信息化技術在深部高溫沖擊煤層自然發火防治中的應用與實踐

張盛 祝傳軍 李元偉

摘要：以煤炭自燃條件為切入點，考慮自然風壓和沖擊性對煤層及采空區的影響，采用理論分析、數值模擬、現場測試、技術裝備等相結合的方法，找出適用深部高溫沖擊煤層的自然發火漏風防治技術和采空區信息化防火技術，實現自然發火信息化預警及應急響應。

關鍵詞：深部高溫;沖擊煤層;自然發火;防治

高莊煤礦井深、地溫高、巷道壓力大，沖擊地壓災害、煤層自然發火災害是制約礦井安全生產的兩大主要自然災害，兩大自然災害相互影響，增加防控難度。

1礦井概況

高莊煤業有限公司位于山東省濟寧市微山縣付村鎮。礦井開拓方式為立井分區式集中下山開拓，地面井口標高+37.7m，劃分2個水平，東翼設置-215m水平，西翼設置-600m水平。

通風方式為中央并列式，采用抽出式通風;礦井恒溫帶深度37.8m，溫度15.57℃，平均地溫梯度2.72℃/100m，地溫隨深度增加而升高。

2 實施背景

自然風壓的變化導致采空區與外部交換氣體的方向發生周期性變化，不但為采空區提供了充足的氧氣，還造成有毒有害氣體涌出。沖擊地壓的存在導致遺煤破碎，地溫增加導致采空區遺煤蓄熱條件增強，遺煤自燃風險增大。

3 主要做法

3.1 深部采空區流場分布及動態演化規律

1.壓能的計算

通風系統中，某一測點i與基點1之間的風壓差（或阻力）h1i，就是該測點處壓能 ，即

采空區內風流的阻力定律普遍形式為：

——采空區漏風量，m3/s。

2.測定方法 采用精密氣壓計基點法，即將一臺精密氣壓計放置在地面井口附近，作為基點氣壓計，監視地面氣壓變化情況。另將一臺氣壓計沿測定路線按選定的測點進行測定，稱為測點氣壓計。基點氣壓計每隔5分鐘讀數，測點氣壓計在各測點讀數，測點氣壓計讀數和基點氣壓計讀數時間相對應，以反映地面氣壓變化對測點讀數的影響，保證測點測定結果的可靠性。

3.測定路線及測點測定時選擇一條風流路線長、風量大、通過工作面且包含較多測點及內容的測定路線，將所測參數進行處理，獲得各測點靜壓、位壓、動壓，根據密閉內外壓差以及各測點壓能，判定各采空區的漏風趨勢，判斷各采空區之間是否連通，據此推測出大面積采空區內部流場變化規律。

3.2 深部高溫沖擊煤層自然發火特征實驗

3.2.1 實驗過程中測定煤樣隨環境程序溫升過程中一氧化碳、二氧化碳、甲烷等生成氣體的濃度等特征參數的量值及變化等，同時根據實驗結果分析浸水風干煤體二次氧化的臨界溫度、加速氧化溫度（交叉點溫度）等極限參數以及其它物化參數，從而全面考察煤樣的自燃特性。

3.2.2 高溫沖擊氧化特性實驗實施

（1）實驗樣品的制備

在工作面剛暴露的煤壁處，采集新鮮樣品，選取一定量的樣品在常溫下進行破碎，碎篩分出40目～80目以及80目以上粒徑樣品，作為實驗用樣品。

（2）實驗條件的確定

考慮地溫影響，選取預氧化至130℃的較高的預氧化條件;考慮孔隙率因素，將樣本磨碎不同粒徑煤粉，用來模擬大孔隙遺煤;考慮漏風通道影響，提高供風速度模擬大漏風量。

3.3 基于深部沖擊煤層覆巖三維裂隙場的自然發火危險區域劃分

3.3.1 深部沖擊煤層覆巖三維裂隙場演化規律

受沖擊地壓影響，采空區冒落巖體和遺留煤體更為破碎，形狀大小不規則，使得采空區具備了遺煤（可燃物）、漏風（氧氣）和瓦斯賦存的條件。

理論與PFC數值模擬兩個方面對沖擊地壓煤層工作面裂隙場演化規律進行分析，為遺煤自燃等災害引入針對性防治措施提供重要的依據。

3.3.2 沖擊特性對采空區自然發火影響

工作面推進過程中，采空區空間高度上浮煤形成不同分布狀態，自上而下形成“碗”狀冒落矸石帶、矸石與浮煤的混合帶、浮煤帶，對于混合帶和矸石帶，由于其碎脹系數較大，易于形成采空區漏風。

3.3.3 采空區自然發火危險區域劃分

采用PFC3D模擬出覆巖垮落裂隙場，綜合考慮沖擊特性、高地溫特性、孔隙率特性、采空區裂隙場產生漏風通道特性、煤的自燃傾向性、漏風供氧條件、聚熱散熱條件等影響因素，建立自然發火危險性評價模型，并對深部高溫沖擊地壓綜放工作面進行自然發火危險性評判，劃分自然發火危險區域。

3.4 自然發火信息化預警及應急響應系統建立

3.4.1 自然發火信息化預警技術指標體系

煤炭自燃過程中會產生CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等氣體。這些氣體的生成量會隨著煤溫的升高發生顯著變化，通過分析指標氣體生成狀況的變化就可大致判斷煤氧化過程所處的階段。根據指標氣體進行自然發火信息化預警技術指標體系的構建，建立不同生產區域和生產條件下的預警指標，形成自然發火信息化預警技術指標體系。

3.4.2自然發火信息化預警及響應系統

3.4.2.1自然發火信息化預警子系統

主要包括采空區無線自組網溫度監測系統、正壓束管監測系統和安全監控系統，該系統通過TCP/IP協議直接從正壓束管監測主機、采空區無線自組網溫度監測主機和安全監控系統服務器中調用相關實時監測數據。采空區自然發火多參數監測系統服務器、煤自燃火災束管監測主機、采空區無線自組網溫度監測主機安裝于同一監控室，即可滿足各火災監控系統的獨立工作條件，又能達到在采空區自然發火多參數監測系統集成功能要求。

3.4.2.2自然發火信息化響應子系統

錄入防滅火裝備、防滅火材料，針對不同危險程度的自燃隱患，提前進行方案設計。出現問題時，系統自動生成響應方案，實現對自燃火災的快速響應。

4.結論

實踐表明，該成果成功解決了自燃火災防治的需求，同時降低了災害治理的成本，提高了沖擊地壓礦井預防與治理煤層自然發火災害的能力，從而大大降低了發生災害事故的概率。