復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離推進(jìn)綜放工作面安全保障技術(shù)研究

1 項(xiàng)目背景

該項(xiàng)目于2020年1月通過了中國煤炭工業(yè)協(xié)會(huì)組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進(jìn)水平。

隨著礦井的開采深度及范圍不斷的擴(kuò)大，通風(fēng)網(wǎng)路的結(jié)構(gòu)日益復(fù)雜，通風(fēng)設(shè)施布局、通風(fēng)壓力的分布、內(nèi)外部漏風(fēng)等造成礦井通風(fēng)、瓦斯、煤炭自燃管理的難度越來越大，尤其是在采煤工作面的開采過程中上分層采空區(qū)的瓦斯以及本煤層采空區(qū)的瓦斯相互作用涌出下，往往給采煤工作面和礦井帶來嚴(yán)重的瓦斯、和煤炭自然發(fā)火隱患。項(xiàng)目研究于馬道頭礦主要生產(chǎn)工作面8404 面，該面煤層受輝綠巖侵入的穿插破壞，煤層受熱變質(zhì)或硅化，結(jié)構(gòu)疏松、易碎，煤質(zhì)趨于復(fù)雜化，煤層厚度大。采用綜采放頂煤生產(chǎn)時(shí)放煤量多，采空區(qū)遺煤量大，采空區(qū)空間很容易形成漏風(fēng)通道，造成遺煤自熱氧化，存在自燃火災(zāi)、上隅角低氧等隱患，嚴(yán)重威脅安全生產(chǎn)。該礦井雖然做了大量防滅火、預(yù)防上隅角低氧、通風(fēng)參數(shù)工作，但復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離綜放開采采空區(qū)自然發(fā)火防治是一個(gè)新的技術(shù)難題。因此，在原有自然火災(zāi)防治的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)、全面和深入開展8404 復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離綜放開采采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律與防滅火技術(shù)以及上隅角低氧的研究，研究采用先進(jìn)適用的理論、技術(shù)和新材料，解決采空區(qū)自然發(fā)火、上隅角低氧問題，確保工作面的安全、高效回采具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

2 研究內(nèi)容

（1）采空區(qū)遺煤動(dòng)態(tài)氧化特性及氣體分布規(guī)律研究

通過采取理論與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方式，對不同氧化階段的煤樣進(jìn)行了交叉點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)、程序升溫實(shí)驗(yàn)，對不同濃度氧氣條件下的煤氧化升溫產(chǎn)氣進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，建立了采空區(qū)浮煤自熱氧化耗氧模型、氧濃度影響耗氧速率函數(shù)模型，闡述了采空區(qū)遺煤動(dòng)態(tài)氧化特性及氣體分布規(guī)律，揭示了采空區(qū)遺煤階段氧化特性。

（2）保證工作面需風(fēng)量，滿足采空區(qū)防火風(fēng)壓的風(fēng)機(jī)選擇

通過對不同型號的局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能測試，對不同材質(zhì)、尺寸、長度的風(fēng)筒進(jìn)行風(fēng)阻測量，根據(jù)工作面需求，進(jìn)行了綜合比對，最終選取適合礦井需求的局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒；項(xiàng)目組對回采面通風(fēng)參數(shù)進(jìn)行了測試，并進(jìn)行了數(shù)值模擬，對不同風(fēng)量條件下的采空區(qū)遺煤氧化帶進(jìn)行了測試分析，最終選取了既能保證工作面需風(fēng)量，又能滿足采空區(qū)防火的風(fēng)壓，較好的協(xié)調(diào)了通風(fēng)和防火的問題。

（3）工作面合理通風(fēng)參數(shù)技術(shù)研究

結(jié)合復(fù)雜地質(zhì)條件下長距離綜放工作面實(shí)際狀況，深入開展工作面合理通風(fēng)參數(shù)技術(shù)研究，注氮方式、注氮管路鋪設(shè)方式、氮?dú)獬鰵饪趧?chuàng)新方法研究，結(jié)合漏風(fēng)封堵，通過調(diào)節(jié)工作面通風(fēng)參數(shù)，降低本工作面采空區(qū)和臨近采空區(qū)漏風(fēng)，實(shí)現(xiàn)了工作面安全回采。

3 主要研究成果

（1）揭示了采空區(qū)遺煤階段氧化特性

開展不同氧化階段煤樣的交叉點(diǎn)溫度實(shí)驗(yàn)，建立了采空區(qū)浮煤自熱氧化耗氧模型（如圖1）、氧濃度影響耗氧速率函數(shù)模型（如圖2），闡明了采空區(qū)遺煤動(dòng)態(tài)氧化特性及氣體分布規(guī)律，揭示了采空區(qū)遺煤階段氧化特性。

圖1 平均粒徑和耗氧速度擬合曲線

圖2 耗氧速率與氧濃度擬合后曲線

（2）協(xié)調(diào)了礦井通風(fēng)和防火的問題

通過對不同型號的局部通風(fēng)機(jī)進(jìn)行了風(fēng)機(jī)性能測試和不同風(fēng)筒風(fēng)阻測量（如圖3），優(yōu)選局部通風(fēng)機(jī)和風(fēng)筒；數(shù)值模擬不同風(fēng)量條件下的采空區(qū)遺煤氧化帶狀態(tài)變化，選取了能同時(shí)保證工作面需風(fēng)量和滿足采空區(qū)防火要求的通風(fēng)參數(shù)，較好地協(xié)調(diào)了通風(fēng)和防火的問題。

（3）降低了工作面采空區(qū)和臨近采空區(qū)漏風(fēng)情況優(yōu)選工作面合理通風(fēng)參數(shù)、合理注氮工藝（如圖4），結(jié)合漏風(fēng)封堵，調(diào)節(jié)工作面通風(fēng)參數(shù)，降低了工作面采空區(qū)和臨近采空區(qū)漏風(fēng)。

圖4 注氮的最優(yōu)參數(shù)

4 .應(yīng)用效果

本項(xiàng)目研究成果對煤氧化自燃進(jìn)行了分階段細(xì)化研究，提出了煤階段氧化機(jī)理，得到了煤氧化自燃的產(chǎn)氣產(chǎn)熱特性，同時(shí)結(jié)合工作面通風(fēng)對注氮防滅火方式方法進(jìn)行了創(chuàng)新改進(jìn)，對采空區(qū)防火起到了良好效果，本項(xiàng)目研究成果還能夠?qū)Σ删蚬ぷ髅嫱L(fēng)進(jìn)行解算優(yōu)化，對風(fēng)機(jī)、風(fēng)筒等進(jìn)行了選型，降低了工作面的漏風(fēng)，為礦井通風(fēng)、瓦斯、防火等提供了科學(xué)依據(jù)，保障了同煤集團(tuán)馬道頭煤礦的安全生產(chǎn)。本項(xiàng)目研究成果可應(yīng)用于全國同類條件生產(chǎn)工作面的通風(fēng)、瓦斯、火災(zāi)防治，使復(fù)雜地質(zhì)條件下（易）自燃煤層開采通風(fēng)、瓦斯與自然發(fā)火災(zāi)害協(xié)同治理更具合理性和針對性，有效遏止火災(zāi)及瓦斯重大事故的發(fā)生，保障井下作業(yè)人員的生命安全。2017～2019 年間增產(chǎn)值約10.3 億元。項(xiàng)目研究成果在大同煤集團(tuán)馬道頭礦井取得成功應(yīng)用的同時(shí)，對大同地區(qū)其他礦井，乃至對全國同類礦井的火災(zāi)防治工作具有指導(dǎo)和借鑒意義。