急傾斜特厚煤層水平分層開采綜合滅火技術研究

林 軍，馬祖杰，王 剛，范酒源

(1.國家能源集團新疆能源公司，新疆 烏魯木齊 830002；2.山東科技大學 安全與環境工程學院，山東 青島 266590)

礦山火災發生在世界上許多國家，對寶貴的能源資源、環境以及人類健康和安全構成巨大威脅[1-5]。中國是全球最大的煤炭生產國，同樣，也是煤炭自燃嚴重受災國家之一，存在煤炭自燃的礦井大約有56%，有自然發火危險的煤層占可采煤層數的60%；由煤炭自燃而引起的火災占礦井火災總數的85%～90%[6-10]。近年來，我國廣泛采用綜采放頂煤開采工藝，但存在采空區垮落高度大、遺煤多、漏風嚴重，過斷層推進速度緩慢等問題，導致自燃火災事故頻發，造成嚴重的人員和綜采設備的損失，同時，大量煤炭資源將被火區凍結，造成巨大的資源浪費[11-13]。工作面的啟封是一項復雜且危險性高的工作，如果對密閉環境內情況認知不足，易引起復燃、甚至是瓦斯爆炸等事故[6]。因此，在啟封火區前必須對火區的狀態做出正確判斷。

烏東煤礦+600水平開采過程中出現明火，在采取了緊急滅火措施撲滅明火后，再恢復生產時支架后方仍出現冒煙現象。因此，針對烏東煤礦采空區遺煤自燃反復發生的問題，首先需對急傾斜特厚煤層水平分層開采條件產生的自然發火原因進行分析，由于封閉工作面并不能有效消除該采煤方式的采空區遺煤自燃災害，除了及時封閉著火工作面，還對發火源、地表等區域采取了注氮、地表堵漏與采空區注漿等一系列防滅火措施，以求徹底解決這種急傾斜分層開采工作面的火災事故。通過COMSOL數值模擬與現場實測相結合的方法，對烏東煤礦特定地質條件下采空區遺煤自燃區域的滅火效果檢驗進行分析，并證實了達到工作面啟封條件，最大限度地減少經濟損失和煤炭資源浪費。

1 工作面概況

烏東煤礦+600水平43#煤層東翼綜采工作面位于副井以東，工作面埋深較淺，靠近地表，地表為荒山丘陵，無公路、河流及建筑設施，具體的綜放工作面參數見表1。

表1 綜放工作面參數

2 急傾斜特厚煤層火災治理技術

通過傳統封閉工作面達到滅火的技術，對于急傾斜特厚煤層水平分層綜放工作面的適用性較低。在這種特殊的地質與工況環境下，具有針對性地制定了快速高效的綜合防滅火技術措施對封閉火區進行治理。

2.1 自然發火致災分析

烏東煤礦+600水平43#煤層上方漏風通道示意如圖1所示，其工作面火災成因分析如下：

圖1 +600水平45#煤層漏風通道剖面

1)立體采空區存在大量空間分布的遺煤，為采空區自燃火災提供了首要的物質條件與蓄熱環境。

2)急傾斜特厚煤層水平分層采空區冒落特性決定了頂板側存在大量的漏風裂隙和冒落不充分形成的漏風空洞，而且易與地表塌陷裂隙貫通。為采空區中大量浮煤，特別是采空區中頂板一側的遺煤，提供了充足的供氧，極大提高了該區域發生煤自然發火的可能性。

3)上分層遺煤在以裂隙為漏風通道并大量供氧作用下，極易發生自燃。同樣，隨著下分層工作面采動的高溫煤體垮落，導致下分層煤體自然發火，最終易形成自下而上的立體火區。

4)封閉綜放工作面火區上方，存在地表塌陷范圍廣、漏風裂隙發育、火區高溫范圍大等問題，且很難被快速消除。然而深部和上部火區火源隱蔽、灌注滅火介質的擴散性差且難以向高位堆積、松散煤體內鉆孔容易塌落等問題也是本工作面發生火災的重要原因。

2.2 綜合滅火技術實施

由于烏東煤礦急傾斜特厚煤層水平分層的開采方式著火區多，立體采空區存在難以發現的著火點等特點，為保證工作面后續的安全生產，除了封閉工作面之外，還采取了其他綜合治理防滅火措施，形成了注氮滅火、地表火點堵漏與注漿堵漏配合的綜合滅火系統如圖2所示。

圖2 綜合滅火系統

2.2.1 注氮滅火

該工作面累計注氮氣680萬m3，注氮期間密閉內外壓差保持在22mmH2O柱-29mmH2O柱，可見，地表與工作面存在漏風；在地表對應工作面10m處施工注液氮鉆孔，累計注液氮82.7t(液態102.1m3，氣態67385m3)，主要通過架后埋管注氮和超前注氮配合的方法控制火區，對發火區完成初步滅火工作。根據采放高度、采空區碎脹系數、自然發火危險帶寬度等確定注氮口每開啟一次的注氮量。注氮量的確定原則是使氮氣充滿整個需要惰化處理的區域，工作面注氮量分為首次注氮量和間歇式注氮量。工作面首次注氮量可按式(1)計算，間歇式注氮的日注氮量式(2)計算。

Q1=WHLK1K2

(1)

式中，Q1為首次總注氮量，m3；W為惰化帶寬度，m；H為惰化帶(采、放煤)高度，m；L為惰化帶長度，m；K1為采空區氣體置換系數；K2為采空區松散系數。

QN=bLHK1K2K3

(2)

式中，QN為間歇式注氮時日注氮量，m3；b為工作面日推進度，m；L為工作面長度，m；H為放煤高度；K1為采空區氣體置換系數；K2為采空區冒落矸石松散系數；K3為工作面推進速度校正系數。

1)架后埋管注氮。在工作面的進風側沿采空區埋設一趟注氮管路。在綜采工作面架后預埋入12m鐵管，鐵管周邊鉆6mm小眼，眼距20cm，管長12m，管路末端鎖口，管路用管箍連接，啟始端與注氮管連接埋入架后30m深度。

2)超前注氮。為了有效控制無法直接觀測的上分層采空區內的高溫火區，消除高溫煤體垮落開采分層的威脅，在+600水平43#煤層東翼北巷距工作面50m的位置朝上分層采空區打直徑為100mm鉆孔，沿煤層傾角施工鉆孔，鉆孔打入上分層采空區。

2.2.2 地表火點堵漏

如圖1所示，開采工作面存在與地表貫通的裂隙，因此在地表圖2中，在井筒煤柱開挖過程中，針對局部火點采取了清挖換填處理措施。坑內清挖至原鐵廠溝煤礦+670水平石門時，出現大面積明火，采取混凝土澆灌、黃土覆蓋處理等措施，將漏風通道封堵。目前井筒煤柱解壓坑累計回填295萬m3，公路煤柱解壓坑累計回填350萬m3。

2.2.3 對原鐵廠溝廢棄巷道注漿堵漏

由于工作面封閉前，火災位置明確，根據火區發生的工作面，查閱烏東煤礦采掘工程平面圖，再以WorldView-2衛星數據為依據，采用遙感解譯與野外驗證(包括進行紅外測溫和觀察冒煙位置)的方法，并通過人機交互解譯與計算機自動信息提取確定了烏東煤礦采空區內火區所對應的地表由采礦活動引發的裂隙分布影響區[14]。+600水平43#煤層探查孔平面圖如圖3所示，為達到直接滅火的效果，由地表向對應工作面6#～9#支架后25m范圍內的采空區，進行打孔注漿堵漏，同時對原鐵長溝煤礦+620～+670軌道、運輸兩條上山對應位置打孔注漿，灌注黃泥復合膠體總量11004m3。

圖3 +600水平43#煤層探查孔平面

3 火區治理效果分析研究

為了分析火區災害治理效果，通過對現場采樣分析與數值模擬相結合的方法分析出了治理效果。

3.1 密閉區現場取樣監測分析

在+600水平43#煤層東翼北巷向+620水平43#煤層東翼北巷、+620水平43#煤層水倉、+670—+620水平軌道下山下部車場、+620水平43#煤層東翼南巷、+670—+620水平運輸下山(7#架頂部)等多個地點，施工了探查鉆孔，主要通過巷道內探查氣體、積水、積漿等情況，綜合評價火區治理效果。探查表明：巷道內存在積水、積漿。經過對其進行探放，確保無積水、積漿后，檢測發火指標性氣體。

通過對+600水平43#煤層封閉區內指標氣體連續采樣，采取滅火措施后的不同地點不同氣體組分濃度的整體綜合情況見表2。可見，氧氣濃度在1%左右，一氧化碳、乙烯氣體濃度也保持穩定，無乙炔氣體。其間，結合封閉區內溫度與封閉前日常空氣溫度情況，火區的出水溫度為14℃，低于25℃。根據《煤礦安全規程》[15]二百七十九條規定以及煤的氧化升溫實驗[16]研究可知，上述氣體濃度和水溫情況，持續時間近兩個月，初步判斷火災封閉工作面的6#—8#液壓支架頂部著火點已熄滅。

表2 火區治理后氣體組分采樣分析記錄表

為進一步研究綜合滅火措施的有效性，對密閉內的O2與CO濃度持續取樣。

連續37天的O2濃度數據統計如圖4所示，從數據統計結果得出，封閉礦井期間分為初始階段和穩定階段兩個階段。初始階段O2濃度波動較大，而穩定階段O2濃度波動較小，并且均處于安全線以下。從一定程度上說明礦井封閉效果以與滅火效果良好。采取滅火措施后，對57天CO濃度持續采樣分析如圖5所示，從數據統計結果得出，礦井封閉后同樣分為兩個階段，即平穩階段和穩定階段。在平穩階段CO濃度降到較低水平但仍有較大波動性，而在穩定階段，CO濃度下降至較低水平并且最終趨于平緩。采取滅火措施后，檢測到密閉區內指標氣體CO與O2低，維持段時間超過一個月時間，從對O2與CO的分析結果來看，制定的綜合滅火措施滅火效果好，達到了工作面啟封的條件。

圖4 封閉區O2折線

圖5 封閉區CO折線

3.2 綜合滅火措施實施前后數值模擬研究

為了研究綜合滅火措施有效性，利用COMSOL數值模擬軟件，對實施滅火措施前后地面漏風狀況、CO濃度分布進行模擬。相比于常規地質開采條件，烏東煤礦+600水平上分層已開采，存在呈立體式的采空區，容易產生貫通于地面的漏風通道，因此針對烏東煤礦的急傾斜特厚煤層具體的地質開采條件，以地質資料為基礎，MATLAB賦值編譯出孔隙率，通過插值函數邊界條件的方法，將孔隙率插入COMSOL模擬軟件中，在分層采空區空間的孔隙率分布如圖6所示。

圖6 立體空間孔隙率賦值

根據烏東煤礦地質條件建立幾何模型，假設立體采空區為多孔介質，邊界條件上下邊界為狄雷克邊界條件，左右無流動，孔隙率為全局賦值邊界。模擬參數見表3。

表3 模擬相關參數

模擬治理前后漏風規律，以達西定律為基礎，為了更加符合多孔介質流動，建立了自定義PDE模型，通過定義系數來實現物理模型形式，其偏微分方程為：

(3)

式中，a、γ為矢量系數;；u為變量；ea為質量系數；da為阻尼系數；c為擴散系數；a為對流系數；α為吸收系數；γ為源項；為哈密頓算子。

狄雷克(Dirichlet)邊界條件為：

hu=r

(5)

式中，h為矢量系數；u為變量；r是狄利克雷邊界條件中指定的邊界速度變量，m/s。

為了保證模擬的準確性，漏風入口為現場實測的地表氣壓的實測平均值，出口為+600水平自然風壓實測平均值。

對火災治理前后43#煤層急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面漏風流場分布規律模擬分別如圖7和圖8所示。治理前煤層空間內漏風流場分布范圍大，漏風量大，漏風流場在+600水平工作面產生積聚，風速高的區域較大，空氣從與地表貫通的裂隙通道內涌入開采層空間；采取廢棄巷道注漿堵漏以及地表火點清挖覆蓋、黃土回填堵漏等措施后，漏風流場變化，+600水平工作面風流速度大幅度減小，風流分布區域大幅度降低。

圖7 治理前43#煤層漏風風流分布

圖8 治理后43#煤層漏風風流分布

模擬滅火措施前后CO分布規律如圖9與圖10所示，從兩圖中可知，因為在工作面支架處出現著火事故，以及存在地表向下的漏風，所以滅火前CO濃度高且主要集中在+600開采水平上。滅火后因為注氮、CO密度略小于空氣等原因，使得CO主要集中在上分層采空區內。

圖9 治理前CO分布規律

圖10 治理后CO分布規律

為了對滅火前后CO分布定量分析，提取圖10中模型中部所對應的數據提取線和兩側邊界上的數據，兩側邊界及中部的數據提取線是指以+600水平位置為坐標原點，沿煤層傾角44°由下往上的163m直線，導出如圖11所示，從圖中可知，治理前后CO濃度結果變化明顯，治理前CO濃度最大達到0.9%，治理后CO濃度最大達到0.1%，位于中間和左右兩側的數據提取線所反映的滅火后的+600開采水平的CO濃度模擬數據范圍平均濃度為0.0093%，密封穩定后現場實測數據的平均CO濃度為0.013%，模擬數據與實測結果吻合，可以從CO濃度數據方面驗證模擬準確性高。

圖11 線上的CO濃度分布曲線圖

模擬結果可得，滅火前+600水平上CO濃度最高，并向地表方向遞減，由于在開采層上發生了著火事故，煤燃燒產生大量CO且不能及時排出，導致CO產生積聚。采取了綜合滅火措施后，熄滅了火源，并且注入了大量氮氣，使開采層CO濃度降至0.01%以下，在上分層采空區由于氮氣置換與CO輕于空氣等原因所以出現了CO先上升后下降現象。

針對急傾斜特厚煤層水平分層開采工作面火災發生特點，從數值模擬得到采用的綜合防滅火治理措施后，+600水平漏風流場范圍減小，CO平均濃度從0.894%降至0.0093%，因此可認為啟封前的火區滅火措施行之有效，火區治理效果好。

4 結 論

1)對急傾斜特厚煤層水平分層開采方式發火災害來源分析，制定適用于此開采方式下的地表堵漏、地面注漿與火區注氮配合的綜合滅火措施，快速處理了工作面著火事故。

2)對封閉工作面氣體O2和CO持續采樣分析，O2濃度最終在1%左右波動與CO最終在0.013%左右波動，達到了安全水平并維持這種狀態較長時間，因此可得出綜合滅火措施可以快速控制火區，滅火措施有效。

3)數值模擬得到滅火前后開采分層處風流場發生變化，風速大的區域減小。指標氣體CO的分布規律發生變化，滅火前CO濃度高，且自開采分層向地表逐漸降低，滅火后CO濃度較低，且出現上分層采空區先高于開采分層然后降低的現象，說明了提出的綜合滅火措施能夠滿足急傾斜特厚煤層水平分段開采方式下的滅火需求。