斜溝煤礦23103綜采工作面控制風量防滅火技術研究

陳永輝

（山西西山晉興能源有限責任公司， 山西 呂梁 033601）

引言

隨著煤礦采掘技術的不斷發展，綜采放頂煤開采技術被廣泛應用于井工礦井生產，大幅提高開采效率。但由于其開采強度高、推進緩慢，易造成采空區遺留浮煤多、冒落高度大，漏風情況嚴重，在煤與瓦斯突出礦井，增加了采空區遺煤自燃隱患，嚴重制約煤礦的安全生產。

本文以斜溝礦23103綜放工作面綜合防滅火技術方案為工程背景，通過采用現場動態監測和數值模擬相結合的技術，對工作面通風問題進行分析研究，并提出治理措施，為礦井地質條件相類似工作面綜合防滅火提供參考與借鑒。

1 概況

斜溝礦23103工作面主要開采13號煤層，水平標高698～758 m，該工作面位于斜溝礦21采區西，東、北、西三側均為實煤區，南側依次為21采區回風帶式輸送機、輔助運輸上有三條大巷，上端為8號煤層18109和18107采室區。采用走向長壁后退式采煤方法采煤，一次采全高綜采低位放項煤法開采，全部垮落法管理頂板，煤層平均厚度14.38 m，煤層平均傾角9°，割煤高度3.7 m，放煤高度10.68 m。因采用綜合放頂煤工藝進行回采，采空區遺煤較多、范圍廣、空間大，加之所采13號煤自燃傾向性等級為I類，防滅火工作非常重要。23103綜放工作面采用U型通風，開采初期的實際供風量為769 m3/min。23103綜放工作面的巷道布置圖如圖1所示[1]。

圖1 23103綜放工作面巷道布置圖

2 遺煤分布及漏風分析

采空區自燃是遺煤耗氧、放熱與環境供氧、散熱之間微循環平衡關系動態發展的結果，采空區火災發生地點主要與遺煤分布狀態和漏風有關。

2.1 遺煤分布分析

23103綜放工作面兩順槽附近的煤巖受回采應力的影響，破碎厲害且支護困難，在工作面回采推進過程中，這兩道煤柱回采率較低，移架后，未放下的頂煤自然冒落堆積形成丟煤帶。在開切眼附近和自停采線前方30 m處至停采線范圍內，只采煤不放頂煤，煤壁受采動應力的影響明顯，煤體被壓裂破碎成松散狀，導致工作面推進后，頂煤垮落形成厚度大、孔隙率低的浮煤層。而在正常卸壓區的采空區中部，遺煤量較少。因此，“兩道兩線”的采空區是浮煤積聚的區域，增加遺煤自燃隱患[2]。

2.2 漏風分析

23103綜放工作面鄰界和正上方均為大面積的采空區，受高強度的采動影響，該工作面采空區與相鄰采空區之間的隔離煤巖易被壓裂、破碎，易造成采空區之間連通成一片；綜采放煤冒落空間大，頂板礦壓活動劇烈，采空區上覆巖層裂隙貫通形成連通區域，連通區域隨著工作面的回采逐步擴大，在工作面負壓通風條件下，將形成多源多匯漏風通道，給本采空區和與之貫通的采空區內的浮煤提供連續的通風，易發生自燃。

3 風量變化對自燃帶分布的影響研究

3.1 模型建立

根據煤礦安全作業規程要求，結合“四算一校準”原則，得出23103工作面的配風量需求范圍為526～1 227 m3/min。為了得到不同供風量下的自燃“三帶”分布規律，根據23103綜放工作面實際開采布置情況，建立一個長167.5 m、寬168.5 m的二維計算區域，利用COMSOL軟件對采空區內的流場進行數值模擬。其中，工作面寬度7.5 m，運輸順槽長10 m、寬4.7 m，回風順槽長10 m、寬3.8 m；風流由運輸順槽流入，經工作面和采空區由回風順槽流出。同時，對采空區內風流流動進行假設處理，建立相應的連續性方程、動量守恒方程和組分傳輸方程。

3.2 模擬結果及分析

結合當前礦井綜合防滅火的技術，采空區自燃“三帶”范圍的劃定主要有：采空區氧濃度法、漏風風速法和遺煤升溫速率法三種方法。以上方法均是獨立考慮氧化蓄熱條件的影響，而忽略了相互間的聯系，本研究中采用氧濃度和漏風風速相結合的方法來劃分采空區“自燃”三帶范圍，即以漏風風速0.004 m/s為散熱帶與氧化帶的界限，以氧氣濃度（體積分數）8%為氧化帶與窒息帶的界限，對不同供風量下的采空區氧濃度分布和“三帶”范圍進行研究[3]。

為了驗證模擬結果的準確性，如圖2所示，工作面回采初期，順著回風順槽，沿工作面傾斜方向不等間距地布置束管監測系統（6個監測點），抽取采空區內的氣體，利用氣象色譜儀對氣體成分和濃度進行分析，對采空區監測點氧濃度實測值進行模擬對比可得出：隨著束管埋入采空區深度的增加，采空區氧濃度模擬值實測值的變化趨勢相一致，證明建立模型可靠性高。

圖3 采空區束管監測系統布置

表1 工作面不同供風量下的采空區氧化帶范圍

工作面不同供風量下的采空區氧化帶寬度如表1所示，從表中數據可明顯看出，隨著工作面供風量的增加，采空區氧化帶的前后邊界均向采空區深部移動，但后邊界的移動速度要快于前邊界，氧化帶寬度會增加。

4 綜合防滅火技術實施方案

4.1 降低通風量

當23103綜放工作面供風量越大，漏風越多時，采空區氧化帶越寬。因此，在滿足排放瓦斯和保證工作面適宜環境溫度的前提下，從預防采空區自燃角度考慮，應盡可能采用低風量通風技術。經過測算，23103綜放工作面最低需風量為526 m3/min，考慮瓦斯涌出的不穩定性，通風系數取1.15～1.25，通過風簾調節將工作面合理供風量控制604.9～657.5 m3/min內。

4.2 構筑隔離墻抑制漏風

工作面采空區漏風滿足阻力定律：

式中：Hf為工作面進回風巷壓差，Pa；P1、P2為漏風起、終點的壓力，Pa；Rf為漏風風阻，kg/m7；Q 為漏風風量，m3/s；n 為漏風流態指數，n=1～2。

圖4 采空區上下隅角土袋墻封堵

在23013綜放工作面進回風巷風壓差保持不變的情況下，在采空區“兩道”側增設隔離墻能有效增大漏風風阻，減少采空區內的漏風量。如圖3布置所示，自工作面兩側隅角切頂線起，每隔5～8 m，采用充填的構筑隔離墻進行堵漏，改變采空區內的風流場分布，縮小氧化帶寬度范圍，抑制遺煤自燃。

4.3 采空區注氮

采空區注氮地點選擇工作面進風側，注氮釋放管口位于距工作面50 m采空區氧化帶內。注氮采用預先在工作面運輸巷和回風巷鋪設兩趟管路交替連續注氮方式，注氮可使采空區缺氧惰化，形成正壓狀態，抑制新鮮空氣進入采空區，保特采空區的高惰化度；此外，氮氣具有膨脹吸熱功效，可吸收煤炭氧化所產生熱量。注氮采用DM-600模分離注氮機，結合23103綜放工作面推進度，每日注入20 h的12 000 m3氮氣量。

5 結論

斜溝礦23103綜放工作面通過動態監測和數值模擬相結合技術，通過采取構筑隔離墻、注氮和降低供風量的綜合防滅火措施，降低采空區遺煤自燃隱患，保證了工作面安全順利回采和設備搬遷，實踐取得顯著的社會與經濟效益。