張中國(guó)

摘要：針對(duì)7311工作面采空區(qū)及其鄰空煤柱（材料道側(cè)）與老空區(qū)（南部采空區(qū)、封閉巷道）火害，開(kāi)展了7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)壓能測(cè)定及半導(dǎo)體測(cè)溫與束管取樣分析等一系列技術(shù)工作。在此基礎(chǔ)上，專(zhuān)門(mén)、重點(diǎn)地進(jìn)行了7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)的均壓防滅火技術(shù)方案設(shè)計(jì)，采空區(qū)遺煤自燃氧化過(guò)程分析及采空區(qū)自燃“三帶”劃分，提出了針對(duì)7311工作面的各項(xiàng)煤火應(yīng)急技術(shù)。

關(guān)鍵詞：壓能測(cè)定、“三帶”劃分、均壓防滅火、CFD模型、煤火應(yīng)急技術(shù)

1、7311工作面火情概況

受到地質(zhì)構(gòu)造、開(kāi)采技術(shù)等條件影響，7311工作面回采至中段時(shí)，出現(xiàn)了大、小面對(duì)接的不規(guī)則布置情況。自2017年10月底對(duì)接后的7311工作面重新回采生產(chǎn)以后，由于推進(jìn)速度緩慢（平均2刀/d），因此造成了采空區(qū)（主要為大、小面對(duì)接處）遺煤氧化速度增加、煤溫上升，以至2017年12月中旬，導(dǎo)致了7311工作面采空區(qū)深部遺煤氧化產(chǎn)生的CO氣體運(yùn)移、外溢至回風(fēng)隅角處的煤火現(xiàn)象（實(shí)測(cè)下隅角切頂線處CO氣體濃度120～140ppm）。

2、7311工作面自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定研究

2.1、采空區(qū)自燃“三帶”劃分

（1）半導(dǎo)體測(cè)溫、束管取樣分析系統(tǒng)建立及測(cè)點(diǎn)布置

7311工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分，采用半導(dǎo)體測(cè)溫與束管取樣相結(jié)合的分析系統(tǒng)，同時(shí)對(duì)采空區(qū)溫度及各項(xiàng)氣體參數(shù)變化進(jìn)行采集分析，來(lái)確定7311工作面采空區(qū)實(shí)際“三帶”劃分情況。

7311采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置，自7311工作面大、小面對(duì)接的大面上開(kāi)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(gè)測(cè)點(diǎn)，共布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)分別埋設(shè)一用一備的2個(gè)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(jìn)，1、2、3、4、5測(cè)點(diǎn)則先后分別進(jìn)入采空區(qū)散熱帶、自燃帶和窒息帶）。分別沿材料道、運(yùn)輸?shù)栏鞑贾靡惶?0mm鋼管（約200m），將溫度探頭引線和取樣束管捆扎成束后敷設(shè)于鋼管內(nèi)。

（2）“三帶”分布分析

用采空區(qū)內(nèi)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(xiǎn)性就大，通常認(rèn)為K≥1℃/d就進(jìn)入可能自燃帶[1]。據(jù)工作面推進(jìn)期間溫度探頭收集的數(shù)據(jù)分析，該帶的范圍在采空區(qū)材料道側(cè)自7311面向采空區(qū)方向?yàn)?4～94.2m、運(yùn)輸?shù)纻?cè)為10.8～90m。具體的，進(jìn)風(fēng)順槽（材料道）、回風(fēng)順槽（運(yùn)輸?shù)溃y(cè)點(diǎn)依溫升溫率K劃分“三帶”如表1所示。

用采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度大小劃分“三帶”。采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的大小，直接反映了遺煤氧化時(shí)的供氧條件。通過(guò)在采空區(qū)內(nèi)鋪設(shè)束管取樣分析，其氧氣濃度變化規(guī)律為：在采空區(qū)材料道側(cè)自7311面向采空區(qū)方向27.6m內(nèi)，因漏風(fēng)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(cè)向采空區(qū)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(yùn)輸?shù)婪謩e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(jìn)風(fēng)順槽（材料道）、回風(fēng)順槽（運(yùn)輸?shù)溃y(cè)點(diǎn)依氧氣濃度大小劃分“三帶”如表2所示。

2.2、基于采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)CFD模型的自燃危險(xiǎn)區(qū)域模擬

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

模擬結(jié)果顯示，在配風(fēng)量700m3/min時(shí)，采空區(qū)氧氣濃度場(chǎng)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(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)，高氧含量區(qū)域分布范圍較廣，在采空區(qū)深部80～100m左右，氧氣含量仍可達(dá)到8%;而在采空區(qū)中部，氧氣濃度則下降相對(duì)較為迅速，在采空區(qū)深部60m左右，氧氣含量即可下降到5%以下。

進(jìn)一步地分析可知，7311工作面采空區(qū)自燃氧化帶在上、下兩道巷側(cè)的活躍范圍較廣，長(zhǎng)達(dá)70～80m左右，沿進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)都寬達(dá)30m左右。這就表明，在正?；夭善陂g，煤自然發(fā)火的威脅通常大多來(lái)自于上、下兩道處遺煤，此應(yīng)是礦井日常防滅火工作的重點(diǎn)區(qū)域。顯然，如果這時(shí)采用防滅火技術(shù)能夠?qū)傻捞幍倪z煤做到無(wú)縫隙覆蓋，則可大幅度地降低回采期間的煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性的可能，其是阻止采空區(qū)遺煤自燃的關(guān)鍵所在。

3、壓能測(cè)定及均壓防滅火技術(shù)

3.1、7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)壓能測(cè)定

（1）測(cè)點(diǎn)布置

全井（包括7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)在內(nèi)）共布置相關(guān)壓能測(cè)點(diǎn)55個(gè)，它們分別是副井上下口、南風(fēng)井上下口、7311工作面（材料道、上/下隅角、溜子道）及其與采空區(qū)可能有連通的密閉墻內(nèi)外等一系列地點(diǎn)[3]。

（2）壓能測(cè)定

針對(duì)7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)部分開(kāi)閉調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)的壓能測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，繪制了7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)壓能圖，如圖2所示。圖中Ⅰ為關(guān)閉7311回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)的壓能波線，Ⅱ?yàn)榇蜷_(kāi)7311回風(fēng)調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)時(shí)的壓能波線。

波線變化可見(jiàn)：

①風(fēng)窗前后風(fēng)路上因風(fēng)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(fēng)，顯然當(dāng)7311工作面及其采空區(qū)的風(fēng)阻不變時(shí)，則其擴(kuò)散漏風(fēng)必然減少而有利于防火。

②風(fēng)窗的上風(fēng)側(cè)風(fēng)流壓能增加，風(fēng)窗的下風(fēng)側(cè)風(fēng)流壓能則減小。由此進(jìn)一步加大了7311材料道的各點(diǎn)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(nèi)漏風(fēng)的可能（現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)表明，7215廢舊放水巷墻體內(nèi)外壓差較大，存在漏風(fēng)現(xiàn)象）。且不難分析，隨著7311工作面的回采不斷向前推進(jìn)，當(dāng)其采空區(qū)與上部的南部采空區(qū)連成一體時(shí)，必然存在自7311工作面往其采空區(qū)方向漏風(fēng)的可能，而極易造成7311工作面采空區(qū)、老空區(qū)（南部采空區(qū)、封閉巷道）煤火的發(fā)生。

3.2、7311工作面均壓防滅火技術(shù)應(yīng)用

（1）均壓防滅火技術(shù)方案

鑒于7311工作面煤火形勢(shì)，2017年8月份，7311工作面均壓防滅火技術(shù)方案于現(xiàn)場(chǎng)正式實(shí)施、投運(yùn)。撤除7311溜子道出口47～48點(diǎn)之間的調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，7311材料道出口均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)分別構(gòu)筑在Ⅱ⑴采區(qū)通風(fēng)上山一甩道、Ⅱ⑴采區(qū)軌道上山一甩道的兩處巷道內(nèi)。投運(yùn)以后，7311材料道出口均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)內(nèi)至7311工作面回風(fēng)出口的各點(diǎn)壓能變化情況如圖3所示。其中圖Ⅰ為7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)均壓前壓能波線，圖Ⅱ?yàn)?311工作面通風(fēng)系統(tǒng)均壓后壓能波線。

由7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)壓能圖可以看出，7311工作面通風(fēng)系統(tǒng)施以均壓通風(fēng)以后，7311材料道出口均壓調(diào)節(jié)風(fēng)門(mén)內(nèi)至7311工作面回風(fēng)出口（7311材料道、7311工作面上等）的各點(diǎn)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(qū)、老空區(qū)（南部采空區(qū)、封閉巷道）之間的壓（能）差，從而減少了往7311工作面采空區(qū)、老空區(qū)（南部采空區(qū)、封閉巷道）的漏風(fēng)量，使得區(qū)內(nèi)空氣不產(chǎn)生流動(dòng)和交換，斷絕了氧源，達(dá)到了窒息惰化或抑制遺煤自然發(fā)火的良好效果。

4、其他煤火應(yīng)急技術(shù)應(yīng)用

（1）CO2防滅火技術(shù)應(yīng)用

7311工作面采用開(kāi)放式注入方式，即在7311工作面敞開(kāi)條件下，且在回采生產(chǎn)的同時(shí)，對(duì)其采空區(qū)氧化自燃帶注入CO2，實(shí)施“邊采、邊注、邊防治采空區(qū)煤火”的CO2防滅火方法。

礦有2000m3/h型CO2氣化裝備一臺(tái)，CO2純度為99%;氧化自燃帶走向長(zhǎng)為83.1m，傾斜長(zhǎng)度為230m，采高與放頂高之和為4.8m ;設(shè)定氧化自燃帶內(nèi)漏風(fēng)量為16m3/min，平均O2濃度為15%，CO2惰化后的氧化自燃帶內(nèi)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(yīng)的，所需的液態(tài)CO2質(zhì)量（設(shè)CO2由液態(tài)換算成氣態(tài)的膨脹率為500m3/t）為：

m = V/500 = 390t

②氧化自燃帶氣體置換時(shí)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(duì)人體有害，在實(shí)施應(yīng)急CO2防滅火技術(shù)工程過(guò)程中，應(yīng)注意遵循《煤礦安全規(guī)程》的相關(guān)條款規(guī)定，加強(qiáng)7311工作面CO2檢測(cè)與監(jiān)測(cè)，不得超標(biāo)。

（2）凝膠泡沫防滅火技術(shù)應(yīng)用

鉆孔布置：在工作面下部50架液壓支架長(zhǎng)度范圍內(nèi)（70～80m），一般每隔3臺(tái)支架在架間布置一組鉆孔，每組鉆孔由3個(gè)配合鉆孔組成，3個(gè)配合鉆孔開(kāi)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(cè)護(hù)板無(wú)法收縮的位置，可適當(dāng)調(diào)整到臨近架間開(kāi)孔，為保證注漿效果，一般兩孔間距不能超過(guò)5臺(tái)支架長(zhǎng)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(yīng)及時(shí)連接注漿管路進(jìn)行注漿，為確保注漿擴(kuò)散堆積效果，每孔注漿過(guò)程應(yīng)連續(xù)穩(wěn)流灌注。每個(gè)鉆孔施工完畢后礦方應(yīng)安排瓦檢員及時(shí)抽取鉆孔頂部氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并準(zhǔn)確記錄，將每天匯總數(shù)據(jù)后及時(shí)與廠家技術(shù)人員溝通確認(rèn)，以便及時(shí)整體、確定治理重點(diǎn)及注漿工作安排。針對(duì)工作面內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造遺煤區(qū)域、氣體測(cè)量數(shù)據(jù)異常區(qū)域及注漿防滅火效果凸顯區(qū)域，應(yīng)及時(shí)加大注漿強(qiáng)度，確保注漿覆蓋性。同時(shí)，在注漿效果凸顯區(qū)域周?chē)筛鶕?jù)實(shí)際需要增打注漿鉆孔，確保發(fā)火區(qū)域的全面有效覆蓋治理。

5、結(jié)語(yǔ)

針對(duì)7311工作面回采至中段時(shí)，由于大、小面對(duì)接時(shí)的準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、回采時(shí)的推進(jìn)速度過(guò)慢等，而出現(xiàn)的采空區(qū)深部遺煤氧化的煤火現(xiàn)象，實(shí)時(shí)采取了包括應(yīng)急均壓防滅火技術(shù)、應(yīng)急CO2防滅火技術(shù)、應(yīng)急凝膠泡沫防滅火技術(shù)等煤火應(yīng)急與綜合治理的一系列防滅火技術(shù)措施和方法。通過(guò)煤火應(yīng)急技術(shù)在7311工作面中的成功應(yīng)用，減少了采空區(qū)漏風(fēng)，迫使采空區(qū)遺煤“氧化帶”前移并縮小，更是起到了采空區(qū)遺煤“氧化帶”得到全面隔氧、濕潤(rùn)、降溫、冷卻等的重大作用，從而使得采空區(qū)遺煤自燃得到快速治理，收到了應(yīng)急防滅火技術(shù)應(yīng)用的預(yù)期效果，確保了7311工作面的安全回采。

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