高常華 王成穩(wěn)

（山東新河礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 272000）

隨著采煤深度的增加，頂板的壓力也在增加。地壓高時，煤柱容易被壓碎，煤的氧化作用加強(qiáng)，極易發(fā)生采空區(qū)災(zāi)害事故。為解決這一難題，劃分采空區(qū)自燃“三帶”成為防治煤自燃的重點(diǎn)研究內(nèi)容[1-2]。以新河煤礦7312 工作面為背景，通過現(xiàn)場測量，并利用數(shù)值模擬與之結(jié)合，對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行確定，并實(shí)施了針對性的火災(zāi)防治技術(shù)方案，確保了開采安全。

1 礦井概況

新河礦業(yè)位于濟(jì)寧煤田西南部，新河煤礦地勢平坦，東北方向高，西南方向略低。本區(qū)屬構(gòu)造中等井田，區(qū)內(nèi)褶曲發(fā)育，以向斜構(gòu)造為主，規(guī)模較小。7312 工作面屬新河礦業(yè)3 煤層，全區(qū)厚度為4.15～10 m，巖層傾角在20°左右，煤的類型為氣煤。工作面為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為40 d，走向長度為675 m，傾斜長100 m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機(jī)械化放頂煤回采工藝組織回采。

2 7312 工作面采空區(qū)三帶分布

2.1 測點(diǎn)布置

對于7312 工作面采空區(qū)“三帶”的觀測，氣體由溫度傳感器和束管進(jìn)行綜合監(jiān)測，進(jìn)風(fēng)道和回風(fēng)道分別布置了三條通路，設(shè)有兩條監(jiān)控管線，每個監(jiān)測點(diǎn)將安裝一個溫度傳感器和束管裝置。測點(diǎn)布置如圖1。

圖1 新河煤礦7312 工作面采空區(qū)“三帶”觀測管路布置圖（m）

在“三帶”觀測的過程中摒棄手動抽氣的方法，選用便攜式的氣體采集儀采集氣樣。

2.2 觀測結(jié)果分析

當(dāng)前我國對采空區(qū)“三帶”的劃分多以O(shè)2濃度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，分別對采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、中間位置、回風(fēng)側(cè)的O2濃度進(jìn)行分析。1#測點(diǎn)僅在推進(jìn)進(jìn)尺9.4 m 處測得O2濃度為20.87%，測點(diǎn)1#-7#的O2變化情況如圖2。

圖2 1#-7#的O2 變化情況

由圖2 可知，隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)中部3#、5#測點(diǎn)的O2濃度起伏趨勢較為明顯，但整體未呈現(xiàn)下降趨勢，并且在整個推進(jìn)過程中采空區(qū)中部O2濃度始終大于18%，因此采空區(qū)中部始終處于散熱帶范圍。這是由于3#、4#測點(diǎn)位于工作面采空區(qū)中部，頂板相對破碎，工作面推過后采空區(qū)未壓實(shí)，使得漏風(fēng)通道較多，此處空間得到了氧氣補(bǔ)充。

根據(jù)以上對新河煤礦7312 煤層采空區(qū)不同區(qū)域溫度及O2實(shí)測數(shù)據(jù)分析，得出當(dāng)7312 工作面面長在110 m 左右、采高為3.5 m 時，采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律見表1 和圖3。

表1 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

圖3 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布示意圖

2.3 數(shù)值模擬分析

在對現(xiàn)場測定的基礎(chǔ)上，運(yùn)用FLUENT 模擬軟件，對采空區(qū)內(nèi)部流場、氣體濃度等進(jìn)行計(jì)算，以期與測定結(jié)果相互驗(yàn)證，準(zhǔn)確劃分氧化“三帶”范圍。

根據(jù)新河煤礦7312 工作面的基本參數(shù)，建立了采空區(qū)模型。工作面的入口定義為速度入口，邊界條件為速度入口，回風(fēng)巷道定義為自由出口，工作面和采空區(qū)間的兩個面被設(shè)置為內(nèi)部交界面，整個3D 模型被設(shè)置為流體區(qū)域，采空區(qū)視為多孔介質(zhì)[5]。

由圖4 可知，采空區(qū)內(nèi)部氧氣的分布規(guī)律受風(fēng)流運(yùn)移的影響，采空區(qū)整體氧氣濃度回風(fēng)側(cè)明顯小于進(jìn)風(fēng)側(cè)，沿工作面推進(jìn)方向看，采空區(qū)中部和深部氧氣濃度在逐漸降低。由于空氣經(jīng)過沿途耗氧以及動量損失回到回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度明顯降低?；仫L(fēng)側(cè)氧氣濃度隨著向采空區(qū)深部的不斷延伸，呈現(xiàn)不斷衰減的趨勢。氧氣濃度“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)：氧化帶8%～18%，散熱帶大于18%，窒息帶小于8%。

圖4 采空區(qū)氧氣濃度分布

對7312 煤層進(jìn)行采空區(qū)三帶分布的數(shù)值模擬，分布規(guī)律如下：進(jìn)風(fēng)側(cè)，散熱帶0～10 m，氧化升溫帶10～31.4 m，其余為窒息帶；采空區(qū)，散熱帶0～14.1 m，氧化升溫帶14.1～39.7 m，其余為窒息帶；回風(fēng)側(cè)，散熱帶0～13.9 m，氧化升溫帶13.9～38.3 m，其余為窒息帶。如圖5 和表2，經(jīng)過對比，新河煤礦7312 工作面采空區(qū)三帶分布規(guī)律模擬結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果基本一致。

圖5 采空區(qū)自燃“三帶”分布

表2 7312 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布對比

3 工作面自燃火災(zāi)預(yù)防及自燃火區(qū)快速處理技術(shù)

3.1 安全監(jiān)測監(jiān)控

為了及時準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報工作面及采空區(qū)的自然發(fā)火隱患，新河煤礦建立了完善的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了井下環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測和相關(guān)設(shè)備的閉鎖控制。

（1）安全監(jiān)控系統(tǒng)

新河煤礦根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》要求，安裝了KJ76X 安全監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備完善的安全監(jiān)測、生產(chǎn)監(jiān)控及管理功能，能夠?qū)θV井下環(huán)境參數(shù)及生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時數(shù)據(jù)采集和記錄，對井下與安全生產(chǎn)相關(guān)的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，確保人員及設(shè)備的安全。

（2）束管監(jiān)測系統(tǒng)

新河煤礦安裝有KSS-200 型束管監(jiān)測系統(tǒng)，以該系統(tǒng)為自然發(fā)火監(jiān)測的主要手段，對井下空氣中O2、CO、CO2、N2、CH4等氣體含量定時巡回監(jiān)測。

監(jiān)測點(diǎn)布置：在采煤工作面風(fēng)流布置一個測點(diǎn)，距煤壁10～15 m 范圍內(nèi)；采煤工作面回風(fēng)隅角：布置一個測點(diǎn)，在工作面切頂線外側(cè)1 m 范圍內(nèi)。

（3）采樣分析

測點(diǎn)布置：采煤工作面，采煤工作面進(jìn)、回風(fēng)隅角，回風(fēng)流。

監(jiān)測手法：用CO 測定器，檢測測點(diǎn)的CO 濃度；用紅外線測溫儀測定密閉墻表面溫度。由檢查員負(fù)責(zé)監(jiān)測，一周一次采樣分析；采煤工作面、采煤工作面回風(fēng)隅角等由檢查員每天進(jìn)行采樣分析；以上氣樣利用氣相色譜儀分析，判斷自然發(fā)火危險性。

3.2 工作面自燃火災(zāi)預(yù)控技術(shù)

（1）注氮防滅火

氮?dú)庾鳛槎栊詺怏w，既可用作預(yù)防性注氮，也用作滅火性注氮。目前國內(nèi)煤礦采用的氮?dú)夥罍缁鹣到y(tǒng)有地面固定式、地面移動式、井下固定式和井下移動式四種制氮裝置防滅火系統(tǒng)。

井下固定式和井下移動式與地面固定式和地面移動式相比具有機(jī)動性強(qiáng)、出氮快及生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)。而井下移動式與井下固定式相比具有輸?shù)苈范獭C(jī)動靈活和使用方便等特點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)采用井下移動式制氮裝置系統(tǒng)。

（2）灌漿防滅火

工作面正常回采期間進(jìn)行預(yù)防性灌漿，新河礦業(yè)在工業(yè)廣場安裝一套地面固定式膠體防滅火系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由儲存罐、螺桿輸送機(jī)、膠體制備機(jī)、輸漿管網(wǎng)等部分構(gòu)成。

（3）注凝膠防滅火

凝膠滅火技術(shù)集堵塞、冷卻和耐化學(xué)性能于一體，對解決灌漿和注水泄漏問題具有積極作用。工藝流程及相關(guān)設(shè)備適應(yīng)井下有限空間等實(shí)際條件，為滅火的基本技術(shù)之一。

3.3 采空區(qū)自燃火區(qū)快速處理技術(shù)

當(dāng)綜采工作面推進(jìn)速度較慢時，一旦采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)，按照《煤礦安全規(guī)程》中的有關(guān)規(guī)定，迅速做好滅火工作。

（1）近距離采空區(qū)自燃滅火方案

若火區(qū)靠近生產(chǎn)區(qū)，應(yīng)將火區(qū)撲滅或直接隔離，防止火區(qū)通過煤屑或煤柱向礦井蔓延。① 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，判定火區(qū)的位置及范圍；② 用水控制火勢；③ 布置注膠鉆孔注凝膠。

（2）遠(yuǎn)距離采空區(qū)自燃滅火方案

① 加快工作面推進(jìn)速度；② 采用沙袋充填上順槽采空區(qū)巷道，建立隔離墻；③ 采用均壓通風(fēng)技術(shù)，減小向采空區(qū)漏風(fēng)[6]。

4 結(jié)論

（1）對新河煤礦7312 工作面采空區(qū)進(jìn)行氣體監(jiān)測，得到采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的變化規(guī)律，進(jìn)行了自燃“三帶”分布：散熱帶（0～12.7 m），氧化升溫帶（12.7～39.7 m），其余為窒息帶。

（2）對7312 工作面采空區(qū)進(jìn)行FLUENT 數(shù)值模擬，得出7312 工作面采空區(qū)氧化帶為10～37.5 m，與觀測結(jié)果基本一致。

（3）利用安全監(jiān)控、束管監(jiān)控和人工檢測相結(jié)合的方式，監(jiān)控工作面煤自燃的情況；注氮、注漿、注膠防滅火技術(shù)相結(jié)合，形成7312 工作面自燃火災(zāi)預(yù)控及快速處理體系。