新河煤矿采空区自燃“三带”分布及防火技术研究

2023-03-07高常华王成稳

山东煤炭科技 2023年1期

高常华王成稳

（山东新河矿业有限公司，山东济宁 272000）

随着采煤深度的增加，顶板的压力也在增加。地压高时，煤柱容易被压碎，煤的氧化作用加强，极易发生采空区灾害事故。为解决这一难题，划分采空区自燃“三带”成为防治煤自燃的重点研究内容[1-2]。以新河煤矿7312 工作面为背景，通过现场测量，并利用数值模拟与之结合，对采空区自燃“三带”进行确定，并实施了针对性的火灾防治技术方案，确保了开采安全。

1 矿井概况

新河矿业位于济宁煤田西南部，新河煤矿地势平坦，东北方向高，西南方向略低。本区属构造中等井田，区内褶曲发育，以向斜构造为主，规模较小。7312 工作面属新河矿业3 煤层，全区厚度为4.15～10 m，岩层倾角在20°左右，煤的类型为气煤。工作面为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为40 d，走向长度为675 m，倾斜长100 m，采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤回采工艺组织回采。

2 7312 工作面采空区三带分布

2.1 测点布置

对于7312 工作面采空区“三带”的观测，气体由温度传感器和束管进行综合监测，进风道和回风道分别布置了三条通路，设有两条监控管线，每个监测点将安装一个温度传感器和束管装置。测点布置如图1。

图1 新河煤矿7312 工作面采空区“三带”观测管路布置图（m）

在“三带”观测的过程中摒弃手动抽气的方法，选用便携式的气体采集仪采集气样。

2.2 观测结果分析

当前我国对采空区“三带”的划分多以O2浓度作为划分标准[3-4]，根据实测数据，分别对采空区进风侧、中间位置、回风侧的O2浓度进行分析。1#测点仅在推进进尺9.4 m 处测得O2浓度为20.87%，测点1#-7#的O2变化情况如图2。

图2 1#-7#的O2 变化情况

由图2 可知，随着工作面的不断推进，采空区中部3#、5#测点的O2浓度起伏趋势较为明显，但整体未呈现下降趋势，并且在整个推进过程中采空区中部O2浓度始终大于18%，因此采空区中部始终处于散热带范围。这是由于3#、4#测点位于工作面采空区中部，顶板相对破碎，工作面推过后采空区未压实，使得漏风通道较多，此处空间得到了氧气补充。

根据以上对新河煤矿7312 煤层采空区不同区域温度及O2实测数据分析，得出当7312 工作面面长在110 m 左右、采高为3.5 m 时，采空区自燃“三带”分布规律见表1 和图3。

表1 7312 工作面采空区自燃“三带”分布规律

图3 7312 工作面采空区自燃“三带”分布示意图

2.3 数值模拟分析

在对现场测定的基础上，运用FLUENT 模拟软件，对采空区内部流场、气体浓度等进行计算，以期与测定结果相互验证，准确划分氧化“三带”范围。

根据新河煤矿7312 工作面的基本参数，建立了采空区模型。工作面的入口定义为速度入口，边界条件为速度入口，回风巷道定义为自由出口，工作面和采空区间的两个面被设置为内部交界面，整个3D 模型被设置为流体区域，采空区视为多孔介质[5]。

由图4 可知，采空区内部氧气的分布规律受风流运移的影响，采空区整体氧气浓度回风侧明显小于进风侧，沿工作面推进方向看，采空区中部和深部氧气浓度在逐渐降低。由于空气经过沿途耗氧以及动量损失回到回风侧，氧气浓度明显降低。回风侧氧气浓度随着向采空区深部的不断延伸，呈现不断衰减的趋势。氧气浓度“三带”划分标准：氧化带8%～18%，散热带大于18%，窒息带小于8%。

图4 采空区氧气浓度分布

对7312 煤层进行采空区三带分布的数值模拟，分布规律如下：进风侧，散热带0～10 m，氧化升温带10～31.4 m，其余为窒息带；采空区，散热带0～14.1 m，氧化升温带14.1～39.7 m，其余为窒息带；回风侧，散热带0～13.9 m，氧化升温带13.9～38.3 m，其余为窒息带。如图5 和表2，经过对比，新河煤矿7312 工作面采空区三带分布规律模拟结果和现场实测结果基本一致。