謝中朋

(1.中國礦業(yè)大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，北京 100083;2.首都經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)安全與環(huán)境工程學(xué)院，北京 100070)

0 引言

采空區(qū)是煤礦井下主要災(zāi)害源之一，許多重大災(zāi)害事故的發(fā)生幾乎都與采空區(qū)某些因素有關(guān)。隨著采礦技術(shù)的發(fā)展，工作面采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性將越來越大。近年來，隨著高產(chǎn)高效新技術(shù)的不斷發(fā)展，礦井開采強(qiáng)度加大，采空區(qū)范圍不斷擴(kuò)大，特別是綜放開采易自燃煤層，采空區(qū)留有大量浮煤，使得采空區(qū)煤層自燃防滅火成為決定綜放開采能否成功的關(guān)鍵因素。分析工作面采空區(qū)遺煤的自燃氧化狀況，判定實(shí)際條件下工作面采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律，自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍及其形態(tài)［1］。對于確定回采工作面的通風(fēng)方式，優(yōu)化回采工作面的通風(fēng)參數(shù)，確定回采工作面的安全推進(jìn)速度，確保采空區(qū)遺留浮煤不出現(xiàn)自燃危險(xiǎn)等，皆具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義［2］。

1 工作面概況

龐莊礦7431工作面煤層屬7#煤，其煤層厚度變化范圍為2～5m、平均厚度3.5m。工作面順槽走向長度1200.7m、傾斜長120m左右。工作面通風(fēng)采用“U”型通風(fēng)方式。根據(jù)礦井瓦斯鑒定等級，龐莊礦屬于高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層具有自然發(fā)火傾向性，自燃等級為Ⅰ類或Ⅱ類，即容易自燃或自燃，煤層自然發(fā)火期一般為5～12個(gè)月，最短為1～3個(gè)月。

2 采空區(qū)“三帶”劃分

隨著工作面向前推進(jìn)，由于礦山壓力的作用，當(dāng)煤體由冒落松散區(qū)(散熱帶)逐漸進(jìn)入頂板離層區(qū)時(shí)，冒落巖塊開始承壓，并逐漸壓實(shí)，其孔隙率降低，風(fēng)阻增大，漏風(fēng)強(qiáng)度處于易于遺煤自燃氧化的狀態(tài)，該段溫度顯著上升、氧氣濃度下降、一氧化碳濃度大增(氧化帶)［3］。隨著工作面進(jìn)一步向前推進(jìn)，當(dāng)冒落巖塊逐漸壓實(shí)進(jìn)入壓實(shí)區(qū)時(shí)，由于漏風(fēng)的減少，氧氣濃度難以維持遺煤自燃，原處于自燃狀態(tài)的遺煤，也因?yàn)槿毖醵舷ⅲ藭r(shí)溫度也開始緩慢下降、一氧化碳濃度逐漸趨緩(窒息帶)［4］。

另外，由于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)處于新鮮漏風(fēng)流中，所以氧氣濃度下降較慢;而回風(fēng)巷側(cè)處于漏風(fēng)匯中，風(fēng)流沿途受到氧化及生成氣體的涌入，氧氣濃度下降較快，一氧化碳濃度則相對較高。其三帶分布示意圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域靜態(tài)分布圖

3 采空區(qū)“三帶”范圍實(shí)測及分析

3.1 束管取樣分析系統(tǒng)的建立

龐莊礦7431工作面傾向長120m，分別在進(jìn)、回風(fēng)側(cè)布置2個(gè)測點(diǎn)，每個(gè)測點(diǎn)埋設(shè)一根束管，(隨著工作面的逐步推進(jìn)，4個(gè)測點(diǎn)分別先后進(jìn)入冷卻帶、自燃帶和窒息帶)。在抽氣站用防爆抽氣泵抽取氣體，取樣氣體成分用中國礦業(yè)大學(xué)自燃模擬實(shí)驗(yàn)室專用色譜儀進(jìn)行處理分析。取樣測點(diǎn)布置示意圖如圖2所示。

圖2 7431工作面測溫取樣測點(diǎn)布置示意圖

3.2 采空區(qū)“三帶”寬度的確定

通過對4個(gè)測點(diǎn)O2和CO濃度沿采空區(qū)走向變化情況進(jìn)行綜合分析，進(jìn)風(fēng)側(cè)的1號點(diǎn)、2號點(diǎn)，回風(fēng)側(cè)4號點(diǎn)、5號點(diǎn)O2和CO濃度變化趨勢如圖3圖4所示。

圖3 O2濃度隨采空區(qū)深度關(guān)系圖

1)從圖3、圖4可以看出進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度明顯高于回風(fēng)側(cè)，而進(jìn)風(fēng)側(cè)CO濃度明顯低于回風(fēng)側(cè)，這主要是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)大，不斷有新鮮風(fēng)流補(bǔ)充來稀釋CO的濃度，并帶走一部分熱量，而回風(fēng)側(cè)CO濃度高是由于回風(fēng)側(cè)氧化更劇烈消耗大量氧氣，同時(shí)采空區(qū)內(nèi)部發(fā)生煤炭氧化后產(chǎn)生的CO隨漏風(fēng)流不斷的聚積到回風(fēng)巷導(dǎo)致的。

2)隨工作面的推進(jìn)采空區(qū)O2濃度呈逐漸下降趨勢，CO濃度逐漸增大。綜合分析采空區(qū)氧氣、一氧化碳變化，采用氧濃度劃分煤炭氧化自燃“三帶”的指標(biāo)參數(shù):(O2)＞19%為散熱帶，15%＜(O2)＜19%為自燃帶，(O2)＜15%為窒息帶。依據(jù)氧濃度法及CO濃度變化，采用MIN－MAX優(yōu)化理論［5］，即根據(jù)氧氣濃度法和參照CO濃度的劃分，散熱帶取二者中的最小值，自燃帶取二者中的最大值，得出采空區(qū)“三帶”的范圍，如表1、表2所示。

表1 依O2/CO濃度大小劃分采空區(qū)“三帶”分布表

表2 工作面采空區(qū)“三帶”范圍表

4 采空區(qū)防滅火措施

4.1 三相泡沫的防滅火機(jī)理

中國礦業(yè)大學(xué)研制出了防治煤炭自燃的三相泡沫防滅火新技術(shù)［6］。三相泡沫防滅火技術(shù)集固、液、氣三相材料的防滅火性能于一體，充分利用粉煤灰或黃泥的覆蓋性、氮?dú)獾闹舷⑿院退奈鼰峤禍匦赃M(jìn)行防滅火［7］。現(xiàn)場應(yīng)用表明，三相泡沫防滅火技術(shù)對一般采空區(qū)煤炭自然發(fā)火、大型火區(qū)及火源位置不明區(qū)域、綜放工作面的高位及巷道高冒火區(qū)、傾斜俯采綜放工作面采空區(qū)煤炭自然發(fā)火的治理和預(yù)防，效果相當(dāng)顯著［8］。其滅火機(jī)理如下:

1)包裹煤體，隔絕氧氣，封堵漏風(fēng)通道與煤體裂隙;

2)吸熱降溫，降低煤體和周圍環(huán)境的溫度;

3)降低采空區(qū)氧氣濃度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤體;

4)潤濕煤體，增加煤體的濕度;

5)抑制煤體自由基的產(chǎn)生，阻斷已有自由基和官能團(tuán)的鏈?zhǔn)椒磻?yīng)［9］。

4.2 注三相泡沫的工藝程序

4.2.1 三相泡沫的制備

制好合適濃度的漿液后，首先在注漿站提前供給10min的清水，沖洗注漿管路;接著開始注泥漿;當(dāng)漿液達(dá)到注發(fā)泡劑的地點(diǎn)后，啟動螺桿泵，將發(fā)泡劑按定量比加入到注漿管路之中;當(dāng)漿液和發(fā)泡劑的混合液到達(dá)發(fā)泡器后，打開氣體閥門開始供氣，此時(shí)形成的三相泡沫注入需要防滅火的區(qū)域，三相泡沫灌注流程如圖5所示［10］。

4.2.2 注三相泡沫

在工作面的進(jìn)風(fēng)側(cè)沿采空區(qū)埋設(shè)5～10 m長度的厚壁鋼管作為注泡沫管路，其移動主要利用工作面的液壓支架作牽引，注泡沫管隨著工作面的推進(jìn)而移動。注泡沫口位置應(yīng)伸入到工作面采空區(qū)自燃帶內(nèi)，即距工作面后部溜子5～10 m的范圍。

圖5 三相泡沫灌注流程圖

5 結(jié)論

1)隨著工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)各測點(diǎn)的氧氣濃度逐漸降低，采空區(qū)自燃“三帶”也在不斷前移。

2)對7431工作面采空區(qū)進(jìn)行氧濃度及CO濃度實(shí)測，利用MIN－MAX優(yōu)化理論確定了工作面采空區(qū)“三帶”的寬度，從工作面向采空區(qū)深部0～27 m為散熱帶，27～106 m為氧化帶，大于106m為窒息帶。

3)根據(jù)工作面采空區(qū)的實(shí)際情況及“三帶”范圍，相應(yīng)地提出了三相泡沫防滅火措施。采用三相泡沫防滅火，不僅使采空區(qū)氧氣濃度大幅度降低，同時(shí)迅速降低遺煤溫度，能有效防治煤炭自燃。

4)在整個(gè)采空區(qū)測溫取樣觀測期間(約140m范圍)，由每個(gè)測點(diǎn)的取樣數(shù)據(jù)分析可知，采空區(qū)遺煤自燃氧化始終處于潛熱期、自熱期(一般為自熱前期)兩個(gè)階段，沒有發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃。但于進(jìn)風(fēng)巷側(cè)在距工作面約90～100m處、回風(fēng)巷側(cè)約85～96m處的“自燃帶”范圍里，CO有波峰出現(xiàn)。由此說明在這些區(qū)域(尤為進(jìn)風(fēng)巷側(cè))存在高溫?zé)嵩袋c(diǎn)，局部遺煤自燃氧化則較為激烈。

［1］ 楊勝強(qiáng)，張人偉，邱志前.綜采面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2000，(1):93－96.

［2］ 史磊，秦汝祥.綜采放頂煤采空區(qū)“三帶”寬度的確定及防滅火技術(shù)［J］.煤炭技術(shù)，2012，(11):78－80.

［3］ 李東印，蔣東杰.不連溝煤礦特厚煤層綜放面安個(gè)區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律［J］.煤炭工程，2011，(5):86－88.

［4］ 張辛亥，劉燦.綜放工作面采空區(qū)流場模擬及自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分［J］，西安科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，26(1):6 －9.

［5］ Smith A C，Lazzara C P.Inhibition of Spontaneous Combustion of Coal，Report of Investigation United States［R］.Bureau of Mines，Pittsburgh，PA，USA 1998，P41.1 －41.4.

［6］ 李宗翔.炮采放頂煤采空區(qū)自然發(fā)火的數(shù)值模擬應(yīng)用［J］.中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2006.2，27(6):35－39.

［7］ 楊勝強(qiáng)，程濤.尾巷風(fēng)壓及風(fēng)量變化對采空區(qū)自然發(fā)火影響的理論分析與數(shù)值模擬［J］.煤炭學(xué)報(bào)2011，36(2):308－312.

［8］ Deng Jun，Xu Tongmo，Xu Jingcai.Analysis of the danger zone liable to spontaneous ignition around coal roadway at fully mechanized long wall top － coal caving face［J］.Journal of Coal Science＆ Engineering(China)，2002，8(2):55－59.

［9］ 陳長華，王真.采空區(qū)自然發(fā)火位置相似模擬模型［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，28(9):1－3.

［10］ 康雪，陳長華.不規(guī)則介質(zhì)采場滲流理論及防止采空區(qū)自然發(fā)火［J］.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2010，29(1):8 －10.