復雜地質條件下長距離推進綜放工作面安全保障技術研究

1 項目背景

該項目于2020年1月通過了中國煤炭工業協會組織的科技成果鑒定，研究成果為國際先進水平。

隨著礦井的開采深度及范圍不斷的擴大，通風網路的結構日益復雜，通風設施布局、通風壓力的分布、內外部漏風等造成礦井通風、瓦斯、煤炭自燃管理的難度越來越大，尤其是在采煤工作面的開采過程中上分層采空區的瓦斯以及本煤層采空區的瓦斯相互作用涌出下，往往給采煤工作面和礦井帶來嚴重的瓦斯、和煤炭自然發火隱患。項目研究于馬道頭礦主要生產工作面8404 面，該面煤層受輝綠巖侵入的穿插破壞，煤層受熱變質或硅化，結構疏松、易碎，煤質趨于復雜化，煤層厚度大。采用綜采放頂煤生產時放煤量多，采空區遺煤量大，采空區空間很容易形成漏風通道，造成遺煤自熱氧化，存在自燃火災、上隅角低氧等隱患，嚴重威脅安全生產。該礦井雖然做了大量防滅火、預防上隅角低氧、通風參數工作，但復雜地質條件下長距離綜放開采采空區自然發火防治是一個新的技術難題。因此，在原有自然火災防治的基礎上，系統、全面和深入開展8404 復雜地質條件下長距離綜放開采采空區自然發火規律與防滅火技術以及上隅角低氧的研究，研究采用先進適用的理論、技術和新材料，解決采空區自然發火、上隅角低氧問題，確保工作面的安全、高效回采具有重大現實意義。

2 研究內容

（1）采空區遺煤動態氧化特性及氣體分布規律研究

通過采取理論與實驗相結合的方式，對不同氧化階段的煤樣進行了交叉點溫度實驗、程序升溫實驗，對不同濃度氧氣條件下的煤氧化升溫產氣進行了實驗測試，建立了采空區浮煤自熱氧化耗氧模型、氧濃度影響耗氧速率函數模型，闡述了采空區遺煤動態氧化特性及氣體分布規律，揭示了采空區遺煤階段氧化特性。

（2）保證工作面需風量，滿足采空區防火風壓的風機選擇

通過對不同型號的局部通風機進行了風機性能測試，對不同材質、尺寸、長度的風筒進行風阻測量，根據工作面需求，進行了綜合比對，最終選取適合礦井需求的局部通風機和風筒；項目組對回采面通風參數進行了測試，并進行了數值模擬，對不同風量條件下的采空區遺煤氧化帶進行了測試分析，最終選取了既能保證工作面需風量，又能滿足采空區防火的風壓，較好的協調了通風和防火的問題。

（3）工作面合理通風參數技術研究

結合復雜地質條件下長距離綜放工作面實際狀況，深入開展工作面合理通風參數技術研究，注氮方式、注氮管路鋪設方式、氮氣出氣口創新方法研究，結合漏風封堵，通過調節工作面通風參數，降低本工作面采空區和臨近采空區漏風，實現了工作面安全回采。

3 主要研究成果

（1）揭示了采空區遺煤階段氧化特性

開展不同氧化階段煤樣的交叉點溫度實驗，建立了采空區浮煤自熱氧化耗氧模型（如圖1）、氧濃度影響耗氧速率函數模型（如圖2），闡明了采空區遺煤動態氧化特性及氣體分布規律，揭示了采空區遺煤階段氧化特性。

圖1 平均粒徑和耗氧速度擬合曲線

圖2 耗氧速率與氧濃度擬合后曲線

（2）協調了礦井通風和防火的問題

通過對不同型號的局部通風機進行了風機性能測試和不同風筒風阻測量（如圖3），優選局部通風機和風筒；數值模擬不同風量條件下的采空區遺煤氧化帶狀態變化，選取了能同時保證工作面需風量和滿足采空區防火要求的通風參數，較好地協調了通風和防火的問題。

（3）降低了工作面采空區和臨近采空區漏風情況優選工作面合理通風參數、合理注氮工藝（如圖4），結合漏風封堵，調節工作面通風參數，降低了工作面采空區和臨近采空區漏風。

圖4 注氮的最優參數

4 .應用效果

本項目研究成果對煤氧化自燃進行了分階段細化研究，提出了煤階段氧化機理，得到了煤氧化自燃的產氣產熱特性，同時結合工作面通風對注氮防滅火方式方法進行了創新改進，對采空區防火起到了良好效果，本項目研究成果還能夠對采掘工作面通風進行解算優化，對風機、風筒等進行了選型，降低了工作面的漏風，為礦井通風、瓦斯、防火等提供了科學依據，保障了同煤集團馬道頭煤礦的安全生產。本項目研究成果可應用于全國同類條件生產工作面的通風、瓦斯、火災防治，使復雜地質條件下（易）自燃煤層開采通風、瓦斯與自然發火災害協同治理更具合理性和針對性，有效遏止火災及瓦斯重大事故的發生，保障井下作業人員的生命安全。2017～2019 年間增產值約10.3 億元。項目研究成果在大同煤集團馬道頭礦井取得成功應用的同時，對大同地區其他礦井，乃至對全國同類礦井的火災防治工作具有指導和借鑒意義。