于大河,王 怡,孫祥科,李洪先,徐書(shū)榮,任廣意
(1.貴州安晟能源有限公司,貴州 貴陽(yáng) 550000;2.貴州金沙龍鳳煤業(yè)有限公司,貴州 畢節(jié) 551800; 3.山東科技大學(xué) 安全與環(huán)境工程學(xué)院,山東 青島 266590;4.貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司,貴州 畢節(jié) 551700;)
切頂留巷開(kāi)采技術(shù)具有巷道掘進(jìn)量少、巷道掘進(jìn)事故率低、礦井采掘銜接矛盾小、煤炭回收率高、工作面局部范圍內(nèi)周期壓力低等優(yōu)勢(shì)[1]。但是,該技術(shù)要求工作面的通風(fēng)方式必須為“兩進(jìn)一回”或“一進(jìn)兩回”的“Y”型通風(fēng)[2]。在切頂留巷開(kāi)采方式和“Y”型通風(fēng)方式的復(fù)合作用下,采空區(qū)的漏風(fēng)范圍及漏風(fēng)量進(jìn)一步加大,其自然發(fā)火具有位置不易確定、自燃高溫范圍大、自燃“三帶”分布不規(guī)律、高溫點(diǎn)分散、發(fā)生火災(zāi)后難以撲滅等特點(diǎn),導(dǎo)致本工作面和鄰近采空區(qū)遺煤的自燃危險(xiǎn)性大大增強(qiáng)[3]。目前針對(duì)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的問(wèn)題,主要有注漿、注惰性氣體、壓注凝膠和粉煤灰膠體等防滅火技術(shù)[4,5]。孫守義[6]針對(duì)切頂留巷“Y”型通風(fēng)方式下,工作面采空區(qū)漏風(fēng)量大、煤層易自燃的特點(diǎn),提出了集壓注惰性氣體控制火勢(shì)、加快工作面推進(jìn)速度、精準(zhǔn)壓注高分子材料等一體化的綜合治理方案,取得了良好的防滅火效果;袁建紅[7]以店坪煤礦204切頂卸壓沿空留巷開(kāi)采工作面為試驗(yàn)面,通過(guò)采用兩進(jìn)一回的W型通風(fēng)方式,有效地降低了采空區(qū)兩側(cè)風(fēng)壓,減少了采空區(qū)漏風(fēng),使得采空區(qū)氧化帶范圍得到明顯降低;宋立兵[8]針對(duì)切頂卸壓留巷工作面“開(kāi)式采空區(qū)”,通過(guò)優(yōu)化通風(fēng)系統(tǒng)、注漿、注氮、均壓以及地表堵漏防滅火等措施,降低了采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)。
通過(guò)對(duì)研究成果的分析,可以看出礦井開(kāi)采條件、煤層自燃傾向性、留巷的位置、通風(fēng)方式等條件不同,其采空區(qū)的漏風(fēng)形態(tài)及自燃特點(diǎn)也不盡相同,需要針對(duì)具體的工作面采取有針對(duì)性的措施,才能降低或消除切頂留巷開(kāi)采條件下的采空區(qū)自然發(fā)火威脅[9,10]。本文針對(duì)青龍煤礦21606綜采面運(yùn)輸巷切頂留巷、開(kāi)采初期的刀把型布置、煤層含硫高以及采用“Y”型通風(fēng)方式等實(shí)際情況,采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方式,分析了切頂留巷條件下采空區(qū)的漏風(fēng)流場(chǎng),確定了采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)區(qū)域,制定了以封堵漏風(fēng)為主的防火方案,保證了工作面的安全回采,對(duì)切頂留巷無(wú)煤柱開(kāi)采技術(shù)的推廣應(yīng)用,提供了安全保障[11]。
青龍煤礦21606綜采面采用刀把型布置方式,切眼寬度為110m,補(bǔ)切眼寬度為60m,工作面走向長(zhǎng)度為1556m;所采煤層為16#煤層,厚度為1.0~4.1m,平均厚度為2.6m,煤層為中高硫煤,全硫平均含量為2.43%;16#煤層的自燃傾向性鑒定為Ⅲ類不易自燃煤層,但在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程16#煤層曾多次發(fā)生過(guò)高溫隱患。16#煤層上覆巖層依次為1.7m的炭質(zhì)粉砂巖、4.9m的粉砂巖和10.8m的細(xì)砂巖,切頂留巷布置在21606運(yùn)輸巷,切頂范圍為煤層頂板以上15m的粉砂巖巖層,留巷主要為21608工作面的瓦斯治理預(yù)留時(shí)間和空間。工作面采用“Y”型通風(fēng)方式,即21606運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)、20606回風(fēng)巷與切頂留巷段回風(fēng),切頂留巷的風(fēng)流經(jīng)通風(fēng)立眼進(jìn)入到21606底抽巷。工作面通風(fēng)系統(tǒng)如圖1所示。
圖1 21606工作面通風(fēng)系統(tǒng)
根據(jù)21606綜采面的實(shí)際布置參數(shù),建立數(shù)值模擬的物理模型,模型尺寸為300m×170m×15m。其中,切頂留巷采空區(qū)長(zhǎng)度為300m(補(bǔ)回風(fēng)巷長(zhǎng)度175m),寬度為170m(切眼長(zhǎng)度為110m);回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷的尺寸為:寬4.5m,高2.7m;切頂留巷的尺寸為:寬4.1m,高2.7m。選擇COMSOL軟件中的“多孔介質(zhì)和地下水流”模型;設(shè)置風(fēng)流入口邊界為速度入口邊界,將風(fēng)流出口邊界設(shè)為自由出入邊界;將綜采面、運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷與采空區(qū)之間的邊界設(shè)置成內(nèi)部邊界,流體可以自由通過(guò);將切頂留巷與采空區(qū)之間的封堵墻設(shè)置成多孔介質(zhì)區(qū)域;其余沒(méi)有設(shè)置的邊界默認(rèn)為固體壁面邊界,且邊界與外界環(huán)境沒(méi)有熱量交換。數(shù)值模擬模型的建立只考慮采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng),不考慮地表漏風(fēng)[12]。
為保證計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,在求解運(yùn)算前要對(duì)局部復(fù)雜變化區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行加密處理[13]。由于切頂留巷的存在,切頂留巷附近的采空區(qū)漏風(fēng)形態(tài)復(fù)雜,加之采空區(qū)與切頂留巷之間構(gòu)筑了墻體,改變了該區(qū)域的空隙率和滲透率演變規(guī)律,因此對(duì)該區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行了加密處理,劃分時(shí)將網(wǎng)格單元大小設(shè)置為較細(xì)化網(wǎng)格[14]。其余位置將網(wǎng)格單元大小設(shè)置為常規(guī)網(wǎng)格。經(jīng)過(guò)上述設(shè)定后,三維模型完整網(wǎng)格包含1438039個(gè)域單元、109753個(gè)邊界元和3822個(gè)邊單元,且網(wǎng)格劃分全部收斂質(zhì)量較好,采空區(qū)物理模型如圖2所示。
圖2 采空區(qū)物理模型
在COMSOL軟件的“自由和多孔介質(zhì)流動(dòng)”模塊中,將設(shè)定的物理模型和邊界條件帶入,可解算得到切頂留巷采空區(qū)空隙率三維分布規(guī)律,如圖3(a)所示。從圖3(a)中可以清楚地看到切頂留巷采空區(qū)空隙率呈“O”形圈分布,越靠近綜采面采空區(qū)的空隙率越大,越遠(yuǎn)離綜采面采空區(qū)的空隙率則越??;而在綜采面附近的采空區(qū)空隙率,則沿著高度方向逐漸變大;水平方向上的空隙率沿采空區(qū)中間位置向上下隅角處逐漸增大,空隙率在上下隅角附近最大,最大值為0.8。
圖3 切頂留巷采空區(qū)空隙率和滲透率分布
通過(guò)對(duì)21606綜采采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖進(jìn)行勘察,發(fā)現(xiàn)冒落煤巖的平均粒徑為0.45m。在模型中設(shè)置相應(yīng)參數(shù),解算得到切頂留巷采空區(qū)滲透系數(shù)的三維分布規(guī)律,如圖3(b)所示??梢钥闯?,采空區(qū)滲透率與空隙率分布規(guī)律類似,在工作面附近0~30m的范圍內(nèi)較大,沿巷道上下隅角向采空區(qū)深部逐漸減小,在采空區(qū)深部和中部較小。
對(duì)21606切頂留巷采空區(qū)進(jìn)行漏風(fēng)模擬時(shí),將進(jìn)風(fēng)巷設(shè)定為風(fēng)流入口邊界,風(fēng)流垂直于入口邊界進(jìn)入模型,風(fēng)速設(shè)定為2.78m/s。將回風(fēng)巷和切頂留巷通風(fēng)立眼設(shè)定為風(fēng)流出口邊界。解算可得采空區(qū)漏風(fēng)壓力大小和漏風(fēng)速度分布,如圖4、圖5所示。
圖4 采空區(qū)漏風(fēng)壓力分布
圖5 采空區(qū)漏風(fēng)速度流線分布
由圖4可以看出采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)壓在綜采面、上下隅角和通風(fēng)立眼附近較大,在采空區(qū)內(nèi)部較小。由圖5可以看出,切頂留巷“Y”型通風(fēng)模式下,采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速沿遠(yuǎn)離綜采面的方向明顯衰減,在采空區(qū)深部,特別是靠近補(bǔ)切眼和補(bǔ)軌道巷的地方,漏風(fēng)流速很小甚至為零。采空區(qū)漏風(fēng)路徑主要為:從下隅角進(jìn)入,經(jīng)采空區(qū)流向上隅角或通風(fēng)立眼處。
在切頂留巷采空區(qū)漏風(fēng)場(chǎng)模擬的基礎(chǔ)上,利用COMSOL模擬軟件的“多孔介質(zhì)中的稀物質(zhì)傳遞”模塊,設(shè)置采空區(qū)初始氧濃度為零、進(jìn)風(fēng)巷氧濃度Co2=9.375mol/m3。設(shè)置切頂留巷采空區(qū)內(nèi)的氧氣擴(kuò)散系數(shù)為D采o2=3e-5m2/s、封堵墻的氧氣擴(kuò)散系數(shù)為D墻o2=2e-5m2/s[15]。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行后處理,得到了21606切頂留巷采空區(qū)三維空間的氧濃度場(chǎng)演變規(guī)律,如圖6所示。
圖6 21606采空區(qū)不同高度處氧濃度分布
由圖6可以看出,21606切頂留巷采空區(qū)的底部,由于空隙率較低,采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度較小,氧氣濃度場(chǎng)趨于穩(wěn)定;但隨著空間高度的增加空隙率增大,氧氣濃度也逐漸增大。在采空區(qū)內(nèi)同一水平高度,在工作面與通風(fēng)立眼附近處氧濃度較高,這是因?yàn)楣ぷ髅媾c通風(fēng)立眼處的采空區(qū)空隙率較大,漏風(fēng)速度也相對(duì)較大,致使氧氣濃度集聚升高。
為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性和準(zhǔn)確性,結(jié)合21606切頂留巷綜采面實(shí)際情況,當(dāng)綜采面回采至300m時(shí)開(kāi)展了SF6氣體示蹤試驗(yàn)。在21606運(yùn)輸巷距離綜采面50m處(距通風(fēng)立眼350m處)連續(xù)釋放SF6氣體。在工作面、回風(fēng)巷和切頂留巷內(nèi)均勻布置測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置如圖7所示。首先將純度為99.99%的SF6氣體(30kg)一次性釋放,持續(xù)釋放30min,之后在各采樣點(diǎn)進(jìn)行氣體采樣[16]。0~5min內(nèi),每隔1min采樣一次;5~30min內(nèi),每隔5min采樣一次;30min后,每隔15min采樣一次,整個(gè)采樣時(shí)間共持續(xù)180min。
圖7 21606采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置與漏風(fēng)路徑
21606切頂留巷綜采工作面各測(cè)點(diǎn)SF6示蹤氣體采樣分析結(jié)果如圖8所示。1#測(cè)點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果反映了流向工作面和切頂留巷段的SF6氣體情況,5#、9#測(cè)點(diǎn)分別反映了回風(fēng)巷和通風(fēng)立眼處風(fēng)流流出的情況;由2#、3#、4#測(cè)點(diǎn)的SF6濃度變化規(guī)律可以看出,在30min停止釋放SF6氣體后,2#測(cè)點(diǎn)SF6氣體濃度急劇下降,3#、4#測(cè)點(diǎn)在30~40min時(shí)仍維持較高濃度SF6氣體,且只有4#測(cè)點(diǎn)SF6濃度在100min和130min時(shí)峰值出現(xiàn)波動(dòng),由此可推斷,在工作面和下隅角到4#測(cè)點(diǎn)處至少存在兩條漏風(fēng)路徑;通過(guò)對(duì)比分析6#、7#、8#、9#測(cè)點(diǎn)的SF6濃度可知,前40min內(nèi)7#、8#、9#測(cè)點(diǎn)測(cè)得SF6濃度變化規(guī)律相似,且6#測(cè)點(diǎn)測(cè)得SF6濃度遠(yuǎn)大于7#測(cè)點(diǎn),說(shuō)明切頂留巷漏風(fēng)主要集中在前半段;9#測(cè)點(diǎn)在100min和150min時(shí)出現(xiàn)兩次SF6濃度峰值,這說(shuō)明在切頂留巷存在漏風(fēng)通道使得SF6示蹤氣體通過(guò)封堵墻進(jìn)入采空區(qū)最后又匯集至通風(fēng)立眼處。
圖8 不同測(cè)點(diǎn)處SF6體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果
根據(jù)文獻(xiàn)[17]計(jì)算方法,通過(guò)計(jì)算得到SF6示蹤氣體通過(guò)21606工作面及切頂留巷后減少的質(zhì)量,計(jì)算出的漏風(fēng)率k1為6.02%。根據(jù)以上計(jì)算與分析結(jié)果可以推斷出青龍煤礦21606切頂留巷綜采面采空區(qū)漏風(fēng)的基本路徑,如圖7所示。由圖7可以看出,利用SF6示蹤氣體試驗(yàn)測(cè)出的21606采空區(qū)漏風(fēng)路徑與數(shù)值模擬出的漏風(fēng)路徑基本一致,在上下隅角以及通風(fēng)立眼處漏風(fēng)量最大。為制定工作面、上下隅角以及切頂留巷處的防漏風(fēng)措施提供了理論依據(jù)。
由漏風(fēng)模擬和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果可知,切頂留巷段漏風(fēng)量較大,特別是通風(fēng)立眼處。因此,在21606運(yùn)輸巷自切眼位置開(kāi)始300m的回采范圍內(nèi),采取砌墻并對(duì)墻體進(jìn)行噴漿的堵漏措施。切頂留巷砌墻墻體厚0.6m,為保證預(yù)留巷道的寬度,砌墻時(shí)以切縫作為參考,切縫往里200mm,切縫往外400mm。為防止墻體傾斜,砌墻時(shí)必須掏基槽,基槽深度不低于0.5m且見(jiàn)硬底,砌筑墻體時(shí)縱向橫向每隔0.8m×0.8m預(yù)埋一根錨桿,墻體外側(cè)錨桿與錨桿之間用鋼筋梯相連接,墻體內(nèi)側(cè)僅橫向連續(xù),切頂留巷墻體施工如圖9所示。
圖9 切頂留巷墻體施工
墻體施工竣工后,對(duì)砌墻段墻體噴漿,噴漿厚度不得低于100mm,對(duì)砌墻段頂板噴漿,噴漿厚度不得低于200mm,通風(fēng)立眼處漏風(fēng)量較大噴漿厚度不得低于300mm,并在墻體下方距底板300mm位置留設(shè)排水孔。墻體側(cè)初次噴漿緊跟砌墻進(jìn)度,滯后砌墻進(jìn)度不大于5m,初次噴漿厚度120mm,待留巷內(nèi)的圍巖運(yùn)動(dòng)和頂板壓力基本趨于穩(wěn)定后,再對(duì)墻體進(jìn)行復(fù)噴,復(fù)噴厚度80mm,噴漿總厚度200mm。
由模擬結(jié)果可知21606采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)主要集中在綜采面和上下隅角,因此可采取以下措施來(lái)減少采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)。
1)每當(dāng)綜采面回采30m后,在液壓支架前梁位置對(duì)綜采面頂板進(jìn)行松動(dòng)爆破,沿工作面每1.5m布置一個(gè)鉆孔,孔深為15m;孔徑50mm,配合PVC管裝藥;裝藥方式為“4+4+4+4+3+3+3+3”,共28節(jié)藥,重量8.4kg;封孔長(zhǎng)度不小于3m,如圖10所示。松動(dòng)爆破后,采空區(qū)頂板在跨采后快速垮落,以減小采空區(qū)的空隙率,從而減少向采空區(qū)的漏風(fēng)[18]。
圖10 21606綜采面切頂
2)在工作面回采過(guò)程中,及時(shí)對(duì)遺煤噴灑阻化劑,減弱采空區(qū)遺煤的氧化活性。在工作面推進(jìn)過(guò)程中,在回風(fēng)巷、上隅角處每20m砌筑一道沙袋墻,沙袋墻厚度不小于1m,并噴涂施密特防漏風(fēng)材料,如圖11所示。
圖11 噴灑阻化劑及砌筑沙袋墻
綜采面在切眼及補(bǔ)切眼處回采時(shí),所采取的防漏風(fēng)措施有:
1)工作面回采前,在底抽巷對(duì)切眼穿層條帶鉆孔進(jìn)行封堵,根據(jù)回采進(jìn)度對(duì)21606運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷中的穿層條帶鉆孔進(jìn)行及時(shí)封堵。
2)在三角煤區(qū)域及21606回風(fēng)巷沿空側(cè)全斷面噴漿,在切眼三角煤區(qū)域非采幫、補(bǔ)回風(fēng)巷三角煤區(qū)域、補(bǔ)切眼回風(fēng)隅角、回風(fēng)巷沿空側(cè)進(jìn)行噴漿堵漏,噴漿厚度大于100mm。
3)在補(bǔ)切眼三角煤區(qū)域,由于存在F54(133°∠41°H=5~10m)逆斷層,煤體破碎,為避免該區(qū)域進(jìn)入采空區(qū)后發(fā)生快速氧化,對(duì)煤體預(yù)先壓注凝膠充填孔洞,減少對(duì)煤體的漏風(fēng)供氧。
凝膠因成型時(shí)間快,常用于重點(diǎn)區(qū)域防漏風(fēng),根據(jù)壓注凝膠地點(diǎn)的漏風(fēng)強(qiáng)度和注膠距離的遠(yuǎn)近,需壓注不同配比的凝膠,從而達(dá)到預(yù)期的堵漏效果[19]。為此,通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲取了凝膠的最佳配比參數(shù),實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。
表1 凝膠配比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
在實(shí)驗(yàn)組別的2到8組,膠凝時(shí)間在7~110min之間,對(duì)不同比例下的凝膠成型時(shí)間進(jìn)行對(duì)比分析可以得出,在水與小蘇打的比例相同的情況下,增加水玻璃的量會(huì)使凝膠成型時(shí)間大大縮短。在井下進(jìn)行注凝膠時(shí),根據(jù)凝膠液體從注漿泵流到采空區(qū)的時(shí)間選擇不同的配比,以達(dá)到最好的堵漏效果。
采取以上綜合防漏風(fēng)措施,在工作面推進(jìn)到300m時(shí),經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)21606運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)量為2024m3/min,風(fēng)速為2.78m/s;回風(fēng)巷的風(fēng)量為1755m3/min,風(fēng)速為2.41m/s;因切頂留巷液壓支架較多風(fēng)阻較大,測(cè)得通風(fēng)立眼處的風(fēng)量?jī)H為145m3/min,風(fēng)速為0.22m/s。根據(jù)文獻(xiàn)[20]計(jì)算方法,計(jì)算得到21606切頂留巷綜采面漏風(fēng)率k2為6.13%,遠(yuǎn)小于其它鄰近工作面漏風(fēng)率。
通過(guò)采取以上綜合防漏風(fēng)措施,在21606工作面推進(jìn)的前300m過(guò)程中,采空區(qū)切眼預(yù)埋監(jiān)測(cè)束管經(jīng)取樣、監(jiān)測(cè)分析發(fā)現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)CO濃度始終保持在0.020‰以下,未發(fā)生CO濃度異常增加情況;安裝在21606回風(fēng)巷低負(fù)壓抽采管路上的一氧化碳傳感器監(jiān)測(cè)到最大CO濃度為0.014‰;安裝在工作面上隅角以及回風(fēng)巷的T0、T1一氧化碳傳感器監(jiān)測(cè)CO濃度均較低,未發(fā)生超限報(bào)警事故,實(shí)現(xiàn)了21606工作面的安全回采。
1)通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了青龍煤礦21606切頂留巷采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律:風(fēng)速沿遠(yuǎn)離綜采面的方向明顯衰減,在采空區(qū)深部,特別是靠近補(bǔ)切眼和補(bǔ)回風(fēng)巷的地方,漏風(fēng)流速很小甚至為零。采空區(qū)漏風(fēng)路徑主要為:從下隅角進(jìn)入,經(jīng)采空區(qū)流向上隅角或通風(fēng)立眼處。
2)針對(duì)數(shù)值模擬得到的主要漏風(fēng)區(qū)域,通過(guò)在切頂留巷及通風(fēng)立眼處采取砌墻并進(jìn)行噴漿處理、工作面進(jìn)行切頂爆破、在補(bǔ)回風(fēng)巷和回風(fēng)巷上隅角處砌筑沙袋墻、在切眼及補(bǔ)切眼處進(jìn)行噴漿和及時(shí)封堵瓦斯抽采鉆孔以及補(bǔ)充壓注凝膠等綜合措施,有效減小了21606切頂留巷采空區(qū)的漏風(fēng),降低了工作面自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)。
3)采取綜合防漏風(fēng)措施后,實(shí)際測(cè)得21606切頂留巷綜采面漏風(fēng)率為6.13%,遠(yuǎn)小于其它鄰近工作面漏風(fēng)率;在21606工作面推進(jìn)的前300m過(guò)程中,采空區(qū)內(nèi)CO濃度始終保持在0.02‰以下,未發(fā)生CO濃度異常增加情況;在回風(fēng)巷低負(fù)壓抽采管、工作面上隅角以及回風(fēng)巷處監(jiān)測(cè)CO濃度均較低,未發(fā)生超限報(bào)警事故,實(shí)現(xiàn)了21606切頂留巷綜采面的安全回采。