特厚易自燃煤層綜放開采采空區防滅火技術

戚旭鵬 郝朝瑜 王雪峰 李文波 賀 飛

(1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3.冀中能源集團有限責任公司冀中股份邢東礦，河北 邢臺 054001)

特厚易自燃煤層綜放開采采空區防滅火技術

戚旭鵬1郝朝瑜2王雪峰2李文波3賀 飛2

(1.遼寧工程技術大學礦業學院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3.冀中能源集團有限責任公司冀中股份邢東礦，河北 邢臺 054001)

針對特厚煤層綜放開采過程中工作面推進速度慢、采空區遺煤量大、漏風嚴重、極易自燃的特點，建立特厚煤層綜放開采采空區滲流及擴散數學模型。利用富力礦-380 m前部22#層采空區的特征，對該特厚煤層采空區作出相應的假設，對該工作面采空區自燃“三帶”進行劃分，最終確定氧化帶為采后距工作面25～60 m的范圍。根據模擬結果，采取注氮注漿防滅火措施，取得較好的效果。利用該工作面現場數據進行數據擬合，驗證防火措施效果，較好地達到防滅火的目的。

特厚煤層 自燃“三帶” 數值模擬 數據擬合

我國存在煤炭自燃的礦井占礦井總數量的56%，具有自然發火危險的煤層占累計可采煤層數的60%，煤炭自燃引起的礦井火災占礦井火災總數的85%～90%[1]。近年來我國煤礦廣泛采用綜放開采技術，生產效率大幅提高，但采空區遺留殘煤多，冒落高度大，漏風嚴重，使得自燃火災頻發，導致綜采設備被封閉在火區或煤炭資源被火區凍結，造成巨大的經濟損失。據統計，有80%的自然火災發生在厚煤層開采中，鶴崗礦區有86.6%的自燃火災發生在5 m以上的厚煤層中，其中采空區為主要發火地點。龍煤集團鶴崗分公司可采煤層36個，可采煤層總厚度38.5～85.8 m。大于3.5 m的厚煤層占75%，中厚煤層占19.2%。因此研究特厚煤層綜放開采采空區自燃“三帶”的變化規律就顯得十分必要。

1 特厚易自燃煤層綜放開采自燃特點分析

采空區可以認為是一個有機物和無機物混雜而成的煤巖體，具有多孔性。工作面采過后，頂板巖層相繼垮落，采空區則是一個松散體，其空氣滲流場、氧氣濃度分布場、溫度場和煤的物理化學過程相互影響[2-3]，呈非穩態變化，從而使得采空區自然發火過程十分復雜。特厚煤層開采過程中往往伴隨著如下特點：

(1)地質條件復雜，從而導致丟煤較多，且集中，為采空區自燃創造了條件。

(2)大傾角特厚煤層綜放開采，孔隙率大，漏風嚴重。傾角較大，頂板管理困難，煤體及圍巖出現大量裂隙，導致采空區不易充嚴，煤柱不易保留，漏風較大。

(3)開采條件復雜，工作面推進速度慢。采空區“三帶”的位置隨工作面的推進而前移。氧化帶的寬度越大，前移速度越慢，浮煤遺留在此帶內的時間越長，則越容易發生自燃。

(4)采空區自燃高溫區域范圍大且隱蔽。采空區留有大量浮煤，煤氧作用熱量逐漸積聚，一旦自燃，采空區蓄存了大量熱能，造成周圍煤(巖)體的溫度亦相當高，因此，采空區高溫范圍大且隱蔽。

2 采空區自燃“三帶”數值模擬

2.1 采區概況

龍煤集團鶴崗分公司富力煤礦煤層自然發火較為嚴重，特別是采空區發火現象較為普遍。富力煤礦-380 m前部22#層走向191 m，傾斜87 m，煤層厚度平均7.9 m，煤層傾角31°～41°/36°，可采儲量17.72萬t。設計風量390 m3/min。煤塵爆炸指數37.50%，自燃發火期為6～8個月，最短發火期28 d,屬容易發火煤層。

2.2 采空區模擬自燃“三帶”

CFD模擬[4-6]研究是為了得到流體流動控制方程的數值解法，它的基礎是建立Navier-Stokes方程，它是由一系列描述流體流動守恒定律的偏微分方程組成的。為了模擬采空區混合氣體在工作面后方的運移，模型需對質量和動量的守恒方程進行求解。

采空區的滲透率是模型的另外一個關鍵參數[7]，它主要受采動后采空區應力分布的影響，格瑞特(Greed)和克拉克(Clark)曾對采空區的滲透性進行了研究，認為采空區的滲透率取值在10-2～10-7m-2，并指出采空區邊緣的滲透率要比中部大得多。綜合考慮現場情況，結合前人研究成果，滲透率的取值范圍為10-2～10-9m-2，采用雙曲線正切函數進行分布規律的擬合。

根據富力煤礦-380 m前部22#層工作面特征，建立模型如圖1所示。模型基本參數：工作面走向長100 m，寬87 m，高2 m,巷道寬4 m，高2 m，采空區高40 m。下部巷道為進風巷，上部巷道為回風巷。通風系統為“U”形通風，風量390 m3/min。通過FLUENT的Gambit前處理器構建和劃分網格，大約劃分340 000個單元格，如圖1所示。隨之導入解算器進行模擬。模擬結果如圖2，圖3。

圖1 工作面采空區模型

圖2 注氮前采空區O2濃度分布

圖3 注氮后采空區O2濃度分布

由圖2、圖3可知，注氮前采空區內氧化帶(氧氣濃度7%～18%)為采后距工作面25～60 m。由此，模擬向采空區注氮，注氮口在距工作面25 m處，注氮后的氧化帶(氧氣濃度7%～18%)明顯變小，基本上處在采后距工作面25 m范圍內，與以往經驗得出的數據相吻合，因此，采用CFD模擬研究采空區自燃“三帶”的變化是可行的。

3 實例驗證

3.1 采空區注氮防滅火

根據以上數值模擬的結果，對富力煤礦-380 m前部22#層進行注氮。該工作面使用DM-800型注氮機進行注氮，氮氣產量800 m3/h，氮氣純度≥97%，氮氣出口壓力≥0.8 MPa，注氮泵功率24 kW，額定工作電壓660 V。在下隅角埋設注氮管路進行注氮，降低采空區的氧氣。注氮管路埋設必須鋪設在運輸進風順槽靠近下幫側，管路出口處打好木垛，上方敷設鐵絲網，保護好管路出口，防止破壞，每隔25 m向工作面埋設1趟注氮管路(如圖4所示)。采取向采空區注氮氣的方式，降低采空區的氧氣(3%以下)，使采空區遺煤缺氧窒息，來達到防滅火的效果。

圖4 注氮管路及鉆孔的布置方法

3.2 鉆孔沖漿防滅火

富力礦地質條件復雜，遺煤量大，漏風嚴重，且具有高溫區域范圍大、隱蔽等特點。采空區注氮雖然具有均壓，可迅速降低氧氣濃度，覆蓋范圍廣等作用，對以上問題的解決有不錯的效果，但是由于氮氣也具有擴散作用，同時采空區千絲萬縷的裂隙也使得氮氣在采空區內封存的時間不長，為此富力礦在注氮的同時也采取了向采空區布鉆注灰的防滅火方法[8-9]，此方法的主要作用就是隔氧與降溫，即通過漿體材料包裹煤體，隔絕氧氣與煤體的接觸，防止煤的氧化作用，對長期的防滅火具有很好的效果，同時為長時間封存創造了很好的條件。本實驗即在-380 m南5#、6#層大巷向采煤一隊采空區及回風道施工鉆孔。鉆孔的布置要求：鉆孔的終孔落在煤層與煤層頂板的交界處，每個鉆孔終孔之間的距離為10 m，在不影響工作面正常生產的同時向采空區定時定量地充粉煤灰，對采空區進行沖填，減小采空區的空間，降低采空區的氣體含量(如圖4所示)。

3.3 采空區防滅火效果分析

通過對采空區采取注氮氣防滅火措施及打鉆充灰砂防滅火措施，采空區自然發火的隱患得到較好的控制，隱患升級的趨勢得到了遏制，保障了工作面的安全生產。

表1為-380 m前部22#層采煤一隊工作面氣體化驗分析情況對比。

表1 注氮注漿前后氣體濃度變化

通過表1中氣體分析和對比，容易發現，對采空區同時進行注氮氣和充灰沙處理的效果明顯，尤其是CO濃度大幅下降，完全控制在《煤礦安全規程》中規定的0.002 4%以下，可以說明采空區和工作面的氣體得到了良好的控制，達到了防滅火的目的。

4 結 論

(1)通過對特厚煤層綜放開采采空區特點的分析，建立富力礦-380 m前部22#層煤采空區模型，通過FLUENT軟件進行模擬，確定該工作面采空區氧化帶范圍為采后距工作面25～60 m，為注氮工作提供指導。

(2)結合特厚煤層采空區漏風特點及FLUENT模擬結果，采用注氮充灰聯合防滅火技術，將指標氣體降到《煤礦安全規程》規定范圍以下，尤其是CO氣體下降幅度最為明顯，各監測點CO濃度均小于0.002 4%。

(3)通過對特厚煤層綜放開采采空區漏風規律的研究，找到一種有效的防滅火方法，為類似煤礦的防滅火措施提供借鑒。

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(責任編輯 徐志宏)

Fire Prevention Technology of Mined-out Area under the Fully Mechanized Caving for Extremely Thick Spontaneous Combustion Coal Seam

Qi Xupeng1Hao Chaoyu2Wang Xuefeng2Li Wenbo3He Fei2

(1.CollegeofMingEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;2.CollegeofSafetyScienceandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;3.JizhongStockXingdongMine,JizhongEnergyGroupCompanyLimited,Xingtai054001,China)

During the process of fully mechanized caving for extremely thick coal seam,there are some issues to be solved,such as slow advance in working face,great amount of left-over coal in mined-out area,serious leakage,and easy to be spontaneous combustion,so the seepage flow and diffusion mathematical model for the fully mechanized caving of the extremely thick seam was built.With the use of features of 22#goaf at -380 m front of Fuli Mine,corresponding assumptions on the mined-out area in extremely thick coal seam were made,and the spontaneous combustion “three zones” in mined-out area were divided,ultimately determining that the oxidation zone away from the working face was within the range of from 25 m to 60 m.According to the numerical simulation,fire prevention measures of nitrogen injection and grouting were adopted,with good effects obtained.Meanwhile,data fitting with the field data in working face was made to verify the effect of fire prevention measures.It can be better to achieve the purpose of fire prevention.

Extremely thick coal seam,Spontaneous combustion “three zones”,Numerical simulation,Data fitting

2015-01-23

國家自然科學基金青年科學基金項目(編號：51404127)。

戚旭鵬(1988—)，男，碩士研究生。

TD75+2

A

1001-1250(2015)-04-162-04