采空區(qū)煤自燃防控技術創(chuàng)新對綜放面臨時停采的影響研究

摘 要：綜放開采工藝下采空區(qū)遺煤自燃危險性突出，在工作面需要臨時停采時采空區(qū)煤自燃防控顯的尤為重要。以王洼二礦115032綜放面為工程背景，通過實驗得到煤自燃極限參數，結合現(xiàn)場采空區(qū)浮煤厚度、氧氣濃度和漏風強度的分布，確定煤自燃危險區(qū)域分布，最終制定出綜放面臨時停采防火措施。結果表明，115032綜放面煤最短自然發(fā)火期為22 d，得到了極限浮煤厚度、下限氧濃度及上限漏風強度的變化規(guī)律，浮煤厚度在40 ℃時出現(xiàn)極大值，浮煤厚度為0.35 m，溫度在40 ℃時，下限氧濃度值為25.42%，上限漏風強度為負值，此時煤是不會發(fā)生蓄熱自燃；明確了綜放面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍，散熱帶距工作面3～18 m以內，窒息帶距工作面73～105 m以上，氧化升溫帶位于散熱帶及窒息帶之間；當工作面臨時停采時，結合采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，在臨時封閉前、臨時封閉期間及臨時封閉后采取了針對性的防火措施?，F(xiàn)場實踐結果表明，115032綜放面回風巷、上隅角與采空區(qū)氧氣濃度均保持較低濃度，臨時密閉的防火措施取得很好效果，為相似工作面采空區(qū)煤自燃防控提供理論、實驗與技術借鑒。

關鍵詞：綜放開采；煤自燃；三帶；臨時停采；防火

中圖分類號：TD 752.2 文獻標識碼：A 文章編號：1672-7312（2023）03-0349-07

The Influence of Technology Innovation of Coal Spontaneous Combustion Prevention and Control on Stoppage of Fully Mechanized Caving in Goaf

MA Teng1，2

（1.School of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Post-Doctoral Research Center of Mining Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The risk of spontaneous combustion of coal in goaf is prominent under fully mechanized caving mining technology.The prevention and control of spontaneous combustion of coal in goaf is particularly important when the working face needs temporary stoping.Based on the engineering background of 115032 fully mechanized caving face of Wangwa No.2 Mine，the limit parameters of coal spontaneous combustion are obtained by experiments.Combined with the distribution of floating coal thickness，oxygen concentration and air leakage intensity in the goaf，the distribution of coal spontaneous combustion danger area is determined，and finally the temporary stop-mining fire prevention measures are worked out.The results show that the minimum spontaneous ignition period of 115032 fully mechanized caving face coal is 22 days，and the variation rules of ultimate floating coal thickness，lower limit oxygen concentration and upper limit air leakage intensity are obtained.The maximum value of floating coal thickness occurs at 40 ℃.When the thickness of float coal is 0.35 m and the temperature is 40 ℃，the lower limit oxygen concentration value is 25.42% and the upper limit air leakage intensity is negative，the coal will not generate heat storage spontaneous combustion.“Three zones” of spontaneous combustion of coal in fully mechanized caving face are defined.The dispersion zone is within 3～18 m from the working face，the asphyxiation zone is above 73～105 m from the working face，and the oxidation heating zone is between the dispersion zone and the asphyxiation zone.When the working face stops mining temporarily，the targeted fire prevention measures are taken in each stage of temporary closure according to the coal spontaneous combustion danger area in the goaf.The field results show that the oxygen concentration in the air return roadway，upper corner and goaf of 115032 fully mechanized caving face maintains a low concentration.The temporary closed fire prevention measures have achieved good results，providing theoretical，experimental and technical reference for the prevention and control of spontaneous combustion of coal in similar working face.

Key words：fully mechanized caving mining；coal spontaneous combustion；three zones；temporary stoppage；fire prevention.

0 引言

我國能源資源稟賦特點為富煤、貧油與少氣，安全可靠的能源供應事關我國現(xiàn)代化建設全局，在短期內煤炭仍然為我國主導能源和重要戰(zhàn)略材料[1-2]。我國90%以上開采煤層自燃傾向性均為易自燃或自燃，煤自燃火災嚴重威脅井下煤炭的安全開采與工人的生命健康[3-4]。煤礦開采方式是影響煤炭自燃的主要因素之一，其中綜放開采煤自燃危險性尤為突出[5]。煤層選擇綜放開采時，兩巷頂煤放出率較低，采空區(qū)兩道留有較大遺煤量。同時，綜放開采加劇了采空區(qū)的漏風，為采空區(qū)遺煤提供了持續(xù)供氧環(huán)境，遺煤自燃危險性增加，嚴重威脅工作面安全高效生產[6-8]。國家礦山安全監(jiān)察局為深入貫徹習近平總書記關于安全生產和應急管理的重要論述，2021年印發(fā)最新的《煤礦防滅火細則》，規(guī)定在開采容易自燃和自燃煤層時，必須制定防治采空區(qū)自然發(fā)火的技術措施。

掌握采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布規(guī)律是煤自燃防控的前提，準確判定工作面開采過程中采空區(qū)自燃“三帶”分布特征對井下煤自然發(fā)火預防至關重要[9-12]。諸多學者在采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域進行了大量研究，主要依據采氧濃度、漏風風速及溫度上升速率，將采空區(qū)自燃“三帶”分為自燃帶、氧化升溫帶與窒息帶。李宗翔等將采空區(qū)氧濃度擴散方程進行計算求解，闡明氧濃度空間分布規(guī)律，得到了采空區(qū)煤自燃氧化升溫帶范圍[13]。曹鏡清等現(xiàn)場布置束管及溫度檢測裝置，通過每天檢測采空區(qū)一氧化碳、氧氣及溫度數據，結合氧氣濃度及升溫速率曲線，劃分了采空區(qū)煤自燃“三帶”[14]。徐宇等基于連續(xù)性方程、動量方程、能量方程和濃度方程建立采空區(qū)多物理場耦合模型，分析了采空區(qū)氧氣和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，得到了采空區(qū)復合致災隱患區(qū)域[15]。物理相似模擬在一定程度上能夠還原井下采空區(qū)實際條件，基于大型煤自然發(fā)火實驗平臺能夠較為真實地反映煤自燃發(fā)火過程，為采空區(qū)確定煤自燃危險區(qū)域提供新途徑。

為此，以王洼二礦115032綜放工作面為研究對象，采用大型煤自然發(fā)火實驗臺得到煤自燃極限參數，結合現(xiàn)場觀測數據，劃出綜放面采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，并應用綜合防滅火技術對綜放面臨時停采期間煤自燃進行防治，以期為綜放工藝下采空區(qū)煤自燃災害防控提供理論指導。

1 工作面概況及研究方法

1.1 工作面概況

王洼二礦5號煤層為特厚煤層，上分層115031面為綜采方法，采高為3.3 m，在支架掩護梁下鋪設雙層機織經緯網做下分層115032工作面的假頂。下分層115032面采用放頂煤采煤方法，采高為3.3 m，放2.2 m，工作面南北走向長1 460 m，東西傾斜長189 m，工作面在0～1 000 m為西東傾向，煤層傾角為5°～28°，由于受F7斷層影響造成工作面1 000～1 460 m范圍內煤層傾向發(fā)生變化，由傾向西東變?yōu)閮A向東西，傾角為5°～12°，采用U型后退式通風。以王洼二礦下分層115032綜放面為研究背景，其空間分布如圖1所示。

1.2 大型煤自然發(fā)火實驗

通過“XK-Ⅶ”大型煤自然發(fā)火實驗臺，將王洼二礦115032綜放面的煤樣進行實驗。爐內共布置了131個熱敏電阻測溫探頭和40個氣體采樣點，測點位置分布采用笛卡爾坐標系，以爐體中軸線為原點，東南西北為徑向，每隔0.2 m進行布置。采集綜放面2.0 t塊煤，將煤樣進行密封處理并運抵實驗室。通過鄂式破碎機進行破碎塊煤，然后將破碎煤樣裝入實驗爐，先通入干空氣，最后開始進行模擬煤自燃實驗。

1.3 現(xiàn)場數據采集

現(xiàn)場在進﹑回風側各布置3個觀測點間隔為35 m，觀測束管外側用2寸鋼管作為保護措施，為了防止采空區(qū)積水與煤體垮落堵塞擠壓探頭，對探頭處抬高1.5 m。隨著工作面回采，每日采用負壓抽氣泵抽氣注入球形氣囊，并將氣囊在地面氣相色譜檢測分析，同時記錄工作面日推進度。

2 結果及討論

2.1 煤自然發(fā)火極限參數

王洼二礦115032綜放面煤在實驗爐內煤溫從28.3? ℃開始升溫，經過一段時間氧化后，煤溫升到170 ℃時實驗停止，實驗得到王洼二礦綜放面煤樣的最短自然發(fā)火期為20 d，按照礦井實際25 ℃來計算混合煤樣的實際最短自然發(fā)火期為22 d。在實驗過程中，煤自燃受到浮煤厚度、氧濃度及漏風強度因素的制約，井下采空區(qū)需要滿足煤自燃極限參數，才會出現(xiàn)煤自然發(fā)火現(xiàn)象。

2.1.1 極限浮煤厚度

當堆積浮煤的厚度低于某個值時，其浮煤自身產生的熱量剛好都被散失，該值就是最小浮煤厚度。在采空區(qū)現(xiàn)場，最小浮煤厚度主要受浮煤放熱強度、漏風強度和煤巖溫度3個因素的影響，而現(xiàn)場這3個條件均為定值，所以最小浮煤厚度為一個確定值，計算見式（1）[16]。

式中：hmin為最小浮煤厚度，m；Tc為煤體溫度，℃；Ty為巖體溫度，℃；q（Tc）為煤溫為Tc時的煤體放熱強度，J·s-1·cm-3。

根據實驗測算出的數據代入公式（1），得到不同溫度、漏風強度下30～170 ℃時的115032綜放面煤的最小浮煤厚度值如圖2所示。

由圖2可知，隨著115032綜放面煤的漏風強度逐漸增大時，煤樣產生的熱量被風量帶走，煤達不到蓄熱條件。若要蓄熱自燃就要求極限浮煤厚度相應增大，而綜放面煤的浮煤厚度在40 ℃時出現(xiàn)了極大值，表明115032綜放面煤溫超過40 ℃后，隨著遺煤溫度升高，最小浮煤厚度逐漸減小。

2.1.2 下限氧濃度

氧氣是煤自燃一個重要的因素，一般氧氣濃度越大，煤氧復合反應越強烈，放熱強度也相應變大，當氧氣濃度低于某個極值時，松散煤體與氧氣反應產生的熱量等于煤體散發(fā)的熱量時，這個值就被稱為下限氧濃度。在現(xiàn)場采空區(qū)實際情況下，影響下限氧濃度的參數均為定值，所以現(xiàn)場采空區(qū)浮煤的下限氧濃度為一個確定值，見式（2）[16]。

式中：Cmin為下限氧濃度，%；C0為新鮮分流中氧的濃度，C0=21%。根據實驗測算出的結果代入式（2），可得出煤體溫度為30～170 ℃時115032綜放面煤的下限氧濃度值如圖3所示。

從圖3中可知，當115032綜放面煤的浮煤逐漸增厚時，浮煤更易于蓄熱，所需氧氣濃度就變小。煤樣的浮煤厚度在0.35 m，浮煤溫度在40 ℃時候，下限氧濃度值為25.42%，高于空氣中21%的氧濃度，遺煤不具備自燃條件。但煤溫超過40 ℃時，隨著煤溫升高，下限氧濃度值逐漸降低。

2.1.3 上限漏風強度

對于固定厚度的松散煤體，當漏風強度達到某個極值時，其浮煤自身產生的熱量剛都被風流散失，這個值稱為上限漏風強度。在現(xiàn)場采空區(qū)實際情況下，影響上限漏風強度的參數為定值，所以現(xiàn)場采空區(qū)浮煤的下限氧濃度為一個確定值，計算式見式（3）[16]。

根據實驗測算出的結果代入式（3），可得出煤體溫度為30～170 ℃時115032綜放面煤的上限漏風強度值如圖4所示。

從圖4中可知，隨著115032綜放面煤樣的浮煤逐漸增厚，上限漏風強度成增加趨勢。煤樣的浮煤厚度為0.35 m，煤溫30 ℃及40 ℃時，上限漏風強度出現(xiàn)負值，表明煤的復合反應產生的熱量全都被風流散失，浮煤不會發(fā)生蓄熱升溫而發(fā)生自燃。115032綜放面煤溫在40 ℃時，上限漏風強度值最小。

2.2 現(xiàn)場數據觀測結果

2.2.1 工作面浮煤厚度分布

采空區(qū)松散煤體堆積到一定浮煤厚度，在合適的漏風強度時，采空區(qū)遺煤有充足的氧氣供應，同時沒有帶走過多的熱量，達到蓄熱環(huán)境，引發(fā)煤自然發(fā)火。115032綜放面采空區(qū)浮煤分布復雜，不能準確測量到具體浮煤厚度，只能通過間接推算出浮煤分布情況。通過測試煤層頂煤厚度，每天推進速度、工作面長度及出煤量，計算出115032綜放面采空區(qū)浮煤量。115032綜放面采空區(qū)浮煤厚度分布如圖5所示。

2.2.2 采空區(qū)氧氣濃度分布

根據115032綜放面進、回風巷的氣體及推進速度數據，繪制出115032綜放面采空區(qū)O2與CO濃度的變化情況如圖6所示。

由圖6可知，隨著115032綜放工作面回采，進、回風巷束管觀測點埋入采空區(qū)的深度不斷加深，觀測到的O2濃度整體呈現(xiàn)不斷下降趨勢，CO濃度變化趨勢為先上升后下降。在進風側的束管觀測點進入采空區(qū)30 m時，O2濃度為18%，CO濃度開始緩慢增加，當監(jiān)測點進入采空區(qū)75 m時，CO濃度達到峰值，隨后開始下降，當測點氧氣濃度低于4%時，進風側停止觀測。在回風側的觀測點進去采空區(qū)20m時，O2濃度從21%降至18%，隨著檢測點進入采空區(qū)42 m時，CO濃度從逐漸上升轉為下降，在氧氣濃度為4%時，停止了氣體觀測。從進、回風側O2及CO濃度變化規(guī)律，可知115032綜放面采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域程度不同。

2.2.3 采空區(qū)漏風強度分布規(guī)律

采用氧氣濃度測算法反推漏風強度，當松散煤體內漏風強度恒定不變時，可求出漏風強度與氧濃度關系[16]。

從圖8可以看出，115032綜放面采空區(qū)散熱帶的分布范圍在采空區(qū)內距離工作面3～18 m，在采空區(qū)進風側處由于漏風相對較大，散熱帶范圍相對較深，回風側由于漏風較少，散熱帶較淺。窒息帶在距離工作面73～105 m以上的采空區(qū)深部，在回風側窒息帶的深度相對較淺，約為73 m，在進風順槽窒息帶的深度相對較深，可達105 m左右。氧化升溫帶位于散熱帶及窒息帶之間，即煤自燃危險區(qū)域。

3 綜放面臨時停采煤自燃防火技術

在回采遇到斷層、設備故障或其他特殊原因，工作面需要臨時停采時，需要做好防治臨時停采期間煤自然發(fā)火。針對115032綜放面采空區(qū)煤自燃分布規(guī)律，采取的具體防治措施如下。

3.1 臨時封閉前

根據115032綜放面采空區(qū)煤自燃“三帶”分布情況，在工作面停采前20 m時，開始進行臨時封閉前煤自燃預防措施。首先，在回風巷上隅角處鋪設注漿管路，在進風巷隅角處鋪設注漿和注氮管路，分別將注氮和注漿管路出口抬高1 m，并進行加固與保護。然后，在回風巷上隅角鋪設束管觀測管路，采用鋼管保護束管且抬高距離地面2 m，防治采空區(qū)水或者漿液影響束管數據采集。最后，在進、回側隅角距離注氮、注漿及觀測口1 m的位置，分別采用黃土沙袋進行構筑隔離帶，隔離帶高低緊接頂板及底板，左右緊靠煤柱及支架側幫，起到防治漿液外溢及漏風作用。臨時密閉前的防火施工布置如圖9所示。

3.2 臨時封閉期間

當工作面停采時，進行臨時封閉期間的防滅火措施。首先在上、下隅角處構筑隔離帶，實施方法及材料與臨時封閉前的隔離帶相同，起到堵漏風作用，同時在上隅角及回風巷布置觀測束管。其次在進風巷距離工作面100 m處，巷道頂底板結構穩(wěn)定、無片幫及漏頂等現(xiàn)象，采用沙袋、磚塊等不燃性材料構筑密閉墻。再次在下巷密閉墻構筑完成后，開啟局部通風機，計算得到該巷道通風最低風量不低于225 m3/min。從次，在回風巷距離工作面100 m處，采用進風巷相同的方法構筑一道密閉墻。最后通過預埋的注漿與注氮管，進行注漿及注氮降低采空區(qū)氧氣濃度。黃泥稠化膠體配比為黃泥與水的比例為1∶1～1∶4，漿液中懸浮劑的添加量為1‰～5‰（質量比），壓注黃泥稠化膠體量為400～500 m3。氮氣純度不小于98%，連續(xù)壓注24? h。施工布置如圖10所示。

3.3 臨時封閉后

針對115032綜放面采空區(qū)遺煤易自燃的情況，需加強對臨時密閉內指標氣體濃度進行實時觀測。因此，安排專班人員每天對3條預埋束管觀測點進行氣體觀測，制作各類指標氣體隨時間變化的動態(tài)圖，一旦發(fā)現(xiàn)異常，開始加強氣體觀測頻率，及時開啟防火措施，達到抑制采空區(qū)遺煤自燃的目的。

3.4 臨時密閉防火效果

在臨時密閉期間，對115032綜放面回風巷、上隅角與采空區(qū)3個位置的氣體成分及濃度進行色譜分析，均未檢測到CO、C2H4和C2H6指標性氣體，但得到了O2濃度隨時間變化規(guī)律，如圖11所示。

由圖11可知，對115032綜放面進行臨時停采防火措施后，回風巷、上隅角與采空區(qū)內氧氣濃度先下降明顯，后均保持在一定較低濃度，整體呈現(xiàn)下降趨勢，說明115032綜放面實施防火措施后，封閉區(qū)域內均未出現(xiàn)漏風，氧氣濃度逐漸被氮氣稀釋，最終致使氧氣濃度保持在一個較低水平，預防了采空區(qū)遺煤自燃。結果表明，115032綜放面臨時停采防火措施取得了很好的效果，具有較高的工程借鑒意義。

4 結論

1）115032綜放面煤最短自然發(fā)火期為22 d，掌握了其極限浮煤厚度、下限氧濃度及上限漏風強度的變化規(guī)律。浮煤厚度在40 ℃時出現(xiàn)極大值，浮煤厚度為0.35 m，溫度在40 ℃時，下限氧濃度值為25.42%，上限漏風強度為負值，此時煤是不會發(fā)生蓄熱自燃。

2）115032綜放面散熱帶在采空區(qū)內距離工作面3～18 m，窒息帶在距離工作面73～105 m以上的采空區(qū)深部，散熱帶及窒息帶中間范圍為氧化升溫帶，即煤自燃危險區(qū)域。受漏風影響，采空區(qū)散熱帶、煤自燃危險區(qū)域及窒息帶均為進風測較深，回風側較淺。

3）針對綜放面臨時停采時，結合采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，在臨時封閉前、臨時封閉期間及臨時封閉后采取了針對性的防火措施。分析115032綜放面回風巷、上隅角與采空區(qū)3個位置的氣體濃度，得到臨時密閉防火取得很好的效果，具有較高的工程借鑒價值。

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（責任編輯：張江）

收稿日期：2023-02-16

基金項目：國家自然科學基金青年項目（52204238）；陜西省自然科學基礎研究計劃青年項目（2022JQ-446）；陜西省教育廳青年創(chuàng)新團隊科研計劃項目（22JP046）

作者簡介：馬騰（1990—），男，陜西榆林人，博士，講師，主要從事煤火災害防控方面的研究工作。