宋靈感

(山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)公司，山西 忻州 036506)

1 工程概況

山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司井田位于河曲縣城南偏東24 km處舊縣鄉(xiāng)附近，批準(zhǔn)開采煤層為8～13號煤層，生產(chǎn)能力為90萬t/a.山西忻州神達(dá)大橋溝煤業(yè)有限公司在120萬t/a產(chǎn)量下開采9號、10號、11號煤層時，屬低瓦斯礦井。9號、10層煤塵有爆炸性，9號、10煤層自燃傾向性為自燃。根據(jù)礦井開拓布置，利用現(xiàn)有10號煤層925水平為輔助開采水平，9號、10號煤層平均間距為5.62 m，屬于近距離煤層，采區(qū)接替為：901采區(qū)—1001采區(qū)—1101采區(qū)—901采區(qū)(蹬空區(qū)域)—1001采區(qū)(蹬空區(qū)域)—1101采區(qū)(蹬空區(qū)域)。礦井901采區(qū)已開采完畢，1001采區(qū)100101首采工作面正在開采。

2 100101工作面采空區(qū)自燃氧化帶劃分

2.1 10號煤樣自燃臨界氧氣濃度研究

采空區(qū)遺煤的自燃需要適宜的氧氣濃度來維持，當(dāng)氧氣濃度低于一定水平時，煤體的氧化將不可持續(xù)，采空區(qū)將不會出現(xiàn)自然發(fā)火現(xiàn)象，能夠滿足煤體自身氧化所需的最低氧氣濃度定義為煤自燃下限臨界氧濃度值[1]。根據(jù)工作面后方采空區(qū)自然發(fā)火的危險性可沿水平方向劃分為散熱帶、自燃帶及窒息帶，散熱帶位于回采工作面緊后方，由于工作面強(qiáng)風(fēng)條件下熱量不易積蓄，溫度達(dá)不到煤體自燃的要求，不會發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象；窒息帶位于工作面后方采空區(qū)較深處，由于距離工作面較遠(yuǎn)，沒有足夠的氧氣維持遺煤氧化升溫，也不會發(fā)生自然發(fā)火；只有氧化帶內(nèi)擁有適宜的氧氣濃度，同時熱量也能夠積聚，是采空區(qū)引發(fā)自然發(fā)火現(xiàn)象的重點區(qū)域，同樣也是采空區(qū)防滅火的重點治理區(qū)域。為確定100101工作面采空區(qū)自燃三帶的范圍，需首先掌握氧化帶劃分的標(biāo)準(zhǔn)，因此設(shè)計實驗測定10號煤的自燃下限臨界氧濃度值。在實驗室內(nèi)調(diào)配出不同氧氣濃度的空氣，進(jìn)行煤自然發(fā)火模擬實驗，氧氣濃度為20.9%、10.0%、7.0%條件下，10號煤氧化熱力學(xué)特性曲線如圖1所示。

圖1 不同氧氣濃度條件下煤樣自然發(fā)火溫升曲線圖

根據(jù)煤樣溫度的變化曲線可判斷煤氧化反應(yīng)的程度，由圖1可以看出，當(dāng)供氧濃度為20.9%、10.0%時，煤樣溫度隨著時間的變化曲線出現(xiàn)跳躍性增長階段，氧氣濃度為20.9%時，煤樣跳躍性增長幅度顯著大于氧氣濃度為10.0%條件下，說明氧氣濃度的減小能夠抑制煤樣的氧化反應(yīng)，但是10.0%氧氣濃度并不能完全阻止煤樣的氧化反應(yīng)，只能減小其劇烈程度；當(dāng)供氧濃度為7.0%時，煤樣溫度呈緩慢平穩(wěn)增長，未出現(xiàn)跳躍性增長，說明此時煤氧化反應(yīng)極其不充分，此濃度的氧氣不能夠滿足煤自然發(fā)火需求。參考國內(nèi)相關(guān)研究結(jié)果可知[2-3]，采空區(qū)氧氣含量不小于18%的區(qū)域常劃分為散熱帶，因此確定大橋溝煤礦100101工作面采空區(qū)自燃氧化帶劃分指標(biāo)為氧氣濃度7.0%～18.0%.

2.2 復(fù)合采空區(qū)自然發(fā)火分析

為掌握100101工作面采空區(qū)遺煤自燃危險性，通過提前預(yù)埋束管連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)氧氣、一氧化碳等氣體濃度情況，所用設(shè)備主要為礦用氣相色譜儀、束管取氣頭等。100101工作面上覆9號煤層已回采完成，層間距約5.62 m，隨著工作面推進(jìn)，層間巖層垮落，上覆采空區(qū)與本煤層采空區(qū)連通，工作面采用U形通風(fēng)，在進(jìn)回風(fēng)巷分別布置束管，預(yù)埋束管采用直徑50 mm的鋼管保護(hù)，固定在距離巷道底板1.5 m的煤柱幫側(cè)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果整理得到工作面后方采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度變化規(guī)律如圖2(a)、(b)所示。根據(jù)氧化帶氧氣濃度為7.0%～18.0%的原則得到采空區(qū)自燃三帶劃分結(jié)果如圖2(c)所示。

圖2 束管監(jiān)測及自燃三帶劃分結(jié)果

由圖2可以看出，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)氧氣濃度變化規(guī)律基本一致，均表現(xiàn)為隨著與工作距離的增大而逐漸減小，根據(jù)氧氣濃度變化規(guī)律，以回采工作面位置為基準(zhǔn)線，進(jìn)風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)56～104 m為氧化帶，回風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)14～38 m為氧化帶，氧化帶最大寬度達(dá)到48 m時，采空區(qū)存在自然發(fā)火的威脅性。100101工作面回采巷道會向上覆采空區(qū)漏風(fēng)，為考察上覆采空區(qū)遺煤自燃的可能性，在100101回風(fēng)巷向頂板施工觀測孔，監(jiān)測上覆采空區(qū)各類氣體的濃度，結(jié)果表明，工作面前方上覆采空區(qū)0～100 m范圍內(nèi)一氧化碳濃度達(dá)到22～63×10-6，存在采空區(qū)遺煤自燃傾向。

3 復(fù)合采空區(qū)注氮參數(shù)模擬研究

根據(jù)大橋溝煤礦100101工作面實際情況，采用ICEM CFD 軟件建立三維物理模型[4]，工作面長度150 m，后方采空區(qū)及工作面前方各長250 m，上覆采空區(qū)垮落帶高度20 m，兩側(cè)回采巷道斷面為寸4 m×3 m(寬×高)，注氮口簡化為邊長1.5 m的正方形，網(wǎng)格劃分采用六面體，共劃分為658 346個網(wǎng)格，三維數(shù)值模型如圖3(a)所示，后方采空區(qū)及上覆采空區(qū)漏風(fēng)流場示意如圖3(b)所示，工作面采用U型通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)量隨著與進(jìn)風(fēng)口距離的增大逐漸減小，回風(fēng)巷內(nèi)風(fēng)量隨著與出風(fēng)口距離的減小逐漸減小，回風(fēng)巷漏風(fēng)量及工作面下隅角漏風(fēng)根據(jù)現(xiàn)場實測情況進(jìn)行設(shè)置。

圖3 數(shù)值模擬模型

為確定不同注氮量對100101工作面采空區(qū)自然發(fā)火的防治效果，注氮口設(shè)計在工作面回風(fēng)側(cè)，深入采空區(qū)45 m，設(shè)計注氮量分別為1 000～3 000 m3/h，統(tǒng)計不同注氮量條件下采空區(qū)氧化帶最大寬度和最高溫度，得到其隨注氮量的變化規(guī)律如圖4(a)所示。采空區(qū)注氮后不僅使氧化帶的最大寬度顯著減小，采空區(qū)溫度也明顯下降，注氮對采空區(qū)具有一定的降溫效果，當(dāng)注氮流量為2 000 m3/h時，氧化帶最大寬度約為28 m，最高溫度約為33°，注氮量增大至2 500 m3/h，氧化帶最大寬度及最高溫度明顯減小，考慮到經(jīng)濟(jì)適用原則，合理的注氮流量為2 000～2 500 m3/h.同樣為確定工作面前方上覆采空區(qū)最佳注氮量，設(shè)計在進(jìn)風(fēng)巷頂板進(jìn)行單孔注氮，注氮量為20～140 m3/h，選取上覆采空區(qū)Z=10 m處進(jìn)行監(jiān)測，測得最低氧氣濃度隨注氮量的變化規(guī)律如圖4(b)所示，當(dāng)注氮量為60 m3/h時，氧氣濃度最小值約為4.5%，顯著低于7%，且注氮量繼續(xù)增大，最低氧氣體積分?jǐn)?shù)減小幅度變小，確定上覆采空區(qū)最佳注氮量為60 m3/h.

4 復(fù)合采空區(qū)防滅火技術(shù)及應(yīng)用

4.1 采空區(qū)防滅火措施

結(jié)合前文研究成果，大橋溝煤礦設(shè)計采用注氮技術(shù)進(jìn)行復(fù)合采空區(qū)的防滅火，工作面后方采空區(qū)注氮位置時決定防滅火效果的關(guān)鍵參數(shù)，100101工作面后方采空區(qū)注氮口設(shè)計在深入采空區(qū)45 m的進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)，采用直徑80 mm的無縫鋼管預(yù)埋管路，管路供氮壓力為0.37 MPa，根據(jù)注氮量眼球安裝4臺DM-1000 型制氮機(jī)械設(shè)備，并加設(shè)2臺備用，制氮機(jī)放置在西六2號硐室內(nèi)，后方采空區(qū)注氮量為2 000～2 500 m3/h，上覆采空區(qū)注氮口布置在進(jìn)風(fēng)巷頂板中部，注氮口間距為36 m，超前工作面200 m對上覆采空區(qū)進(jìn)行注氮，每個注氮口的流量為60 m3/h，總注氮流量約為360 m3/h.注氮管理布置如圖5所示。

4.2 防治效果評估

100101工作面采取注氮防滅火措施后，后方采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度變化規(guī)律如圖6所示，進(jìn)風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)32～64 m為氧化帶，回風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)9～28 m為氧化帶，氧化帶最大寬度為32 m，最大氧化帶寬度減小了16 m，通過理論分析可得，采空區(qū)氧化帶內(nèi)的遺煤在最短自然發(fā)火期內(nèi)即已進(jìn)入窒息帶，采空區(qū)無自然發(fā)火危險，后期束管監(jiān)測也驗證了該結(jié)果。上覆采空區(qū)采取注氮措施后，工作面回采期間，上覆采空區(qū)束管監(jiān)測未監(jiān)測到CO氣體，說明上覆采空區(qū)無自然發(fā)火危險。

圖4 數(shù)值模擬分析結(jié)果

圖5 復(fù)合采空區(qū)注氮孔設(shè)置示意

圖6 束管監(jiān)測及自燃三帶劃分結(jié)果

5 結(jié) 語

針對大橋溝煤礦100101工作面采空區(qū)及上覆采空區(qū)防滅火問題，通過實驗室試驗、束管監(jiān)測、FLUENT 模擬等方法研究表明：

1) 10號煤的自燃下限臨界氧濃度值為7.0%，采空區(qū)氧化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)為氧氣濃度7%～18%，100101工作面后方采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)56～104 m為氧化帶，回風(fēng)側(cè)14～38 m為氧化帶，氧化帶最大寬度48 m，存在自然發(fā)火危險。

2) 工作面后方采空區(qū)合理注氮量為2 000～2 500 m3/h，上覆采空區(qū)單孔最佳注氮量為60 m3/h.

3) 對后方采空區(qū)及上覆采空區(qū)采取注氮技術(shù)措施后，后方采空區(qū)氧化帶最大寬度減小為32 m，遺煤在自然發(fā)火期內(nèi)已進(jìn)入窒息帶，無自燃危險，上覆采空區(qū)未監(jiān)測到CO氣體，保障了工作面的回采安全。