戚旭鵬 郝朝瑜 王雪峰 李文波 賀 飛

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司冀中股份邢東礦，河北 邢臺 054001)

特厚易自燃煤層綜放開采采空區(qū)防滅火技術(shù)

戚旭鵬1郝朝瑜2王雪峰2李文波3賀 飛2

(1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.冀中能源集團(tuán)有限責(zé)任公司冀中股份邢東礦，河北 邢臺 054001)

針對特厚煤層綜放開采過程中工作面推進(jìn)速度慢、采空區(qū)遺煤量大、漏風(fēng)嚴(yán)重、極易自燃的特點，建立特厚煤層綜放開采采空區(qū)滲流及擴散數(shù)學(xué)模型。利用富力礦-380 m前部22#層采空區(qū)的特征，對該特厚煤層采空區(qū)作出相應(yīng)的假設(shè)，對該工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，最終確定氧化帶為采后距工作面25～60 m的范圍。根據(jù)模擬結(jié)果，采取注氮注漿防滅火措施，取得較好的效果。利用該工作面現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，驗證防火措施效果，較好地達(dá)到防滅火的目的。

特厚煤層 自燃“三帶” 數(shù)值模擬 數(shù)據(jù)擬合

我國存在煤炭自燃的礦井占礦井總數(shù)量的56%，具有自然發(fā)火危險的煤層占累計可采煤層數(shù)的60%，煤炭自燃引起的礦井火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%[1]。近年來我國煤礦廣泛采用綜放開采技術(shù)，生產(chǎn)效率大幅提高，但采空區(qū)遺留殘煤多，冒落高度大，漏風(fēng)嚴(yán)重，使得自燃火災(zāi)頻發(fā)，導(dǎo)致綜采設(shè)備被封閉在火區(qū)或煤炭資源被火區(qū)凍結(jié)，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計，有80%的自然火災(zāi)發(fā)生在厚煤層開采中，鶴崗礦區(qū)有86.6%的自燃火災(zāi)發(fā)生在5 m以上的厚煤層中，其中采空區(qū)為主要發(fā)火地點。龍煤集團(tuán)鶴崗分公司可采煤層36個，可采煤層總厚度38.5～85.8 m。大于3.5 m的厚煤層占75%，中厚煤層占19.2%。因此研究特厚煤層綜放開采采空區(qū)自燃“三帶”的變化規(guī)律就顯得十分必要。

1 特厚易自燃煤層綜放開采自燃特點分析

采空區(qū)可以認(rèn)為是一個有機物和無機物混雜而成的煤巖體，具有多孔性。工作面采過后，頂板巖層相繼垮落，采空區(qū)則是一個松散體，其空氣滲流場、氧氣濃度分布場、溫度場和煤的物理化學(xué)過程相互影響[2-3]，呈非穩(wěn)態(tài)變化，從而使得采空區(qū)自然發(fā)火過程十分復(fù)雜。特厚煤層開采過程中往往伴隨著如下特點：

(1)地質(zhì)條件復(fù)雜，從而導(dǎo)致丟煤較多，且集中，為采空區(qū)自燃創(chuàng)造了條件。

(2)大傾角特厚煤層綜放開采，孔隙率大，漏風(fēng)嚴(yán)重。傾角較大，頂板管理困難，煤體及圍巖出現(xiàn)大量裂隙，導(dǎo)致采空區(qū)不易充嚴(yán)，煤柱不易保留，漏風(fēng)較大。

(3)開采條件復(fù)雜，工作面推進(jìn)速度慢。采空區(qū)“三帶”的位置隨工作面的推進(jìn)而前移。氧化帶的寬度越大，前移速度越慢，浮煤遺留在此帶內(nèi)的時間越長，則越容易發(fā)生自燃。

(4)采空區(qū)自燃高溫區(qū)域范圍大且隱蔽。采空區(qū)留有大量浮煤，煤氧作用熱量逐漸積聚，一旦自燃，采空區(qū)蓄存了大量熱能，造成周圍煤(巖)體的溫度亦相當(dāng)高，因此，采空區(qū)高溫范圍大且隱蔽。

2 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

2.1 采區(qū)概況

龍煤集團(tuán)鶴崗分公司富力煤礦煤層自然發(fā)火較為嚴(yán)重，特別是采空區(qū)發(fā)火現(xiàn)象較為普遍。富力煤礦-380 m前部22#層走向191 m，傾斜87 m，煤層厚度平均7.9 m，煤層傾角31°～41°/36°，可采儲量17.72萬t。設(shè)計風(fēng)量390 m3/min。煤塵爆炸指數(shù)37.50%，自燃發(fā)火期為6～8個月，最短發(fā)火期28 d,屬容易發(fā)火煤層。

2.2 采空區(qū)模擬自燃“三帶”

CFD模擬[4-6]研究是為了得到流體流動控制方程的數(shù)值解法，它的基礎(chǔ)是建立Navier-Stokes方程，它是由一系列描述流體流動守恒定律的偏微分方程組成的。為了模擬采空區(qū)混合氣體在工作面后方的運移，模型需對質(zhì)量和動量的守恒方程進(jìn)行求解。

采空區(qū)的滲透率是模型的另外一個關(guān)鍵參數(shù)[7]，它主要受采動后采空區(qū)應(yīng)力分布的影響，格瑞特(Greed)和克拉克(Clark)曾對采空區(qū)的滲透性進(jìn)行了研究，認(rèn)為采空區(qū)的滲透率取值在10-2～10-7m-2，并指出采空區(qū)邊緣的滲透率要比中部大得多。綜合考慮現(xiàn)場情況，結(jié)合前人研究成果，滲透率的取值范圍為10-2～10-9m-2，采用雙曲線正切函數(shù)進(jìn)行分布規(guī)律的擬合。

根據(jù)富力煤礦-380 m前部22#層工作面特征，建立模型如圖1所示。模型基本參數(shù)：工作面走向長100 m，寬87 m，高2 m,巷道寬4 m，高2 m，采空區(qū)高40 m。下部巷道為進(jìn)風(fēng)巷，上部巷道為回風(fēng)巷。通風(fēng)系統(tǒng)為“U”形通風(fēng)，風(fēng)量390 m3/min。通過FLUENT的Gambit前處理器構(gòu)建和劃分網(wǎng)格，大約劃分340 000個單元格，如圖1所示。隨之導(dǎo)入解算器進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果如圖2，圖3。

圖1 工作面采空區(qū)模型

圖2 注氮前采空區(qū)O2濃度分布

圖3 注氮后采空區(qū)O2濃度分布

由圖2、圖3可知，注氮前采空區(qū)內(nèi)氧化帶(氧氣濃度7%～18%)為采后距工作面25～60 m。由此，模擬向采空區(qū)注氮，注氮口在距工作面25 m處，注氮后的氧化帶(氧氣濃度7%～18%)明顯變小，基本上處在采后距工作面25 m范圍內(nèi)，與以往經(jīng)驗得出的數(shù)據(jù)相吻合，因此，采用CFD模擬研究采空區(qū)自燃“三帶”的變化是可行的。

3 實例驗證

3.1 采空區(qū)注氮防滅火

根據(jù)以上數(shù)值模擬的結(jié)果，對富力煤礦-380 m前部22#層進(jìn)行注氮。該工作面使用DM-800型注氮機進(jìn)行注氮，氮氣產(chǎn)量800 m3/h，氮氣純度≥97%，氮氣出口壓力≥0.8 MPa，注氮泵功率24 kW，額定工作電壓660 V。在下隅角埋設(shè)注氮管路進(jìn)行注氮，降低采空區(qū)的氧氣。注氮管路埋設(shè)必須鋪設(shè)在運輸進(jìn)風(fēng)順槽靠近下幫側(cè)，管路出口處打好木垛，上方敷設(shè)鐵絲網(wǎng)，保護(hù)好管路出口，防止破壞，每隔25 m向工作面埋設(shè)1趟注氮管路(如圖4所示)。采取向采空區(qū)注氮氣的方式，降低采空區(qū)的氧氣(3%以下)，使采空區(qū)遺煤缺氧窒息，來達(dá)到防滅火的效果。

圖4 注氮管路及鉆孔的布置方法

3.2 鉆孔沖漿防滅火

富力礦地質(zhì)條件復(fù)雜，遺煤量大，漏風(fēng)嚴(yán)重，且具有高溫區(qū)域范圍大、隱蔽等特點。采空區(qū)注氮雖然具有均壓，可迅速降低氧氣濃度，覆蓋范圍廣等作用，對以上問題的解決有不錯的效果，但是由于氮氣也具有擴散作用，同時采空區(qū)千絲萬縷的裂隙也使得氮氣在采空區(qū)內(nèi)封存的時間不長，為此富力礦在注氮的同時也采取了向采空區(qū)布鉆注灰的防滅火方法[8-9]，此方法的主要作用就是隔氧與降溫，即通過漿體材料包裹煤體，隔絕氧氣與煤體的接觸，防止煤的氧化作用，對長期的防滅火具有很好的效果，同時為長時間封存創(chuàng)造了很好的條件。本實驗即在-380 m南5#、6#層大巷向采煤一隊采空區(qū)及回風(fēng)道施工鉆孔。鉆孔的布置要求：鉆孔的終孔落在煤層與煤層頂板的交界處，每個鉆孔終孔之間的距離為10 m，在不影響工作面正常生產(chǎn)的同時向采空區(qū)定時定量地充粉煤灰，對采空區(qū)進(jìn)行沖填，減小采空區(qū)的空間，降低采空區(qū)的氣體含量(如圖4所示)。

3.3 采空區(qū)防滅火效果分析

通過對采空區(qū)采取注氮氣防滅火措施及打鉆充灰砂防滅火措施，采空區(qū)自然發(fā)火的隱患得到較好的控制，隱患升級的趨勢得到了遏制，保障了工作面的安全生產(chǎn)。

表1為-380 m前部22#層采煤一隊工作面氣體化驗分析情況對比。

表1 注氮注漿前后氣體濃度變化

通過表1中氣體分析和對比，容易發(fā)現(xiàn)，對采空區(qū)同時進(jìn)行注氮氣和充灰沙處理的效果明顯，尤其是CO濃度大幅下降，完全控制在《煤礦安全規(guī)程》中規(guī)定的0.002 4%以下，可以說明采空區(qū)和工作面的氣體得到了良好的控制，達(dá)到了防滅火的目的。

4 結(jié) 論

(1)通過對特厚煤層綜放開采采空區(qū)特點的分析，建立富力礦-380 m前部22#層煤采空區(qū)模型，通過FLUENT軟件進(jìn)行模擬，確定該工作面采空區(qū)氧化帶范圍為采后距工作面25～60 m，為注氮工作提供指導(dǎo)。

(2)結(jié)合特厚煤層采空區(qū)漏風(fēng)特點及FLUENT模擬結(jié)果，采用注氮充灰聯(lián)合防滅火技術(shù)，將指標(biāo)氣體降到《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定范圍以下，尤其是CO氣體下降幅度最為明顯，各監(jiān)測點CO濃度均小于0.002 4%。

(3)通過對特厚煤層綜放開采采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律的研究，找到一種有效的防滅火方法，為類似煤礦的防滅火措施提供借鑒。

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(責(zé)任編輯 徐志宏)

Fire Prevention Technology of Mined-out Area under the Fully Mechanized Caving for Extremely Thick Spontaneous Combustion Coal Seam

Qi Xupeng1Hao Chaoyu2Wang Xuefeng2Li Wenbo3He Fei2

(1.CollegeofMingEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;2.CollegeofSafetyScienceandEngineering,LiaoningTechnicalUniversity,Fuxin123000,China;3.JizhongStockXingdongMine,JizhongEnergyGroupCompanyLimited,Xingtai054001,China)

During the process of fully mechanized caving for extremely thick coal seam,there are some issues to be solved,such as slow advance in working face,great amount of left-over coal in mined-out area,serious leakage,and easy to be spontaneous combustion,so the seepage flow and diffusion mathematical model for the fully mechanized caving of the extremely thick seam was built.With the use of features of 22#goaf at -380 m front of Fuli Mine,corresponding assumptions on the mined-out area in extremely thick coal seam were made,and the spontaneous combustion “three zones” in mined-out area were divided,ultimately determining that the oxidation zone away from the working face was within the range of from 25 m to 60 m.According to the numerical simulation,fire prevention measures of nitrogen injection and grouting were adopted,with good effects obtained.Meanwhile,data fitting with the field data in working face was made to verify the effect of fire prevention measures.It can be better to achieve the purpose of fire prevention.

Extremely thick coal seam,Spontaneous combustion “three zones”,Numerical simulation,Data fitting

2015-01-23

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項目(編號：51404127)。

戚旭鵬(1988—)，男，碩士研究生。

TD75+2

A

1001-1250(2015)-04-162-04