淺埋深中厚煤層綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分及自燃防治技術(shù)研究

馮志剛

煤礦采空區(qū)中因回采不完全而遺留下的煤炭，在滿足條件的前提下會發(fā)生自燃[1]，是威脅煤礦安全生產(chǎn)中的一大災(zāi)害[2]。作為礦井防滅火較為基礎(chǔ)的采空區(qū)自燃“三帶”劃分部分，通過采空區(qū)鋪設(shè)束管測點(diǎn)及溫度測點(diǎn)，建立回采工作面采空區(qū)三維計(jì)算模型，準(zhǔn)確劃分工作面采空區(qū)“散熱帶”、“氧化升溫帶”、“窒息帶”的寬度，明確采空區(qū)遺煤位于氧化自燃帶的時(shí)間，計(jì)算合理推進(jìn)度，提出可實(shí)行的工作面綜合防滅火技術(shù)措施[3]。

1 概況

35106 綜采工作面位于某煤礦5-2上煤層，北鄰35105采空區(qū)，南鄰35107備采工作面，西部為切眼，東鄰三采區(qū)集中輔運(yùn)巷，切眼向西為5-2上煤層與5-2煤層結(jié)合點(diǎn)，煤層埋深75.2 m～166.6 m，煤層厚度1.75 m～2.2 m，平均煤厚1.94 m，煤層傾角1°～3°。煤層的自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。工作面設(shè)計(jì)寬度294.5 m，走向長2 803 m，采高2.1 m。

2 現(xiàn)場觀測與數(shù)據(jù)分析

2.1 測點(diǎn)布置

在35106 綜采工作面膠運(yùn)順槽和回風(fēng)順槽預(yù)埋2吋鋼管各300 m，均布置3個(gè)測點(diǎn)，相鄰測點(diǎn)之間間隔50 m，采樣測溫點(diǎn)距最近測點(diǎn)間距為150 m。工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點(diǎn)布置見圖1。

圖1 采空區(qū)測點(diǎn)布置示意圖

預(yù)埋采樣束管和溫度傳感器外套2吋鋼管，各測點(diǎn)探頭外套3吋鋼管進(jìn)行保護(hù)，每根束管抽取一個(gè)測點(diǎn)的氣樣，測溫導(dǎo)線從2吋鋼管內(nèi)拉出，考慮片幫、采空區(qū)積水及頂板冒落對測點(diǎn)破壞的可能，對每個(gè)測點(diǎn)分別加工保護(hù)支管，高度1.5 m，溫度傳感器探頭在保護(hù)支管內(nèi)略高于束管進(jìn)氣口，防止抽取氣樣時(shí)高速氣流對測定溫度產(chǎn)生影響，采空區(qū)各監(jiān)測探頭內(nèi)管線布置見圖2。

圖2 采空區(qū)監(jiān)測探頭內(nèi)管線布置示意圖

2.2 實(shí)測結(jié)果及分析

隨著35106 綜采工作面的推進(jìn)，對每天的推進(jìn)度、測點(diǎn)氣體濃度變化和溫度變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，自2016年6 月13 日至7 月19 日共歷時(shí)37 天，工作面累計(jì)推進(jìn)299.5 m，其中，工作面膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)和回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)在進(jìn)入采空區(qū)后，O2濃度和溫度變化趨勢明顯，所以選擇這兩處測點(diǎn)數(shù)據(jù)作為本工作面采空區(qū)“三帶”劃分的依據(jù)。

（1）測點(diǎn)O2濃度變化分析

35106 綜采工作面膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)92.8m 左右時(shí)，O2濃度降至17.84%，隨著工作面的推進(jìn)，除部分區(qū)域受采空區(qū)漏風(fēng)影響，O2濃度間歇上升以外，總體呈持續(xù)下降的趨勢。當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)241.5m左右時(shí)，O2濃度降至6.86%。

35106 綜采工作面回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)69.8m 左右時(shí)，O2濃度降至17.83%，當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)203.9 m左右時(shí)，O2濃度下降至6.58%。

兩處測點(diǎn)O2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線，分別見圖3、圖4。

圖3 膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)O2濃度變化圖

圖4 回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)O2濃度變化圖

（2）測點(diǎn)溫度變化分析

35106綜采工作面膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)、回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)分別處于進(jìn)、回風(fēng)隅角時(shí)，回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)溫度略高于膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)的溫度。隨著測點(diǎn)逐漸深入采空區(qū)，測點(diǎn)溫度整體呈先上升后下降的趨勢，這是因?yàn)楫?dāng)測點(diǎn)進(jìn)入氧化升溫帶后，風(fēng)流不能帶走煤氧復(fù)合反應(yīng)產(chǎn)生的全部熱量，此時(shí)熱量得到集聚，測點(diǎn)溫度呈上升的趨勢；當(dāng)測點(diǎn)進(jìn)入窒息帶后，氧氣濃度下降到無法維持采空區(qū)遺煤氧化自燃持續(xù)發(fā)展的程度，此時(shí)測點(diǎn)溫度整體呈下降的趨勢。

兩處測點(diǎn)溫度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線，分別見圖5、圖6。

圖5 膠運(yùn)順槽1#測點(diǎn)溫度變化圖

圖6 回風(fēng)順槽4#測點(diǎn)溫度變化圖

3 采空區(qū)漏風(fēng)流場數(shù)值模擬

通過建立某煤礦35106 綜采工作面采空區(qū)三維計(jì)算模型，依據(jù)現(xiàn)場實(shí)際，規(guī)范邊界條件并精簡計(jì)算模型，采用氣體滲流方法進(jìn)行計(jì)算求解，掌握采空區(qū)滲流速度場和氧濃度場的分布規(guī)律。

3.1 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

建立35106 綜采工作面采空區(qū)三維計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)是浮煤層網(wǎng)格步長劃分為0.5 m，巖石層網(wǎng)格步長劃分為1 m，設(shè)定工作面傾向方向X 軸，采空區(qū)高度方向?yàn)閅軸，工作面走向方向?yàn)閆軸。

3.2 邊界條件設(shè)定

35106 綜采工作面采空區(qū)氣體滲流模型的邊界條件，包括膠運(yùn)順槽、回風(fēng)順槽內(nèi)風(fēng)流的速度、氣體濃度及其巷道斷面參數(shù)等。（1）壁面上漏風(fēng)強(qiáng)度Qˉ=0；（2）膠運(yùn)順槽邊界設(shè)定為速度入口，距工作面前方10 m 處風(fēng)速平均約為0.90 m/s，入口氣體為標(biāo)準(zhǔn)空氣；回風(fēng)順槽設(shè)定為自由出流。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

基于上述采空區(qū)計(jì)算模型的建立，運(yùn)用ANSYS FLUENT 16.2 數(shù)值模擬了某煤礦35106 綜采工作面采空區(qū)氧濃度場和滲流速度場的分布規(guī)律。

（1）采空區(qū)氧濃度場數(shù)值模擬

工作面采空區(qū)氧濃度場數(shù)值模擬結(jié)果，見圖7。

圖7 工作面距煤層底板1m平面上采空區(qū)氧濃度分布圖

膠運(yùn)順槽側(cè)在距工作面90 m 左右氧濃度大于18%，在90m 之后隨著采空區(qū)深度的增加氧濃度迅速降低，當(dāng)距工作面240 m 左右時(shí)氧濃度降至7%以下；回風(fēng)順槽側(cè)在距工作面70 m 左右氧濃度大于18%，當(dāng)距工作面200 m左右時(shí)氧濃度降至7%以下。

（2）采空區(qū)滲流速度場數(shù)值模擬

工作面采空區(qū)滲流速度場數(shù)值模擬結(jié)果，見圖8。

圖8 工作面距煤層底板1m平面上采空區(qū)滲流速度分布圖

滲流速度在進(jìn)、回風(fēng)隅角較大，由于工作面采用抽出式通風(fēng)方法，進(jìn)、回風(fēng)隅角漏風(fēng)比較嚴(yán)重。

4 采空區(qū)自燃“三帶”分布及安全推進(jìn)速度

4.1 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)35106 綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標(biāo)測試結(jié)果，以氧氣濃度7%～18%作為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分的依據(jù)。

35106綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，見表1。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

根據(jù)數(shù)據(jù)可以確定數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測存在差異但范圍接近，分析其原因是由于該工作面采空區(qū)受地表漏風(fēng)影響。

35106 綜采工作面采空區(qū)膠運(yùn)順槽側(cè)氧化升溫帶較寬，為148.7 m；回風(fēng)順槽側(cè)較窄，為134.1 m。

4.2 工作面安全推進(jìn)速度

根據(jù)某煤礦5-2上煤層最短自然發(fā)火期（τ）和35106綜采工作面采空區(qū)氧化帶寬度（Lmax），可推算出最小安全推進(jìn)速度：

工作面最小安全推進(jìn)速度為4.65 m/d，當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)沒有自然發(fā)火的危險(xiǎn)；若工作面連續(xù)超過32 天平均推進(jìn)速度小于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

5 采空區(qū)自然發(fā)火防治措施

某煤礦5-2上煤屬于Ⅰ類容易自燃煤層，工作面采空區(qū)均有遺煤自然發(fā)火的可能性，同時(shí)通過采用SF6示蹤氣體測漏風(fēng)分析的數(shù)據(jù)計(jì)算出35106 綜采工作面地表可能的漏風(fēng)風(fēng)速約為22 m/min～30 m/min。結(jié)合某煤礦現(xiàn)場實(shí)際，確定了以注漿為主，結(jié)合注氮、井上下堵漏等綜合防治措施。

5.1 注漿滅火技術(shù)措施

預(yù)防性注漿能有效封堵漏風(fēng)通道、惰化遺煤，且時(shí)效較長。注漿區(qū)域包括工作面切眼、回撤通道及兩巷距切眼和回撤通道長各300 m、寬各6 m范圍。

隨著回采工作面推進(jìn)向采空區(qū)埋設(shè)注漿管路進(jìn)行注漿，以充填采空區(qū)空隙，覆蓋采空區(qū)遺煤，防止采空區(qū)遺煤自燃。注漿步距確定為50 m，在工作面回采過程中，當(dāng)推進(jìn)速度大于工作面最小安全推進(jìn)速度時(shí)，可不采取注漿防滅火措施。若出現(xiàn)自然發(fā)火征兆，及時(shí)向采空區(qū)注漿，直至自然發(fā)火征兆消除為止。采空區(qū)注漿重點(diǎn)區(qū)域見圖9。

圖9 采空區(qū)注漿重點(diǎn)區(qū)域示意圖

5.2 注氮防滅火措施

采空區(qū)注入惰性氣體后，可對采空區(qū)三維立體空間進(jìn)行惰化，沖淡遺煤與氧氣的接觸，使煤體對氧氣的吸附量降低，在很大程度上抑制或減緩遺煤的氧化速度，從而可預(yù)防采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

當(dāng)本工作面采空區(qū)O2濃度大于7%時(shí)，可采用注氮防滅火措施。注氮位置應(yīng)根據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”和漏風(fēng)區(qū)域選擇，將制氮機(jī)安裝在工作面膠運(yùn)順槽內(nèi)實(shí)施注氮，沿工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)注氮管路，注氮主管路選擇φ 159 mm管徑，采空區(qū)埋設(shè)管路選擇φ 109 mm管徑。

5.3 堵漏防滅火措施

對回采工作面地表的裂隙進(jìn)行排查，重點(diǎn)對“兩道兩線”采動裂隙“O”形圈區(qū)域進(jìn)行排查，及時(shí)回填地表裂隙，避免地表向采空區(qū)漏風(fēng)。加強(qiáng)密閉的施工質(zhì)量，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，對密閉及周圍巷道圍巖進(jìn)行全面噴漿堵漏，防止漏風(fēng)，同時(shí)還要監(jiān)測密閉漏風(fēng)情況，定期進(jìn)行壓差測定工作。

6 結(jié)論

（1）現(xiàn)場觀測劃分的采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍與數(shù)值模擬結(jié)果基本一致，35106綜采工作面氧化升溫帶范圍為膠運(yùn)順槽側(cè)92.8 m～241.5 m、回風(fēng)順槽側(cè)69.8 m～203.9 m，最小安全推進(jìn)速度為4.65 m/d；

（2）根據(jù)某煤礦現(xiàn)場實(shí)際，綜合分析采空區(qū)自然發(fā)火影響因素，提出了以注漿為主、結(jié)合采空區(qū)注氮和井上下堵漏等綜合防治措施，為工作面的安全、高效回采提供技術(shù)支持，并對同一煤層的類似工作面預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火具有指導(dǎo)意義。