且，距離主進(jìn)風(fēng)巷道80 m采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓淮螅芜M(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)瓦斯?jié)舛茸兓^大?？傊?，受到漏風(fēng)風(fēng)流稀釋的作用及尾抽作用的影響，瓦斯?jié)舛仍诓煽諈^(qū)走向隨梯度增加而減少。

3 工作面防滅火設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1 工作面滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)

綜合從成本、效果等方面對(duì)比分析灌漿、注氮、均勻等防滅火手段的優(yōu)劣勢(shì)，我礦選用灌漿和注氮聯(lián)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采工作面火災(zāi)的預(yù)防和處理。

3.1.1 灌漿滅火系統(tǒng)的運(yùn)送流程

地面灌漿站→灌漿鉆孔管路(直徑為200 mm)→回風(fēng)大巷(管路直徑為200 mm)→采空區(qū)回風(fēng)上山(管路直徑為150 mm)→回風(fēng)聯(lián)巷(管路直徑為100 mm)→工作面注漿點(diǎn)。

灌漿所采用的材質(zhì)為黃土，且水土比例為1:5，所配置灌漿的密度為1.3×103 kg/m3，流入工作面灌漿的壓力為10.9 MPa。

3.1.2 注氮系統(tǒng)的運(yùn)送流程

工作面注氮硐室-西翼回風(fēng)大巷(管路直徑為200 mm)→東翼回風(fēng)大巷(管路直徑為200 mm)→回風(fēng)上山(管路直徑為150 mm)→回風(fēng)聯(lián)巷(管路直徑為100 mm)→工作面注氮點(diǎn)。

工作面所采用注氮機(jī)組的關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 注氮機(jī)組關(guān)鍵參數(shù)

3.2 工作面防滅火效果驗(yàn)證

為加快綜采工作面的推進(jìn)速度，除了采用上述注氮和灌漿滅火手段外，還采用相應(yīng)的堵漏風(fēng)的措施，從而達(dá)到抑制工作面采空區(qū)煤層自燃現(xiàn)象的目的。而且，在回風(fēng)巷和U型通風(fēng)上隅角未檢測(cè)到瓦斯聚集的現(xiàn)象，從而提高了工作面掘進(jìn)的效率和生產(chǎn)的安全性。

此外，在回采過(guò)程中回風(fēng)巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛扰c總回風(fēng)量的監(jiān)測(cè)結(jié)果如第103頁(yè)圖3所示。

如圖3所示，在回采過(guò)程匯總回風(fēng)巷內(nèi)瓦斯的濃度一直低于0.6%，且保持在0.33%左右，滿足《煤炭安全規(guī)程》的相關(guān)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

綜采工作面的通風(fēng)方式是決定工作面瓦斯?jié)舛鹊年P(guān)鍵，在實(shí)際生產(chǎn)中需根據(jù)工作面瓦斯含量、地質(zhì)條件以及煤層特點(diǎn)選用最為合適的通風(fēng)方式。對(duì)于工作面采空區(qū)而言，由于通風(fēng)不暢和遺煤的增加增加了采空區(qū)火災(zāi)發(fā)生的概率，嚴(yán)重威脅著煤礦安全生產(chǎn)。為此，需綜合分析不同防滅火技術(shù)的特點(diǎn)，為工作面設(shè)計(jì)單一或者聯(lián)合滅火措施，預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

圖3 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛扰c總回風(fēng)量