★ 煤矿安全 ★
中厚煤层采煤面停采期间采空区综合防火工艺研究
随着我国中厚煤层综采技术的试验和推广，煤炭产量和效率显著提高[1]。然而，由于综采技术一次性开采强度大，端头支架处顶底煤回采率低，顶板冒落高度大，采空区存在遗煤和漏风，使得煤体自燃危险性增加，严重威胁安全开采。此外，由于矿用机电设备功率大、散热多的问题，引起采空区温度增高，增加了煤体自然发火的风险，严重制约了综采技术的发展[2-4]。
相关研究表明，对于一个特定煤层的自然发火，其氧化放热性能是一定的，只要浮煤厚度和粒度适中，采空区供氧充分，并且在发火期内推进距离小于自燃带宽度，就有可能发生采空区后方浮煤自燃[5-7]。只有掌握综采面采空区自燃带范围，才能对采空区浮煤自燃做出预测，降低火灾事故发生的可能。国内研究学者对煤体自燃的危险区域判定做了大量研究工作。齐庆杰、黄伯轩[8]、章楚涛[9]等通过研究采空区火灾气体浓度分布与流动规律，分析了气体浓度分布流动规律与火源点之间存在的联系，建立了判断采空区火源位置的数学模型。邓军[10-11]通过对煤自燃过程及参数的理论分析，得到不同供风强度、散热边界条件和煤的粒度等对煤最短自然发火期的影响关系，并将该理论应用于兖州煤田最短自然发火期的确定。徐精彩[12-13]根据能量守恒原理，结合采空区实际浮煤厚度、漏风强度和氧气浓度分布，提出了采空区遗煤自燃极限参数的计算方法，构建了煤自燃危险区域判定的必要条件；根据煤最短自然发火期与采空区氧化升温带的变化规律，提出能够引发自燃的最小推进速度计算方法，确定了自燃危险区域判定的充分条件。对于煤体自燃火灾的预控技术，国内外学者与研究人员通过大量试验研究与实践积累，总结出了高效、针对性强、易于实现的矿井防灭火技术，主要分为堵漏、灌浆、惰化、惰泡、阻化剂、胶体、两相或三相泡沫防灭火技术[14-17]。
本篇在对留煤柱开采自燃进行分析研究的基础上，开展采空区煤自燃“三带”研究，确定正常回采情况下的采空区自燃危险区域，并针对枣矿集团付村煤业有限公司的开采条件，深入研究中厚煤层采煤面停采期间综合防火工艺并开展生产实践，有效防治了中厚煤层采煤面自然发火，提高了井下安全生产水平与生产效率。
1 煤矿概况
1.1 工作面概况
付村煤业有限公司地处滕县煤田南部，井田内含煤地层主要为石炭系的太原组和二叠系的山西组，可开采煤层为3上、3下、12下、14、16号煤层，其中，3上、3下号煤层为主采煤层，煤类为气煤。主采煤层煤层倾角平缓、瓦斯含量较低，顶底板条件较好。3上603工作面煤层平均厚度5 m，采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤法回采，自2019年10月4日开始回采至 2020年3月10日停采，累计推采走向长度370 m。工作面采用U型全负压通风方式，正常生产期间供风量约1 200 m3/min。该矿井属低瓦斯矿井，煤层具有自然发火倾向，自燃倾向性等级为Ⅱ级，最短发火期为60 d。
1.2 留煤柱采场自然发火原因分析
付村煤业有限公司属于近距离煤层群开采，回采过程相当于单一煤层的回采。在初次放顶之前，因未充分陷落，采空区漏风量大，工作面风速低。在老顶岩层未垮落之前，随着回采工作面的推进，工作面煤壁与采空区煤壁的压力会逐步增高，片帮现象随工作面推进距离的增加而加剧。随片帮出现的浮煤会沿煤壁侧堆积，煤壁裂隙也会向煤体内发展，特别是大采高并留有护顶煤时，浮煤堆积现象就更为严重。同时随着采空区范围的扩大，工作面两端的煤壁或煤柱的支承压力也会逐步增大，废弃于采空区一侧的巷道煤壁也会出现片帮和浮煤堆积现象。采用留煤柱护巷的后退式开采方法，浮煤沿废弃的巷道、煤壁堆积的现象是难以防止的，因而采空区边缘具备自然发火的重要条件。另外，在回采过程中，沿工作面也会遗留浮煤，特别是工作面顶板留有护顶煤或有不可采层时，因而陷落后的采空区也就具有了自然发火的条件。
2 现场观测及数值模拟
2.1 采空区煤自燃“三带”的现场观测实施方案
结合付村煤业有限公司综采面接续状况，选定一次采全高具有代表性的3上603工作面作为采空区自燃“三带”区域测定地点，对采空区内的气体成分、浓度进行取样分析，总结其随回采进程推进的变化规律，确定正常回采情况下的采空区自燃危险区域。具体测定实施方案如下。
(1)测试线路铺设前先将外径为60 mm的保护套管(回风巷100 m)、束管(回风巷100、90、80、70、60、50、40、30、20 m，共计540 m)、采样点保护装置、快速接头、三通等所需材料运至工作地点。根据采样分析情况适时延长束管长度。
(2)通过保护套管穿束管和测温线缆，将预先抽出的单芯束管扣出，拽入三通的斜管内。该过程中，应避免将束管拧断、折死，保持束管通畅且不漏气。
(3)1号采样头及测温装置安装固定。
(4)保护套管的连接，对采样点处保护套管固定保护。
(5)在回风巷道内束管出口处抽取气样，测温装置连接至监控系统实时检测。
(6)每9 m增加1个采样头，2～9号测点采样头向外以此类推进行安设。
现场观测的主要工作是在采空区预埋管路，进行气体抽样、分析，布置温度传感器监测实时温度等，以掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况。这里，以5%～18%含氧量和采空区温度监测采集数据为辅作为采空区自燃“三带”划分依据。本次测试在回风巷布置9个测点，获取符合客观实际的气体数据，测点布置如图1所示。使用取样球胆将现场抽取的气体样品送至地面气相色谱仪进行色谱分析，分析所得气体样品中的成分为一氧化碳(CO)、甲烷(CH4)、氧气(O2)、氮气(N2)、二氧化碳(CO2)以及烷、烯烃类气体(CnHm)。
图1 测点分布示意图
要预测综采面采空区浮煤自燃情况，需要掌握采空区自燃带范围、O2、CO、CO2和CH4浓度，以及工作面日常实际推进距离、工作面风量等参数。基于各个参数对采空区自燃的变化和分布规律进行了综合研究和分析，确定工作面后方自燃“三带”的分布范围。
2.2 自燃“三带”数值模拟
通过布置在回风隅角的测点初步了解采空区氧气等气体的分布特征，但对于整个采空区来说，仅仅依靠布置在回风隅角的测点显然是不够全面的。因此，在实测数据校准和验证的基础上，采用计算流体力学(CFD)技术进一步研究了整个采空区氧气浓度分布特征，最后结合现场观测和模拟数据对采空区自燃“三带”进行了划分。
将CFD理论应用于数值模拟的本质是求解纳维叶-斯托克斯(Navier-stokes，简写“N-S”)方程。N-S方程由一系列描述流体流动的偏微分方程组成。描述采空区气体流动，必须遵守质量守恒、能量守恒和动量守恒定律，包括不同组分的混合和传质，还必须遵守组分守恒定律。控制方程结合特定的边界条件和初始条件，构成采空区气体流动的数学模型。基于上述基础理论，利用FLUENT软件模拟采空区气体的运移规律。
3 结果分析
3.1 采空区氧气浓度数据分析
氧气浓度是采空区自燃“三带”划分的主要依据[18]。采空区氧气浓度的变化可以直接反映采空区漏风状态和遗煤氧化环境，结合监测所得试验数据，本次“三带”的划分以18%和10%作为划分的指标，具体为：不燃带O2>18%；自燃带18%>O2>10%；窒息带O2<10%。通过束管抽检，得到采空区内氧气浓度随工作面推进距离的变化曲线，如图2所示。
图2 采空区内氧气浓度随工作面推进距离的变化等高线图
对采空区氧气浓度变化曲线进行分析，发现回风侧及中部氧气浓度随着工作面的推进逐步下降。当工作面推进距离在150 m左右时，采空区氧气浓度下降到15%，当采空区回风侧距离达到300 m时，氧气浓度低于10%，进入窒息带。在注浆锚索支护的影响下，进风侧采空区顶板强度不足，漏风强度较大。当工作面推进距离100 m以上时，采空区氧气浓度开始下降，但下降趋势缓慢。当工作面推进距离达到175 m左右时，采空区氧气浓度降至18%以下。当工作面推进距离达到350 m左右时，采空区氧气浓度降至10%以下，进入窒息带。
3.2 模拟结果分析
配风量1 750 m3/min时采空区氧气浓度场分布及自燃带分布云图见图3。由图3可以看出，含氧量高的区域广泛分布在采空区进风侧，在采空区322 m左右的深度，进风侧含氧量仍达到10%以上。采空区回风侧，氧气浓度迅速下降，在采空区78 m处已降至18%以下。采空区高氧区呈现典型的“C”型分布，与现场实测数据基本一致，说明建立的CFD模型能够反映采空区氧气分布的真实情况。
图3 配风量为1 750 m3/min时的采空区底板氧气浓度分布云图
3.3 采空区自燃“三带”划分
采空区自燃“三带”是以现场实测为基础，以数值模拟技术为辅助划分的，并以此确定了3上603工作面采空区的易自燃区域分布特征。按氧气浓度划分采空区“三带”范围见表1。3上603工作面采空区自燃带的分布如图4所示。
表1 按氧气浓度划分采空区“三带”范围
位置不燃带范围/m自燃带范围/m窒息带范围/m进风侧<175175～300>300回风侧<5050～250>250
图4 3上603工作面采空区自燃带的分布
经过分析可知，3上603综采工作面采空区自燃带在进风侧的分布范围较广，沿走向长达130 m左右；而在采空区中部自燃带的分布区域较为狭窄。最终确定综采面采空区自燃危险区域范围为：进风侧175～300 m，回风侧50～250 m。
4 综采面停采期间防止自然发火工艺研究与应用效果分析
为消除3上603综采面停采期间因煤炭缓慢蓄热升温及其他原因引起的自然发火隐患，结合3上603停采面的实际情况，提出“降低供风量+封堵漏风通道+煤壁喷涂封闭+两巷采空区浮煤隔氧冷却”的治理思路。
4.1 采空区遗煤阻化剂喷洒
正常回采时，每天对回风隅角遗煤处洒阻化剂不少于50 kg，与水配比浓度10%～20%。工作面停采后采取防灭火材料充填封堵措施前，每7 d对工作面裸露煤体洒一次阻化剂，数量以覆盖裸露遗煤为准。当工作面两隅角以外的采空区受地质条件、层位调整等原因影响，采空区出现可能造成自然发火的遗煤时，可根据自然发火危险性的严重程度，对采空区遗煤喷洒阻化剂，阻化剂喷洒量视具体情况计算。
喷洒阻化剂使用ZBQ-25/5型气动阻化剂喷洒泵，阻化剂采用ZH型复合阻化剂，PH值为6.5～8.5，自然堆积密度为0.8～1.1 g/cm3，阻化剂环保性与安全性评估符合要求。
4.2 降低工作面供风量，维持通风系统稳定
在满足工作面停采期间正常所需风量要求及瓦斯浓度不超限的前提下，进一步降低工作面供风量，由1 800 m3/min缩至560 m3/min，从而降低采空区漏风，迫使采空区遗煤“氧化带”前移并缩小。风量调整后采空区“三带”分布情况如图5所示。
图5 风量调整后采空区“三带”分布示意图
4.3 封堵漏风通道
(1)上下隅角+架后空峒等漏风通道充填封堵。工作面停采后，在进、回风隅角各布置1个注浆孔，出浆口位于隅角封堵的防灭火材料墙内3～4 m，通过注浆管向隅角内充填普瑞特II型防灭火材料。普瑞特(JTF-II型)防灭火材料经化学自发泡生成泡沫充填体，膨胀倍数在10倍以上，生成过程不产生热量，初期具有良好的扩散性，能向较大范围充填封堵，最终形成的固化泡沫体能与煤岩体固结，实现高效封堵。
(2)工作面两端部(各15架)架后空间充填封堵。在工作面两端部1～15号架、151～165号架范围，每隔2台支架布置1个注浆钻孔。注浆钻孔开孔位置位于煤层底板以上约1.8 m，钻孔仰角15°～20°，钻孔长度约3.2 m，终孔点位于架后3 m，煤层底板之上3 m。钻孔施工完毕后，将注浆设备直接连接注浆钻孔，向架后空间内灌注充填普瑞特II型防灭火材料，封堵漏风通道。
(3)工作面中部架间裂隙充填封堵。工作面中部架间较宽的漏风通道采用人工移动式插管的方式插入注浆管，插入深度约0.5～1.5 m，连接注浆管路进行充填。
(4)工作面两端吊挂风帐导向风流。充填封堵施工结束后，在工作面两端各30 m范围支架前立柱前吊挂风帐，风帐两端至上、下巷巷帮，以减少工作面架后漏风。
4.4 工作面两巷煤壁等裸露煤体喷涂封闭
为防止破碎煤壁氧化，需对煤壁喷涂塑性密闭材料。塑性密闭材料(JPF-Ⅱ)能有效封闭煤岩巷道表面，具有优越的塑性及延展性，可高效应对巷道表面的动态二次压裂，大幅度提高封闭效果。主要封闭范围为工作面两巷及进、回风隅角以外15 m范围裸露煤壁。
查看现场支架间隙情况，对满足喷涂施工要求的支架间隙采用人工喷涂的方式，按由顶向底的顺序进行喷涂，覆盖整个煤壁，喷涂厚度控制在3～5 mm，确保煤壁、锚网表面均匀覆盖。对喷涂区域进行检查，漏喷、覆盖不严区域应及时补喷。
4.5 两巷采空区侧浮煤全覆盖隔氧冷却
为防止两巷采空区侧浮煤氧化，需对该浮煤隐患区灌注含水率高的防灭火材料进行大范围、全方位覆盖，起到隔氧、冷却功能，最大限度降低浮煤氧化隐患。普瑞特Ⅰ型防灭火新技术使用普瑞特矿用防灭火专用液(JTF-I型)，利用微胶囊技术对成胶材料进行表面处理，在水生成泡沫以后，再把成胶材料释放出来，实现先发泡、后成胶的理想状态，具有扩散、堆积性好，保水、降温性优，黏附、封堵性优，热稳定性优，阻化、惰化性好的特点。
在工作面上下隅角位置向采空区侧分别布置一组长短配合注浆钻孔，短钻孔位于采空区内10 m，煤层底板以上4～5 m。长钻孔位于采空区内20 m，煤层底板以上4～5 m。
4.6 应用效果
(1)有效防止停采面自然发火。停采工作面若不及时回撤封闭，支架后采空区氧化带长期处于氧化积热状态，极易造成自然发火。采用中厚煤层采煤面停采期间的综合防火工艺，对停采面两隅角和支架间用塑性喷涂材料封堵，使得支架后采空区与支架前新鲜风流隔绝，有效防止支架后采空区氧化带的氧化积热，杜绝停采面长期不回撤的自然发火现象。
(2)减少停采面回撤封闭、再恢复生产的工作量。若不采用中厚煤层采煤面停采期间的综合防火工艺，停采面必须对支架及两巷设备进行回撤封闭，恢复生产前需重新补打切眼，重新安装支架及两巷设备，造成巨大的人工浪费。
(3)减少煤炭资源浪费。停采面回撤封闭再恢复生产，需在原回撤开切眼向外留煤柱再重新补打开切眼，这样不仅浪费补打开切眼工作量，还造成留煤柱的资源浪费。
中厚煤层停采面期间，采用综合防灭火工艺，有效防止停采面自然发火，为矿井采掘有序生产提供了安全保障和时间保障，节约了不必要的开采成本，减少了工作面安装回撤费用800余万元。
5 结论
(1)采用采空区敷设束管和采样头的方式对采空区气体进行了实测研究。实测表明，综采面采空区高氧气浓度分布范围较广。比如，在回风侧采空区深部大于50 m时，氧气浓度才降至18%以下，大于150 m时，氧气浓度才降至15%以下。
(2)使用Fluent软件对所得结果进行验证，发现采空区高氧区域呈典型的“C”型分布，这与现场实测数据基本吻合，说明建立的CFD模型能够反映采空区氧气分布的真实情况。确定了3上603工作面采空区的易自燃区域分布特征。
(3)提出“降低供风量+封堵漏风通道+煤壁喷涂封闭+两巷采空区侧浮煤隔氧冷却”的治理思路，通过3上603停采面现场实践证明，中厚煤层采煤面停采期间综合防火工艺的研究应用，是杜绝工作面回撤期间自然发火较有效的方法之一，为相似条件下的自然发火防治提供了一定的实践经验，并为井工煤矿采煤工作面自然发火防治技术提供了十分重要的借鉴意义。
[1] 康红普,徐刚,王彪谋,等.我国煤炭开采与岩层控制技术发展40a及展望[J].采矿与岩层控制工程学报,2019,1(2):7-39.
[2] 胡海峰,赵阳升,康建荣,等.煤矿采空区跨度和延续时间与地面残余变形的相关规律及实证[J].岩石力学与工程学报,2008,27(1):65-71.
[3] 史元伟,宁宇,齐庆新.综采放顶煤工作面岩层控制与工艺参数优选[M].徐州：中国矿业大学出版社,2006.
[4] 余明高,常绪华,贾海林,等.基于Matlab采空区自燃“三带”的分析[J].煤炭学报,2010,35(4):600-604.
[5] 程卫民,张孝强,王刚,等.综放采空区瓦斯与遗煤自燃耦合灾害危险区域重建技术[J].煤炭学报,2016,41(3):662-671.
[6] 褚廷湘,刘春生,余明高,等.高位巷道瓦斯抽采诱导浮煤自燃影响效应[J].采矿与安全工程学报,2012,29(3):421-428.
[7] 李树刚,安朝峰,潘宏宇,等.采空区煤自燃引发瓦斯爆炸致灾机理及防控技术[J].煤矿安全,2014,45(12):24-27.
[8] 齐庆杰,黄伯轩.用计算机模拟法判断采空区自然发火位置[J].煤炭工程师,1997,(5):7-9.
[9] 章楚涛.采场空气流动状况的数学模型和数值方法[J].煤炭学报,1983,8(3):45-54.
[10] 邓军,徐精彩,张迎弟,等.煤最短自然发火期试验及数值分析[J].煤炭学报,1999,24(3):274-278.
[11] 邓军,张燕妮,徐通模,等.煤自然发火期预测模型研究[J].煤炭学报,2004,29(5):568-571.
[12] 徐精彩,文虎,张辛亥,等.综放面采空区遗煤自燃危险区域判定方法的研究[J].中国科学技术大学学报,2002,32(6):672-677.
[13] 徐精彩,文虎,葛岭梅,等.松散煤体低温氧化放热强度的测定和计算[J].煤炭学报,2000,25(4):387-390.
[14] 翟小伟,文虎,马威.防治采空区深部煤自燃的胶体隔离控制技术[J].煤炭科学技术,2010,38(8):66-69.
[15] 金永飞,李海涛,李波.粉煤灰灌浆固化膨胀充填工作面煤层自燃防治技术[J].煤炭技术，2014,33(10):240-242.
[16] 张春,题正义,李宗翔,等.注氮防治综放遗煤自燃的三维模拟及应用研究[J].安全与环境学报,2014,14(2):31-35.
[17] DOU GL , WANG DM, ZHONG XX, et al. Effectiveness of catechin and poly(ethylene glycol) at inhibiting the spontaneous combustion of coal[J]. Fuel Processing Technology, 2014, 120:123-127.
[18] 余明高,晁江坤,贾海林.综放面采空区自燃“三带”的综合划分方法与实践[J].河南理工大学学报(自然科学版),2013,32(2):131-135,150.
Study on comprehensive fire prevention technology in goaf during the stopping period of medium-thick coal seam
移动扫码阅读
WANG Minglong, LI Qiang, MENG Fanping.Study on comprehensive fire prevention technology in goaf during the stopping period of medium-thick coal seam[J].China Coal, 2021,47(7)∶39-45. doi:10.19880/j.cnki.ccm.2021.07.006
