特厚综放面采空区自燃“三带”的分布规律研究

2018-04-25宫彪

中国煤炭 2018年3期

宫彪

(大同煤矿集团有限公司通风处，山西省大同市，037003)

矿井火灾发生速度快，范围广，控制难度大，是直接威胁矿井安全生产的主要灾害之一。近年来,随着综采放顶煤技术的推广应用，煤矿虽然实现了高产高效的目标，但这种采煤方法在采空区留煤较多，加之采空区漏风严重，所以综放面采空区的自然发火危险性也较大。因此，研究采空区自燃“三带”，即散热带、氧化升温带和窒息带的分布规律，确定出合理的工作面推进速度，对防止采空区自燃、保障矿井安全生产具有十分重要的意义。

1 工作面概况

金庄煤业8201综放工作面内部靠近停采线约250 m范围内为3-5#煤层合并区，其余大部分3#煤层和5#煤层分开。在两煤层分开区域内，5#煤层平均厚度为15.3 m；3#煤层平均厚度为3.27 m；3#煤层和5#煤层之间的夹层厚度为0.71～1.77 m，平均厚度为1.2 m，夹层岩性主要为泥岩、炭质泥岩、高岭质泥岩等。在两煤层的合并区，最大煤层厚度为22.3 m，倾角为3°～6°。8201工作面走向长1262 m，倾斜长220 m，为“一进一回”两巷布置，2201巷为进风、运煤巷，5201巷为回风、运输兼作行人巷。经测定3-5#合并煤层自燃倾向性为容易自燃，自然发火等级为Ⅰ类，最短自然发火期为41 d，具有爆炸危险性。

由于8201工作面在回采过程中采用的是综采放顶煤开采方法，该开采方法在放顶煤后顶板垮落范围大，在采场后方形成冒落、破碎带，在矿压作用下，采空区在短时间内很难被压实，所以漏风通道多，漏风严重。此外，综采放顶煤开采方法的回采率不高，在采空区的遗煤量较大，且该方法比其他方法多了一道放顶煤工序，工作面推进速度比较慢，增加了采空区遗煤与氧气的接触时间，所以8201工作面采空区的自然发火威胁较大。

2 8201综放面采空区自燃“三带”数值模拟

为避免8201综放面在回采过程中采空区发生自燃，必须确定出合理的工作面推进速度，而要确定工作面的推进速度就必须知道采空区氧化升温带的宽度。为此，在工作面不采取任何防灭火措施的条件下对8201综放面采空区自燃“三带”的分布进行了数值模拟。

2.1 模型建立

通过现场实际测定可得,2201进风巷断面积为18.9 m2，进风风速测量值为2.04 m/s；5201回风巷断面积为17.5 m2，回风风速测量值为2.24 m/s。根据采场上覆岩层运动的关键层理论，关键层初次断裂后在采空区中部趋于压实，而在采空区两侧仍各保持一个离层区，工作面侧的离层区随工作面开采而不断前移，从平面看，在采空区四周存在一沿层面横向连通的离层发育区，称为采动裂隙“O”形圈，相应数值模拟采空区按照采动裂隙“O”形圈理论设置。

本次数值模拟模型具体参数：工作面长度220 m、宽度4 m，采空区走向长度250 m，进风巷长度30 m、宽度5.4 m，回风巷长度30 m、宽度5 m。应用GAMBIT软件建立一源一汇的二维物理模型，进行网格化，将坐标原点定在进风巷端头，指向采空区的方向为Y轴正方向，指向工作面的方向为X轴正方向，两方向的步长均取1 m，即网格大小为1 m×1 m，网格数量共计66382个。并将采空区划分成压实区、过渡区、未压实区、工作面、入风巷及回风巷6部分，如图1所示。

图1 模型网格划分图

由于工作面空间存在支架立柱、梁、采煤机机组、人员设备等，增加了工作面通风阻力，因此，将压实区、过渡区、未压实区及工作面这四部分都定义成为多孔介质区。

2.2 模拟结果分析

假设采空区松散煤体及岩体各为均匀多孔介质；计算区域内流体密度不变，空气渗流在过渡区和压实区符合达西定律；空气中的氧与煤反应而被消耗，同时产生CO2等气体，气体消耗量与产生量相等，使空气总量不发生变化；空气中各组分按照Fick定律从浓度高处向低处扩散；由于煤自燃过程非常缓慢，认为在正常生产中，采空区的渗流、扩散及化学反应是稳态过程，采空区温度在回采过程中变化不大，基本保持在300 K，因此不考虑热传导。通过模拟，可得到金庄煤业8201综放面的氧浓度分布如2图所示。

图2 采空区氧气浓度分布图

综合上述分析，运用数值模拟方法得到的采空区自燃“三带”分布情况如图3所示。

图3 数值模拟采空区自燃“三带”范围

由图3可知，在不向工作面采空区采取任何防灭火措施的情况下，在采空区进风侧，距工作面45 m处进入氧化带；在采空区回风侧，距工作面33 m处进入氧化带。即散热带宽为33～45 m，窒熄带为距工作面150～175 m之后的范围。

3 采空区注氮及端头堵漏措施

(1)采空区注氮措施。在8201综放面的进风侧沿进风巷预埋设三趟注氮管路。当第一趟埋入采空区20 m后开始注氮，同时又埋入第二趟注氮管路；当第二趟注氮的管口埋入采空区20 m时向采空区注氮，再埋入第三趟注氮管路，同时断开第一趟注氮管路；如此循环，直止工作面采完为止。

(2)采空区端头堵漏措施。端头封堵作为防灭火的辅助手段，能有效减少采空区漏风、缩短采空区氧化带长度、降低采空区自然发火隐患。在顶板条件允许情况下，8201工作面上、下端头每隔10 m各构筑一道粉煤灰墙，且每两道粉煤灰墙之间加设一道6 m×7 m的风幛，封堵墙必须从煤帮构筑到

后溜尾处，确保将端头封堵严实。每道封堵墙厚度为1.8 m，构筑时每码放一层粉煤灰袋就铺洒一层粉煤灰固化材料(甲乙料)，封堵裂隙、接顶，待粉煤灰墙构筑完毕后，用粉煤灰固化材料(甲乙料)对墙体进行抹面，确保墙体严密不漏风。墙体规格按巷道断面规格确定。

4 注氮、端头堵漏条件下采空区自燃“三带”划分

4.1 束管监测系统

采空区束管监测系统由采样器、接管箱、放水器、除尘器、抽气泵、采样控制柜和分析单元等组成，利用真空泵通过一组空心塑料管将井下检测地点的空气直接抽至分析单元中进行实时监测。它的优点主要是能实现连续监测、分析数据可靠，当井下发生事故断电撤人后也能保持正常的监测工作，不但可以用于煤炭自燃的早期预报，还可以监测矿井内其他气体成分的变化。

在金庄煤业8201综放工作面2201进风巷和5201回风巷各安装一组束管。安装前，工作面支架保持不移架，后部刮板输送机拉进，留出埋入束管的空间。安装时，将工作面后部刮板输送机靠采空区侧刮板外边缘浮煤清出，保证束管的埋入深度为距离刮板上边缘0.2 m。连接好并埋入后，用浮煤盖实。工作面各束管连接至地面束管监测主系统，采样气体由气相色谱仪进行分析。

4.2 观测结果及分析

选取8201综放工作面在采取注氮及端头堵漏的条件下的2201进风巷束管监测数据和5201回风巷束管监测数据分析采空区氧浓度场分布，以确定8201工作面自燃“三带”范围。监测数据见表1。

表1 束管监测数据表

由以上观测数据，可得5201回风巷与2201进风巷几个时间段内，采空区距工作面不同位置处的氧浓度曲线图，如图4所示。

目前，一般认为，窒息带氧浓度≤7%，氧化带氧浓度为7%～18%，散热带氧浓度≥18%。由图4可知，5201回风巷在第1时间段内距离工作面0～35 m为散热带，35～52 m处为氧化带，52 m以后为窒息带；5201回风巷在第2时间段内距离工作面0～10 m为散热带，10～63 m处为氧化带，63 m以后为窒息带；5201回风巷在第3时间段内距离工作面0～22 m为散热带，22～83 m处为氧化带，83 m以后为窒息带；2201进风巷在第1时间段内距离工作面0～22 m为散热带，22～107 m处为氧化带，107 m以后为窒息带；2201进风巷在第2时间段内距离工作面0～31 m为散热带，31～54 m处为氧化带，54 m以后为窒息带。分析可知，8201综放工作面3-5#合并煤层采空区在采取注氮及端头堵漏措施后，进风巷侧散热带边界为22～31 m处，氧化带的最大宽度为85 m，54～107 m处为窒息带的起始边界；8201工作面回风侧散热带边界为10～35 m处，氧化带的最大宽度为61 m，52～83 m处为窒息带的起始边界。

图4 采空区距工作面不同距离处的氧浓度曲线图

5 8201综放面合理推进速度的确定

通过上述分析可知，在工作面采空区采取注氮及端头堵漏措施的情况下，采空区氧化带的最大宽度为85 m，则其每月的最小推进距离为62.2 m/月；在工作面采空区不采取注氮及端头堵漏措施的情况下，采空区氧化带的最大宽度为130 m，则其每月的最小推进距离为95.2 m/月。

由于《关于进一步规范和改善煤炭生产经营秩序的通知》要求全国煤矿自2016年起全年作业时间不超过276个工作日，落实到每月即不超过23 d。则在采取注氮及端头堵漏措施的情况下，每天的最小推进距离为2.7 m/d；在不采取注氮及端头堵漏措施的情况下，每天的最小推进距离为4.1 m/d。

由于受到矿井产量及矿井运输能力的限制，8201工作面每天的推进距离不能太大。推进距离太大易引发各种灾害事故；但推进距离也不能太小，太小无法确保整个矿井的正常运转。目前金庄煤业8201工作面所采用的采煤机的有效截深为0.8 m，综合考虑各种因素的影响，确定8201工作面每天割4刀煤，即推进距离为3.2 m/d，因为该推进距离小于不采取防灭火措施情况下的最小推进距离4.1 m。因此，为防止8201工作面采空区自然发火，需采取一定的防灭火措施，即可向采空区采取注氮和端头堵漏的措施。