徐莊煤礦7311工作面綜合防滅火技術（7311面壓能分布情況測定）

張中國

摘要：針對7311工作面采空區及其鄰空煤柱（材料道側）與老空區（南部采空區、封閉巷道）火害，開展了7311工作面通風系統壓能測定及半導體測溫與束管取樣分析等一系列技術工作。在此基礎上，專門、重點地進行了7311工作面通風系統的均壓防滅火技術方案設計，采空區遺煤自燃氧化過程分析及采空區自燃“三帶”劃分，提出了針對7311工作面的各項煤火應急技術。

關鍵詞：壓能測定、“三帶”劃分、均壓防滅火、CFD模型、煤火應急技術

1、7311工作面火情概況

受到地質構造、開采技術等條件影響，7311工作面回采至中段時，出現了大、小面對接的不規則布置情況。自2017年10月底對接后的7311工作面重新回采生產以后，由于推進速度緩慢（平均2刀/d），因此造成了采空區（主要為大、小面對接處）遺煤氧化速度增加、煤溫上升，以至2017年12月中旬，導致了7311工作面采空區深部遺煤氧化產生的CO氣體運移、外溢至回風隅角處的煤火現象（實測下隅角切頂線處CO氣體濃度120～140ppm）。

2、7311工作面自燃危險區域判定研究

2.1、采空區自燃“三帶”劃分

（1）半導體測溫、束管取樣分析系統建立及測點布置

7311工作面采空區自燃“三帶”劃分，采用半導體測溫與束管取樣相結合的分析系統，同時對采空區溫度及各項氣體參數變化進行采集分析，來確定7311工作面采空區實際“三帶”劃分情況。

7311采空區測點布置，自7311工作面大、小面對接的大面上開始，在上隅角位置處自上而下、下隅角位置處自下而上分別按照平均間隔約50m的步距布置1個測點，共布置5個測點。每個測點分別埋設一用一備的2個溫度傳感探頭和2根束管 （隨著回采工作面的逐步向前推進，1、2、3、4、5測點則先后分別進入采空區散熱帶、自燃帶和窒息帶）。分別沿材料道、運輸道各布置一趟50mm鋼管（約200m），將溫度探頭引線和取樣束管捆扎成束后敷設于鋼管內。

（2）“三帶”分布分析

用采空區內遺煤自燃氧化溫升速率K劃分“三帶”。溫升速率K是指每一天溫度上升值℃/d，如果K大，反映自燃危險性就大，通常認為K≥1℃/d就進入可能自燃帶[1]。據工作面推進期間溫度探頭收集的數據分析，該帶的范圍在采空區材料道側自7311面向采空區方向為24～94.2m、運輸道側為10.8～90m。具體的，進風順槽（材料道）、回風順槽（運輸道）測點依溫升溫率K劃分“三帶”如表1所示。

用采空區內氧氣濃度大小劃分“三帶”。采空區內氧氣濃度的大小，直接反映了遺煤氧化時的供氧條件。通過在采空區內鋪設束管取樣分析，其氧氣濃度變化規律為：在采空區材料道側自7311面向采空區方向27.6m內，因漏風量較大，氧氣濃度大于19%，氧化生成的熱量不易積聚，屬于散熱帶;自7311面材料道側向采空區方向27.6～108m之間，氧氣濃度在8～19%之間，此帶有足夠的氧氣供給遺煤氧化，而生成的熱量又不易被帶走，屬于可能自燃帶;108m以后氧氣濃度低于8%，此帶屬于窒息帶。同理，運輸道分別為：散熱帶0～12.6m、可能自燃帶12.6～98.4m、窒息帶為98.4m以后。具體的，進風順槽（材料道）、回風順槽（運輸道）測點依氧氣濃度大小劃分“三帶”如表2所示。

2.2、基于采空區氧氣濃度場CFD模型的自燃危險區域模擬

根據7311綜放工作面的特點，其CFD模型的物理特征參數描述如下：設采空區兩道長300m，工作面傾向長120m，煤厚5m，上、下巷道斷面4.2×3.0m2，砂質泥巖、中砂巖頂板，取模型高50m，U型全負壓通風方式（增阻減風均壓方法）。按照氧氣濃度8%～19%為氧化帶劃分標準，在配風量700m3/min條件下進行氧化帶分布模擬[2]。

模擬結果顯示，在配風量700m3/min時，采空區氧氣濃度場分布及氧化帶分布云圖如圖1所示。從圖中可以看出，采空區進、回風側，高氧含量區域分布范圍較廣，在采空區深部80～100m左右，氧氣含量仍可達到8%;而在采空區中部，氧氣濃度則下降相對較為迅速，在采空區深部60m左右，氧氣含量即可下降到5%以下。

進一步地分析可知，7311工作面采空區自燃氧化帶在上、下兩道巷側的活躍范圍較廣，長達70～80m左右，沿進、回風巷側都寬達30m左右。這就表明，在正常回采期間，煤自然發火的威脅通常大多來自于上、下兩道處遺煤，此應是礦井日常防滅火工作的重點區域。顯然，如果這時采用防滅火技術能夠將兩道處的遺煤做到無縫隙覆蓋，則可大幅度地降低回采期間的煤自然發火危險性的可能，其是阻止采空區遺煤自燃的關鍵所在。

3、壓能測定及均壓防滅火技術

3.1、7311工作面通風系統壓能測定

（1）測點布置

全井（包括7311工作面通風系統在內）共布置相關壓能測點55個，它們分別是副井上下口、南風井上下口、7311工作面（材料道、上/下隅角、溜子道）及其與采空區可能有連通的密閉墻內外等一系列地點[3]。

（2）壓能測定

針對7311工作面通風系統部分開閉調節風門時的壓能測點基礎數據，繪制了7311工作面通風系統壓能圖，如圖2所示。圖中Ⅰ為關閉7311回風調節風門時的壓能波線，Ⅱ為打開7311回風調節風門時的壓能波線。

波線變化可見：

①風窗前后風路上因風量減小壓能坡線變緩，即7311工作面的上、下隅角間的壓（能）差變小。它的原理為增阻減風，顯然當7311工作面及其采空區的風阻不變時，則其擴散漏風必然減少而有利于防火。

②風窗的上風側風流壓能增加，風窗的下風側風流壓能則減小。由此進一步加大了7311材料道的各點壓能皆大于7215廢舊放水巷密閉墻外的壓能，而存在著7311工作面往7215廢舊放水巷密閉墻內漏風的可能（現場觀測表明，7215廢舊放水巷墻體內外壓差較大，存在漏風現象）。且不難分析，隨著7311工作面的回采不斷向前推進，當其采空區與上部的南部采空區連成一體時，必然存在自7311工作面往其采空區方向漏風的可能，而極易造成7311工作面采空區、老空區（南部采空區、封閉巷道）煤火的發生。

3.2、7311工作面均壓防滅火技術應用

（1）均壓防滅火技術方案

鑒于7311工作面煤火形勢，2017年8月份，7311工作面均壓防滅火技術方案于現場正式實施、投運。撤除7311溜子道出口47～48點之間的調節風門，根據現場實際情況，7311材料道出口均壓調節風門分別構筑在Ⅱ⑴采區通風上山一甩道、Ⅱ⑴采區軌道上山一甩道的兩處巷道內。投運以后，7311材料道出口均壓調節風門內至7311工作面回風出口的各點壓能變化情況如圖3所示。其中圖Ⅰ為7311工作面通風系統均壓前壓能波線，圖Ⅱ為7311工作面通風系統均壓后壓能波線。

由7311工作面通風系統壓能圖可以看出，7311工作面通風系統施以均壓通風以后，7311材料道出口均壓調節風門內至7311工作面回風出口（7311材料道、7311工作面上等）的各點壓能大大降低。即減小了7311材料道、7311工作面上與7311工作面采空區、老空區（南部采空區、封閉巷道）之間的壓（能）差，從而減少了往7311工作面采空區、老空區（南部采空區、封閉巷道）的漏風量，使得區內空氣不產生流動和交換，斷絕了氧源，達到了窒息惰化或抑制遺煤自然發火的良好效果。

4、其他煤火應急技術應用

（1）CO2防滅火技術應用

7311工作面采用開放式注入方式，即在7311工作面敞開條件下，且在回采生產的同時，對其采空區氧化自燃帶注入CO2，實施“邊采、邊注、邊防治采空區煤火”的CO2防滅火方法。

礦有2000m3/h型CO2氣化裝備一臺，CO2純度為99%;氧化自燃帶走向長為83.1m，傾斜長度為230m，采高與放頂高之和為4.8m ;設定氧化自燃帶內漏風量為16m3/min，平均O2濃度為15%，CO2惰化后的氧化自燃帶內平均O2濃度降至10%等[4]。

①氧化自燃帶氣體置換總量為：

V = L1×L2×L3×K1×K2

= 83.1×230×4.8×2.5×0.85

= 194950m3

相應的，所需的液態CO2質量（設CO2由液態換算成氣態的膨脹率為500m3/t）為：

m = V/500 = 390t

②氧化自燃帶氣體置換時間為：

t = V/QDm = 194950/2000 = 98h = 4d

③日常注入量為：

QD=60KQ漏

= 60×1.2×16×（0.15-0.1）/（0.99+0.1-1） = 640m3/h

CO2對人體有害，在實施應急CO2防滅火技術工程過程中，應注意遵循《煤礦安全規程》的相關條款規定，加強7311工作面CO2檢測與監測，不得超標。

（2）凝膠泡沫防滅火技術應用

鉆孔布置：在工作面下部50架液壓支架長度范圍內（70～80m），一般每隔3臺支架在架間布置一組鉆孔，每組鉆孔由3個配合鉆孔組成，3個配合鉆孔開孔位置一般控制架間前后立柱中間位置，終孔位置分別控制到架后15m、20m、30m位置，煤層頂板之上2～3m的高度范圍。部分架間側護板無法收縮的位置，可適當調整到臨近架間開孔，為保證注漿效果，一般兩孔間距不能超過5臺支架長度。

注漿安排：從下隅角位置向50#支架方向順序鉆孔施工，每組鉆孔施工完畢后應及時連接注漿管路進行注漿，為確保注漿擴散堆積效果，每孔注漿過程應連續穩流灌注。每個鉆孔施工完畢后礦方應安排瓦檢員及時抽取鉆孔頂部氣體進行實時檢測并準確記錄，將每天匯總數據后及時與廠家技術人員溝通確認，以便及時整體、確定治理重點及注漿工作安排。針對工作面內地質構造遺煤區域、氣體測量數據異常區域及注漿防滅火效果凸顯區域，應及時加大注漿強度，確保注漿覆蓋性。同時，在注漿效果凸顯區域周圍可根據實際需要增打注漿鉆孔，確保發火區域的全面有效覆蓋治理。

5、結語

針對7311工作面回采至中段時，由于大、小面對接時的準備時間過長、回采時的推進速度過慢等，而出現的采空區深部遺煤氧化的煤火現象，實時采取了包括應急均壓防滅火技術、應急CO2防滅火技術、應急凝膠泡沫防滅火技術等煤火應急與綜合治理的一系列防滅火技術措施和方法。通過煤火應急技術在7311工作面中的成功應用，減少了采空區漏風，迫使采空區遺煤“氧化帶”前移并縮小，更是起到了采空區遺煤“氧化帶”得到全面隔氧、濕潤、降溫、冷卻等的重大作用，從而使得采空區遺煤自燃得到快速治理，收到了應急防滅火技術應用的預期效果，確保了7311工作面的安全回采。

參考文獻：

[1]張磊，秦嶺，包軍等。基于溫升速率的煤自燃傾向性測定方法[J]。科技技術與工程，2017，17（30），186-189。

[2]范濤，劉彥青，桑聰等。綜放工作面配風量對采空區遺煤瓦斯涌出的影響研究[J]。煤炭工程，2018，50（11），58-62。

[3]張曉瑞。采礦巷道掘進通風系統壓能分布分析[J]。中小企業管理與科技，2015，（29），94。

[4]李波，牛振磊，程根銀。深部礦井綜放工作面壓注二氧化碳防滅火應用研究[J]。華北科技學院學報。2016，13（5），19-22。