综放工作面末采期防灭火技术研究

程 涛，高宗明，刘赴前

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西孝义032306）

综放工作面末采期防灭火技术研究

程 涛，高宗明，刘赴前

（汾西矿业集团高阳煤矿，山西孝义032306）

综放工作面末采期停采线经常发生煤炭自燃事故。本文基于流体力学以及相似理论，建立了综放工作面数学模型，以采空区自燃“三带”的范围变化为判断依据，对工作面回收期间回风巷是否应该首先完全密闭进行了研究，通过理论分析和数值模拟发现，在满足一定前提条件的基础上，回风巷留设一定的风流通道，有利于防治下隅角及采空区自然发火。实践表明，只有将均压、注氮、灌浆等多种防灭火技术手段综合利用，才能防治综放面的自然发火，确保工作面的安全生产。

末采期；自然发火；数值模拟

汾西矿业集团几乎所有的开采煤层自燃倾向性均为Ⅱ级或Ⅰ类，仅2014年就有香源、柳湾、高阳3座煤矿先后发生煤炭自燃事故，且都发生在末采期或工作面回收期间。一旦矿井发生火灾，极易造成人员伤亡和财产损失，甚至引起煤尘、瓦斯爆炸等事故，为此及时研究和防控矿井火灾，特别是末采期防灭火技术的研究，是矿井安全生产和社会和谐稳定的迫切需要。

1 工作面概况

高阳煤矿114工作面开采太原组9－10－11#煤，属复杂结构煤层，煤种为瘦煤，稳定可采。煤层平均厚度9.61 m，煤层倾角3°～5°，平均倾角4°。工业储量3 024 019 t，回采率86%，可采储量2 557 559 t。该工作面东邻112工作面（已采），北为一采轨道上山，西部和南部为矿区边界。工作面采用U型通风系统，新鲜风流经一采轨道巷、皮带巷进入114材料巷到工作面；污风由工作面运输巷经一采回风巷、南总回风巷，最后回南风井。经山西省煤炭检测中心鉴定，9－10－11#煤层属II级自然发火煤层，最短自然发火期为75天。

2 工作面采空区自然发火经过及原因分析

2.1 自然发火经过

2014年8月初，在114工作面下隅角监测到CO，判断采空区有自然发火的可能，随即加快工作面末采速度，并于8月23日在运输巷首先构筑一道防火墙，将工作面风路断开，改原来的负压通风为局扇的正压通风，材料巷安装FBD№6.0/2×15 kW局扇2台，为工作面回收支架供风。从8月初到8月29日，工作面回收期间下隅角CO浓度逐步升高，但均未达到超限值24×10-6。30日零点班CO突然急剧升高到105×10-6，并在9月7日达到峰值535×10-6，当天紧急增加一组风机加大工作面风量稀释CO，浓度降到了320×10-6。9月9日，经专家指导，将运输巷防火墙两个观测孔堵盘打开，改工作面为负压—正压混合通风方式，下隅角CO很快逐步降到200×10-6以下，并保持不再升高。整个回收初期到材料运输两巷完全密闭，下隅角CO浓度变化曲线图见图1。

2.2 自然发火原因分析

114工作面2012年8月开始试生产，按照正常生产衔接最迟应于2013年底回采结束。但由于114工作面位于矿区边界，回采严重受制于顶底板压力的影响，生产进度缓慢，2014年前8个月回采不足50 m。根据实际测定采空区气体及温度变化的情况，结合采空区“三带”划分的理论，确定该工作面的“三带”宽度为110 m。根据省煤炭监测中心测定的数据，114采空区遗煤的最短自然发火期为75天，确定工作面安全回采最低推进速度如下：

式中：L—自燃带宽度，m。

T—煤层煤样的最短自然发火期，d。

当工作面推进速度大于最小回采速度时，采空区一般不会发生自燃。114工作面的推进速度以末采的后8个月50 m计算为：V＝50/240=0.21 m/d，明显小于防止采空区自然发火的最小回采速度1.47 m/d，因此下隅角遗煤发生自燃也是必然的。

图1 114工作面下隅角CO浓度变化曲线图

3 综放面末采期防灭火技术研究

114工作面回收期间，主要采取的防灭火措施只有注氮，即下隅角埋管注氮和在工作面向采空区打3个18 m深注氮钻孔，向采空区注氮，氮气浓度保持在97.45%以上，日均注氮量约为10 000 m3。本次114工作面在CO居高不下时，通过打开运输巷防火墙的观测孔，效果明显，下隅角的CO浓度很快降低，但其作用原理及是否可推广使用到其他工作面并不是很确定。直接在工作面测定流场和压力场来分析其原理并不是很现实，现借助流体力学软件GAMBIT和FLUENT，模拟工作面的流场，对其进行研究。

3.1 采空区渗流控制方程

将综放面采空区视为煤岩混合体组成的多孔介质空间，由于松散煤体空隙的时空分布不均匀，漏风源和漏风流难以确定，松散煤体中的漏风流场十分复杂，将采空区内风流看作不可压缩气体在三维空间的非线性渗流，包括紊流、层流、过渡流。所服从的基本方程为非线性渗流方程，即Bachmat方程，达西定律仅仅是Bachmat方程在低速层流状态下的特例。三维非线性渗流定律公式为：

式中：

E—渗透率，m2；

v—运动黏性系数，m2/s；

Dm—平均调和粒径；

V—采动裂隙椭抛带的风速，m/s；

n—采动裂隙椭抛带的孔隙率；

g—重力加速度，m2/s；

β—多孔介质粒子形状系数。

3.2 采空区空隙率及渗透率

随着工作面向前推进和时间的推移，采空区的空隙率随时发生变化。一般顶板岩层越坚硬，空隙率越大；矿压越大，空隙率越小；作用时间越长，空隙率就越小，反之就越大。空隙率为：

式中：Kp—岩石及煤的碎胀系数。

由Blake-Kozeny公式，多孔介质的渗透率e为：

3.3 模型的建立

根据114工作面的几何尺寸建立三维几何模型，利用fluent进行数值模拟分析。模型见图2。

图2 综放面回收期间采空区三维模型图

为了使本次建立的模型最大程度的与实际矿井的物理环境相接近，经过反复调试，得到以上较为理想的模型。根据相似理论，模型与矿井采场实际尺寸比例相同，可保证几何相似；模拟与实测材轨联巷、材皮联巷、风筒进风量、材回联巷回风量的匹配可以保证运动相似；模拟与实测上下隅角漏风量的匹配又可保证模型中工作面风阻和采空区渗透率的合理性，使二者动力相似。

雪萤淡淡一笑，电梯停下来，在两人面前打开。雪萤回头看了一眼，闪身钻了进去。一杭把玩具枪放进口袋，也跟着进去，并立即按下关闭键。

按照煤可能自燃的情况，采空区一般划分为3个带［1-2］：低温不自燃带、可能自燃带、窒息带。划分“三带”通常有3种标准，即以采空区内的漏风强度、氧气浓度和温度分布来划分。本模拟按照采空区内漏风速划分：散热不自燃带内采空区内漏风风速＞0.24 m/min；可能氧化自燃带内采空区漏风风速在0.24～0.1 m/min；窒息带漏风风速＜0.1 m/min。

3.4 模型结果分析

风速划分标准下的数值模拟所得自然氧化带范围见图3，图4，图5。

图3 运输巷密闭的自燃带范围图

图4 回收最后几台支架时自燃带范围图

图5 运输巷回风的可能自燃带范围图

1）从图3可以看出，运输巷完全封闭后由局扇正压通风的自燃带范围主要集中在风筒周围20 m范围内和进风侧的支架附近并一直延伸到下隅角，随着支架的回收，风筒回撤，自燃带范围向下隅角方向移动，直到完全移动到下隅角（图4），下隅角始终处于可能自然发火的区域。在末采期，端头支架处顶煤放出率低，下隅角附近遗煤较多，再加上末采进度缓慢，此处遗煤已经过长时间氧化蓄热升温，如果工作面已经检测出下隅角CO浓度严重超限，还采用运输巷完全封闭的方式进行回收支架，将加速下隅角的自燃进度，不利于工作面回收。

2）从图5可以看出，运输巷密闭墙观测孔堵盘打开，风机仍然正常供风，改回收工作面为负压—正压混合通风方式，虽然增加了可能自燃带的范围，但主要分布在回风侧，随着支架的回收，风筒回撤，支架回收后的冒落带逐渐被压实，从运输巷排出的风越来越少，现在的自燃带因为缺氧将转变为窒息带，而下隅角直至最后几台支架才从现在的散热带转变为可能自燃带，见图4。这种通风方式将大大减少下隅角在可能自燃带中的时间，如果在回收支架期间不断向下隅角注氮，将有效地控制采空区火灾的发生。

3）综上可以得出，工作面回收期间，回风巷不可急于完全堵死，可以适当地留设一定的风流通道，既可以分担一部分进风巷排放CO压力，又降低了下隅角的自然发火危险性。但也要注意以下3点：a）回风巷的通风断面不可过大。b）在保证CO浓度不至于危害人体健康和充足O2浓度的前提下，局扇的供风量尽量减少。c）加快支架的回收速度，即缩短回风侧采空区在可能自燃带停留的时间。以上3点都是为了避免出现回风侧采空区自然发火的必要条件。

4 其他防灭火措施的探讨

一个有自然发火倾向的工作面，应该有多种防灭火手段相配合的综合防灭火措施，在采空区发生自然发火征兆时，才会采取有针对性的措施。由于工作面是下行通风，采空区灌浆采用“采后灌浆”的方式（即材料运输两巷都密闭之后灌浆），114工作面回收期间，只有注氮一种防灭火措施，因此，才会出现采空区自然发火剧烈发展的情况下，注氮陷入“孤立无援”的窘境。有必要了解更多与该矿相适应的、较经济的防灭火措施。

通过在工作面上下隅角充填封堵，可以增大采空区的风阻，当工作面两巷风压变化不大的情况下，根据漏风阻力定律，采空区下隅角漏风随之减少。当漏风减少，就会减少采空区遗煤的供氧，氧化带的范围将会缩小，能够防止采空区，特别是上下隅角的自然发火。

回采后期，在综放面两端顺槽每间隔10~15 m，在两巷各施工一道堵漏墙，然后墙体周围喷射高分子堵漏材料（出于经济考虑，也可用沙袋替代）。现场操作示意图见图6。

图6 高分子泡沫材料在工作面上、下隅角充填示意图

如果工作面易自然发火，并且回采进度缓慢，用料石、水泥、沙子这些低成本材料构筑挡风堵漏设施，会在很大程度上防止采空区煤炭自燃事故的发生。

4.2 喷洒阻化剂

气雾阻化剂防火工艺，是在漏风通道入口设置雾化器，将阻化剂变为阻化汽雾，科学利用采空区漏风流为载体，将阻化剂汽雾飘移流向采空区易自然发火的碎裂煤体，并附着在漏风风流所流经的煤体表面，从而起到阻化防火的作用。

该防灭火技术投入小，前期购置的雾化泵站等设备可反复应用于多个工作面，阻化剂成本低，但此防灭火技术是一项日常性的防灭火手段，需随采随喷。

5 结论

1）综放工作面回收期间，回风巷不可急于完全封闭，留设一定的风流通道，将有利于控制下隅角的自然发火，但应注意限制条件，防止造成更大范围的火灾。

2）煤层自燃综合防治是一项复杂的系统工程，只有做好如工作面堵漏、采空区注氮等日常防火的基本工作，才可能真正避免出现CO超限事故。

3）注氮防灭火措施效果明显，管理方便，但如果注氮量过大，将会降低工作面氧气浓度，回收期间不利于人工作业，因此，应掌握好注氮量。

4）114工作面采用下行通风，一旦发生火灾，由于火风压的作用（火风压是向上的，与下行通风风流方向相反），极易导致烟流逆退、风流反向，从而破坏通风系统，扩大灾害范围，应考虑是否在下个工作面采用上行通风。

5）在开采易自燃煤层时，加快工作面推进速度，才是防止煤炭自燃事故发生的根本性措施。

［1］杨胜强，徐全，黄金，等.采空区自燃“三带”微循环理论及漏风流场数值模拟［J］.中国矿业大学学报，2009，38（6）:769-773.

［2］张辛亥，刘灿，周金生，等.综放面采空区流场模拟及自燃危险区域划分［J］.西安科技大学学报，2006，26（1）：6-9.

［3］杨胜强，程涛.尾巷风压及风量变化对采空区自然发火影响的理论分析与数值模拟［J］.煤炭学报，2011，36（2）:308-312.

Research on Fire Prevention and Control Technology of Fully-mechanized Caving Face at the End of Mining Period

Cheng Tao，Gao Zong-ming，Liu Fu-qian

It often happens coal spontaneous combustion accident of stop line at the end of mining period in fully-mechanized caving face.Bases on the hydromechanics and similar theory，establishes the mathematical model of full-mechanized caving mining face，according to the scope change of goaf spontaneous combustion three zones for judgment，researches on the problem whether return airway should be completely closed in the first place during the period of mining，it finds that on the condition of satisfying a certain premise，return airway designs a certain wind flow channel which is advantageous to prevent and control the lower corner and goaf spontaneous combustion by theoretical analysis and numerical simulation.Practice shows that comprehensive using fire prevention and control technology such as balance pressure，nitrogen injection，grouting and other can prevent and control spontaneous combustion of fully-mechanized face，ensure the safety production of working face.

End of mining period；Spontaneous combustion；Numerical simulation

TD75+2

B

1672-0652（2014）12-0039-04

2014-10-28

程涛（1984—），男，山西孝义人，2011年毕业于中国矿业大学，硕士研究生，工程师，主要从事矿井火灾与瓦斯防治方面的研究工作，（E-mail）37chengtao@163.com