斜沟煤矿23103综采工作面控制风量防灭火技术研究

陈永辉

（山西西山晋兴能源有限责任公司， 山西 吕梁 033601）

引言

随着煤矿采掘技术的不断发展，综采放顶煤开采技术被广泛应用于井工矿井生产，大幅提高开采效率。但由于其开采强度高、推进缓慢，易造成采空区遗留浮煤多、冒落高度大，漏风情况严重，在煤与瓦斯突出矿井，增加了采空区遗煤自燃隐患，严重制约煤矿的安全生产。

本文以斜沟矿23103综放工作面综合防灭火技术方案为工程背景，通过采用现场动态监测和数值模拟相结合的技术，对工作面通风问题进行分析研究，并提出治理措施，为矿井地质条件相类似工作面综合防灭火提供参考与借鉴。

1 概况

斜沟矿23103工作面主要开采13号煤层，水平标高698～758 m，该工作面位于斜沟矿21采区西，东、北、西三侧均为实煤区，南侧依次为21采区回风带式输送机、辅助运输上有三条大巷，上端为8号煤层18109和18107采室区。采用走向长壁后退式采煤方法采煤，一次采全高综采低位放项煤法开采，全部垮落法管理顶板，煤层平均厚度14.38 m，煤层平均倾角9°，割煤高度3.7 m，放煤高度10.68 m。因采用综合放顶煤工艺进行回采，采空区遗煤较多、范围广、空间大，加之所采13号煤自燃倾向性等级为I类，防灭火工作非常重要。23103综放工作面采用U型通风，开采初期的实际供风量为769 m3/min。23103综放工作面的巷道布置图如图1所示[1]。

图1 23103综放工作面巷道布置图

2 遗煤分布及漏风分析

采空区自燃是遗煤耗氧、放热与环境供氧、散热之间微循环平衡关系动态发展的结果，采空区火灾发生地点主要与遗煤分布状态和漏风有关。

2.1 遗煤分布分析

23103综放工作面两顺槽附近的煤岩受回采应力的影响，破碎厉害且支护困难，在工作面回采推进过程中，这两道煤柱回采率较低，移架后，未放下的顶煤自然冒落堆积形成丢煤带。在开切眼附近和自停采线前方30 m处至停采线范围内，只采煤不放顶煤，煤壁受采动应力的影响明显，煤体被压裂破碎成松散状，导致工作面推进后，顶煤垮落形成厚度大、孔隙率低的浮煤层。而在正常卸压区的采空区中部，遗煤量较少。因此，“两道两线”的采空区是浮煤积聚的区域，增加遗煤自燃隐患[2]。

2.2 漏风分析

23103综放工作面邻界和正上方均为大面积的采空区，受高强度的采动影响，该工作面采空区与相邻采空区之间的隔离煤岩易被压裂、破碎，易造成采空区之间连通成一片；综采放煤冒落空间大，顶板矿压活动剧烈，采空区上覆岩层裂隙贯通形成连通区域，连通区域随着工作面的回采逐步扩大，在工作面负压通风条件下，将形成多源多汇漏风通道，给本采空区和与之贯通的采空区内的浮煤提供连续的通风，易发生自燃。

3 风量变化对自燃带分布的影响研究

3.1 模型建立

根据煤矿安全作业规程要求，结合“四算一校准”原则，得出23103工作面的配风量需求范围为526～1 227 m3/min。为了得到不同供风量下的自燃“三带”分布规律，根据23103综放工作面实际开采布置情况，建立一个长167.5 m、宽168.5 m的二维计算区域，利用COMSOL软件对采空区内的流场进行数值模拟。其中，工作面宽度7.5 m，运输顺槽长10 m、宽4.7 m，回风顺槽长10 m、宽3.8 m；风流由运输顺槽流入，经工作面和采空区由回风顺槽流出。同时，对采空区内风流流动进行假设处理，建立相应的连续性方程、动量守恒方程和组分传输方程。

3.2 模拟结果及分析

结合当前矿井综合防灭火的技术，采空区自燃“三带”范围的划定主要有：采空区氧浓度法、漏风风速法和遗煤升温速率法三种方法。以上方法均是独立考虑氧化蓄热条件的影响，而忽略了相互间的联系，本研究中采用氧浓度和漏风风速相结合的方法来划分采空区“自燃”三带范围，即以漏风风速0.004 m/s为散热带与氧化带的界限，以氧气浓度（体积分数）8%为氧化带与窒息带的界限，对不同供风量下的采空区氧浓度分布和“三带”范围进行研究[3]。

为了验证模拟结果的准确性，如图2所示，工作面回采初期，顺着回风顺槽，沿工作面倾斜方向不等间距地布置束管监测系统（6个监测点），抽取采空区内的气体，利用气象色谱仪对气体成分和浓度进行分析，对采空区监测点氧浓度实测值进行模拟对比可得出：随着束管埋入采空区深度的增加，采空区氧浓度模拟值实测值的变化趋势相一致，证明建立模型可靠性高。

图3 采空区束管监测系统布置

表1 工作面不同供风量下的采空区氧化带范围

工作面不同供风量下的采空区氧化带宽度如表1所示，从表中数据可明显看出，随着工作面供风量的增加，采空区氧化带的前后边界均向采空区深部移动，但后边界的移动速度要快于前边界，氧化带宽度会增加。

4 综合防灭火技术实施方案

4.1 降低通风量

当23103综放工作面供风量越大，漏风越多时，采空区氧化带越宽。因此，在满足排放瓦斯和保证工作面适宜环境温度的前提下，从预防采空区自燃角度考虑，应尽可能采用低风量通风技术。经过测算，23103综放工作面最低需风量为526 m3/min，考虑瓦斯涌出的不稳定性，通风系数取1.15～1.25，通过风帘调节将工作面合理供风量控制604.9～657.5 m3/min内。

4.2 构筑隔离墙抑制漏风

工作面采空区漏风满足阻力定律：

式中：Hf为工作面进回风巷压差，Pa；P1、P2为漏风起、终点的压力，Pa；Rf为漏风风阻，kg/m7；Q 为漏风风量，m3/s；n 为漏风流态指数，n=1～2。

图4 采空区上下隅角土袋墙封堵

在23013综放工作面进回风巷风压差保持不变的情况下，在采空区“两道”侧增设隔离墙能有效增大漏风风阻，减少采空区内的漏风量。如图3布置所示，自工作面两侧隅角切顶线起，每隔5～8 m，采用充填的构筑隔离墙进行堵漏，改变采空区内的风流场分布，缩小氧化带宽度范围，抑制遗煤自燃。

4.3 采空区注氮

采空区注氮地点选择工作面进风侧，注氮释放管口位于距工作面50 m采空区氧化带内。注氮采用预先在工作面运输巷和回风巷铺设两趟管路交替连续注氮方式，注氮可使采空区缺氧惰化，形成正压状态，抑制新鲜空气进入采空区，保特采空区的高惰化度；此外，氮气具有膨胀吸热功效，可吸收煤炭氧化所产生热量。注氮采用DM-600模分离注氮机，结合23103综放工作面推进度，每日注入20 h的12 000 m3氮气量。

5 结论

斜沟矿23103综放工作面通过动态监测和数值模拟相结合技术，通过采取构筑隔离墙、注氮和降低供风量的综合防灭火措施，降低采空区遗煤自燃隐患，保证了工作面安全顺利回采和设备搬迁，实践取得显著的社会与经济效益。