“第三十七屆科技論文交流會”三等獎?wù)撐?0
綜采工作面煤層自然發(fā)火空間展布規(guī)律與綜合防治技術(shù)
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大興礦 ?? 張 強(qiáng)?? 李 生
摘 要: 高瓦斯易自然綜采工作面基本都面臨著自然發(fā)火災(zāi)害的危害，根據(jù)以往成功的回采工作面所掌握的防火方法，每個綜采工作面的防火工作都存在著一定的不確定性，除了存在工作面瓦斯涌出量大、自然發(fā)火期短的不利因素外，還有著工作面采空區(qū)“三帶”分布情況還沒有具體掌握、臨近層采空區(qū)與工作面層間距較小、工作面抽采量與配風(fēng)量如何優(yōu)化、通風(fēng)方式對原有注惰性步距效果是否產(chǎn)生影響等一系列不確定因素。通過多年的經(jīng)驗積累，采取了一整套行之有效的綜合防火措施，有效的解決了上述存在的問題，成功實現(xiàn)了絕大多數(shù)工作面的安全順利回采。
關(guān)鍵詞： 自然發(fā)火 采空區(qū) “三帶”分布 綜合防火
1 綜采工作面自然發(fā)火現(xiàn)狀
井下煤炭自燃的頻頻發(fā)生已經(jīng)成為阻礙煤礦井下安全生產(chǎn)的一大障礙，同時成為礦井工人生命安全的一大威脅。 從對大興礦過去10年間煤炭自然發(fā)火的數(shù)據(jù)統(tǒng)計來看，煤炭自燃大概占井下火災(zāi)的90%以上，有的煤層煤體自然發(fā)火期非常短，僅僅18天。 引起大興礦煤自燃的因素有很多，這些因素包括煤質(zhì)及成分、煤層瓦斯含量、水分、采煤工藝、采煤方法、地質(zhì)因素、煤的孔隙率和通風(fēng)條件等。其中內(nèi)因因素為煤質(zhì)及成分、水分、煤孔隙率和煤層瓦斯含量。外因因素有地質(zhì)因素、采煤工藝、采煤方法和通風(fēng)條件。煤質(zhì)及成分在影響 煤自燃過程中呈現(xiàn)規(guī)律性，水分既能夠抑制煤的自燃又在一定程度上有助于煤的自燃，孔隙率大的煤容易發(fā)生自燃，煤層中瓦斯起到惰化煤體的作用阻止其氧化。采煤工藝和采煤方法能決定工作面的推進(jìn)速度和回采率，從而影響煤自燃，通風(fēng)條件決定采空區(qū)的散熱及供氧，地質(zhì)因素主要包括煤厚和傾角，厚度大傾角大容易使煤自燃。
2 綜采工作面防滅火技術(shù)研究現(xiàn)狀
防滅火的過程就是阻止煤氧的復(fù)合反應(yīng)或使煤氧復(fù)合速度降低至一定水平以下，令放熱速度低于高溫煤體放熱的速度，進(jìn)而防止煤體溫度升高導(dǎo)致著火或者使著火的高溫煤體不斷降低溫度而最終熄滅的過程。影響煤自燃的主要因素有煤的表面活性結(jié)構(gòu)濃度、溫度和氧濃度。因此，抑制自燃火災(zāi)關(guān)鍵要從3個方面著手：一是惰化煤體，使其表面活性結(jié)構(gòu)降低，從而放慢煤氧復(fù)合速度，進(jìn)而防止煤自燃的發(fā)生；二是煤氧隔離，令自燃火災(zāi)窒熄；三是降低煤溫，令煤氧化放熱的強(qiáng)度減弱，最終使火熄滅。 大興礦綜采工作面開采過程中，對于工作面綜合防火工作存在的不利因素主要有以下幾方面：
(1) 綜采工作面開采過程中，自然發(fā)火期較短，且基本都屬于易自然煤層，實際生產(chǎn)過程中 煤層煤體自然發(fā)火期最短僅僅為18天，局部構(gòu)造地點 實際發(fā)火期可能要比目前掌握的發(fā)火期短。
(2) 綜采工作面在回采期間，因為受到瓦斯等因素影響，推進(jìn)速度相對較慢（日均推進(jìn)4～6m），造成采空區(qū)遺煤氧化時間較長，給采空區(qū)自然留下了隱患。
(3) 工作面通常為“U”型通風(fēng)方式，對于采取此類型通風(fēng)方式工作面的“三帶”考察還是處在探索階段，采空區(qū)氧氣分布情況還并沒有固定規(guī)律，埋管注惰性氣體、埋管等布局要進(jìn)行考察確定。
(4) 部分工作面周圍臨近層采空區(qū)與工作面間距較小，臨近層采空區(qū)內(nèi)氣體運(yùn)移情況對工作面采空區(qū)防火影響較大，同時采空區(qū)內(nèi)煤柱防火也要綜合考慮。
(5) 部分工作面局部時間段采用“三巷”布置，“三巷”頂板及兩幫松動圈煤體破碎、松散，遺留在采空區(qū)內(nèi)易出現(xiàn)氧化蓄熱。
3 綜采工作面綜合防火措施的確定及實施效果
影響大興礦煤自燃的主要因素有煤的表面活性結(jié)構(gòu)濃度、溫度和氧濃度。因此，防治自燃火災(zāi)關(guān)鍵要從 3 個方面著手：一是惰化煤體，使其表面活性結(jié)構(gòu)降低，從而放慢煤氧復(fù)合速度，進(jìn)而防止煤自燃的發(fā)生；二是將煤氧隔離，令自燃火災(zāi)窒熄；三是降低煤溫令煤氧化放熱的強(qiáng)度減弱，最終使火熄滅。
3.1 針對大興礦綜采工作面自然發(fā)火因素分析結(jié)論，總結(jié)出對綜采工作面采取以下幾方面綜合防火措施：
工作面合理配風(fēng)，加強(qiáng)工作面預(yù)測預(yù)報，考察分析采空區(qū)“三帶”劃分，調(diào)整最佳瓦斯抽采效果；優(yōu)化工作面外圍通風(fēng)系統(tǒng)，綜合考慮工作面采空區(qū)防火與上鄰近層采空區(qū)之間的運(yùn)移關(guān)系，建立“上下”采空區(qū)防火聯(lián)合體；合理布置采空區(qū)注惰性氣體及充填埋管布局，尋求最佳注惰性氣體、充填防火效果；綜合考慮工作面“三巷”松動圈防火措施，采取松動圈“立體”防火方法；利用均壓防滅火技術(shù)措施達(dá)到預(yù)防和消滅火災(zāi)的目的，降低采空區(qū)漏風(fēng)通道兩側(cè)的風(fēng)壓差，減少漏風(fēng)；加強(qiáng)上、下隅角堵漏，隔絕對采空區(qū)煤體連續(xù)供氧。
圖 1 ? 工作面 煤 體 自燃過程
3.2 合理配風(fēng)，建立采空區(qū)“三帶”劃分模型
3.2.1 綜采工作面采空區(qū)“三帶”劃分情況
大興礦綜采工作面“三帶”劃分是直接依靠埋管取樣測定的方法來確定，同時根據(jù)工作面實際條件，科學(xué)的布設(shè)取樣點的位置和數(shù)量，提高數(shù)據(jù)資料的綜合利用率。綜采工作面回采期間基本利用4分鐵管做管套，在上、下隅角硬幫側(cè)埋設(shè)檢測束管，當(dāng)前一趟束管埋入采空區(qū)50m后，再埋設(shè)第二趟，當(dāng)所埋設(shè)的束管進(jìn)入采空區(qū)超過100m后，將不再對束管進(jìn)行檢測取樣。每班安排專人對采空區(qū)內(nèi)束管進(jìn)行取樣，利用地面色譜分析儀對采空區(qū)內(nèi)氣樣進(jìn)行化驗分析，并劃定出采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律。
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3.2.2 綜采工作面采空區(qū)上覆“三帶”劃分情況
大興礦綜采工作面推進(jìn)后，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生位移，根據(jù)巖層的變形情況分成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶。冒落帶在三帶的最底層，它是由于采煤工作面的移架或放頂失去支撐力后的直接頂垮落形成的，垮落的很有次序，自上而下進(jìn)行。一般冒落帶垮落的下部巖石塊度比較小排列也不規(guī)則，而上部巖石塊度大，排列比較整齊。通常冒落帶的高度是采高的 2 ～ 4 倍。三帶的中間是裂隙帶，裂隙帶受冒落帶的垮落壓實影響而彎曲下沉，并出現(xiàn)離層現(xiàn)象，有的地方發(fā)生斷裂。裂隙帶的范圍變化受冒落帶巖性和采高影響。在裂隙帶上方是彎曲下沉帶，彎曲下沉帶的范圍比較大，厚度也比冒落帶和裂隙帶大，基本不產(chǎn)生裂縫，有也是極微小的裂縫，其地表附近形成沉降區(qū)，這個區(qū)域在采空區(qū)的上方，往往要比開采區(qū)域要大。這三帶越靠近采空區(qū)的巖帶對采煤工作面的影響越大，也就是冒落帶影響最大，其次裂隙帶，最后彎曲下沉帶。
大興礦綜采工作面推進(jìn)后，采空區(qū)上覆巖層發(fā)生位移，根據(jù)巖層的變形情況分成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶三帶。冒落帶在三帶的最底層，它是由于采煤工作面的移架或放頂失去支撐力后的直接頂垮落形成的，垮落的很有次序，自上而下進(jìn)行。一般冒落帶垮落的下部巖石塊度比較小排列也不規(guī)則，而上部巖石塊度大，排列比較整齊。通常冒落帶的高度是采高的 2 ～ 4 倍。三帶的中間是裂隙帶，裂隙帶受冒落帶的垮落壓實影響而彎曲下沉，并出現(xiàn)離層現(xiàn)象，有的地方發(fā)生斷裂。裂隙帶的范圍變化受冒落帶巖性和采高影響。在裂隙帶上方是彎曲下沉帶，彎曲下沉帶的范圍比較大，厚度也比冒落帶和裂隙帶大，基本不產(chǎn)生裂縫，有也是極微小的裂縫，其地表附近形成沉降區(qū)，這個區(qū)域在采空區(qū)的上方，往往要比開采區(qū)域要大。這三帶越靠近采空區(qū)的巖帶對采煤工作面的影響越大，也就是冒落帶影響最大，其次裂隙帶，最后彎曲下沉帶。
圖 3? 采空區(qū)上覆巖層三帶示意
3.2.3 綜采工作面采空區(qū) 滲透率的計算
綜采工作面采空區(qū)冒落情況非常不復(fù)雜，難以準(zhǔn)確去計算某個地點的滲透率，但是采空區(qū)滲透率的分布具有一定的規(guī)律性，可以根據(jù)這種規(guī)律性進(jìn)行研究采空區(qū)的滲透率。采空區(qū)遺煤的滲透性跟煤的孔隙結(jié)構(gòu)、裂隙以及地應(yīng)力有關(guān)。煤的孔隙率越大，孔隙越多，滲流通道增多，越容易滲透，所以滲透率越大。裂隙越多，通道也越多，滲透率越大。遠(yuǎn)離工作面的采空區(qū)冒落的巖石壓實程度較大，孔隙率低，裂隙少，地應(yīng)力大，所以滲透率低，當(dāng)距工作面一定距離時，孔隙率、裂隙數(shù)和地應(yīng)力都趨于一定值，滲透率也趨近一定值。
由多孔介質(zhì)的 Carman 公式，滲透率的計算公式為：
式中 ? Dm ——多孔介質(zhì)骨架的平均粒徑，取值一般為 0.014~0.016m 。從采空區(qū)邊緣到中 ??? 心壓實區(qū)，滲透率的計算過程中碎脹系數(shù)ε的取值為 1.58~1.10 ， n 為孔隙率： n ＝ 1 － 1/ ε，ε為碎脹系數(shù)。
從采空區(qū)中心壓實區(qū)域到靠近采空區(qū)邊界的碎脹系數(shù)取 值為1.1~16。將對采空區(qū)不同地點所采煤樣的研究得出的粒徑和孔隙率數(shù)據(jù)帶入公式，再將所求解與煤樣所在采空區(qū)的位置進(jìn)行繪制采空區(qū)煤體的滲透率分布圖從采空區(qū)煤體滲透率的分布圖可以看出滲透率變化比較規(guī)律，靠近工作面比較大，遠(yuǎn)離工作面比較小，在工作面的的傾斜方向變化不大?！ ?/span>
根據(jù)滲透率的指數(shù)遞減規(guī)律擬合滲透率K變化曲線為：
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式中 μ——空氣的粘性系數(shù)，常溫取1.7894e-4kg/ms。X為采空區(qū)距工作面的距離，y為采空區(qū)距離通風(fēng)順槽的距離。
圖4? 大興礦采空區(qū)煤體滲透率分布
3.3 合理布置采空區(qū)注氮及充填埋管布局，實現(xiàn)注氮充填防火方式一體化
3.3.1 選擇最佳注氮量
根據(jù)以往綜采工作面的經(jīng)驗得出，工作面配風(fēng)量1/60為該工作面的最佳注氮量的相關(guān)理論。同時在回采過程中，對不同的注氮量進(jìn)行了測試比較，根據(jù)對工作面采空區(qū)“三帶”氧氣濃度的取樣分析得出，當(dāng)注氮量為1200～1500 m3/h 時 ,采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)50～100m范圍內(nèi)氧氣的含量為10%～3%,回風(fēng)側(cè)上隅角CO濃度保持在 0.0008%～0.0016%之間,說明采空區(qū)雖然存在一定程度的煤炭氧化，但工作面各種有防火指標(biāo)均未超限 ,能保證安全生產(chǎn)。因此得出一般情況下1200～1500 m3/h的注氮量為正常生產(chǎn)時的最佳注氮。
3.3.2 注氮埋管在采空區(qū)內(nèi)的合理步距
采空區(qū)注氮出口與工作面之間的距離也是注氮防火的一個重要參數(shù) , 注氮出口距工作面過近 ,則氮?dú)饬鞒潭?span lang="EN-US">,泄漏大,易造成采空區(qū)內(nèi)氧氣含量過高 ,而且不利于采空區(qū)的注氮防火；注氮出口距工作過遠(yuǎn),則不利于采空區(qū)次氧化帶的惰化。因此綜采工作面在回采期間，通過運(yùn)順采空區(qū)注氮管路的埋設(shè)步距，考察了注氮出口距工作面切頂線不同距離時, 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧含量變化情況。當(dāng)注氮出口距工作面切頂線為15m和30m時（工作面采取埋設(shè)雙注氮管路方式）,回風(fēng)側(cè)采空區(qū)30m～50m內(nèi)氧含量為10%～15%之間，符合以往綜采工作面注氮防火最優(yōu)效果的標(biāo)準(zhǔn)。因此,選擇15m和30m為綜采工作面采空區(qū)注氮防火的合理步距。
3.3.3?????? 實現(xiàn)注氮、充填防火方式的一體化
大興礦綜采工作面在采取采空區(qū)注氮防火方式的同時，也將采空區(qū)充填防火與注氮防火相結(jié)合，實現(xiàn)兩種防火方式效果的最大化。注氮充填防火一體化重點體現(xiàn)在兩者“1+1”大于2的理論上，在注氮管路出口的上風(fēng)側(cè)和下風(fēng)側(cè)，利用事先埋設(shè)充填管路進(jìn)行充填封堵，使之在工作面采空區(qū)運(yùn)順構(gòu)成一個“空間注氮”氣室，在墮化采空區(qū)氣體的同時，形成一道封堵屏障，減小采空區(qū)漏風(fēng)，縮短采空區(qū)漏風(fēng)帶和氧化帶的距離，實現(xiàn)注氮、充填防火的最佳效果。
3.4 實現(xiàn)“三巷”松動圈立體防火技術(shù)，科學(xué)使用輔助防火措施
“三巷”松動圈防火檢測，對運(yùn)、回順、泄水巷頂板有頂煤的地點每50m施工防火觀測鉆孔，鉆孔內(nèi)下4分套管，套管中穿入φ8mm束管到孔底，用于觀測煤體防火指標(biāo)參數(shù)變化情況，如發(fā)現(xiàn)問題立即采取注水、注泥等措施。
運(yùn)、回順頂板有頂煤處提前施工注水鉆孔，每隔3m打一排鉆孔，每排2個鉆孔，鉆孔間距為2m；運(yùn)、回順切眼硬幫往外打兩排注水孔，第一排在巷幫的中間每1.5m打一個孔深5m傾角0°方位0°的鉆孔；第二排在第一排上方0.8m的位置每間隔第一排鉆孔向上施工孔深5m傾角30°方位0°的鉆孔，施工完畢后的鉆孔用φ10mm膠管（或4分鐵管）、聚氨酯膠封口，每天原班距工作面5m以內(nèi)的鉆孔注水；運(yùn)順設(shè)一臺阻化劑泵，（每天四點、零點班注水，白班注阻化劑）。
在運(yùn)、回順鉆場內(nèi)施工斜交注水鉆孔，由運(yùn)順鉆場向工作面下隅角（氧化帶）至工作面50#綜采液壓支架范圍煤層頂板10m位置均勻布置注水孔，終孔點間距15m；回順布置有高位鉆場及消火道的工作面，可在高位鉆場及消火道內(nèi)補(bǔ)充上隅角及回順頂板注水孔。
3.5 運(yùn)、回順均壓防滅火措施
綜采工作面利用均壓防滅火技術(shù)措施達(dá)到預(yù)防和消滅火災(zāi)的目的，需要降低采空區(qū)漏風(fēng)通道兩側(cè)的風(fēng)壓差，減少漏風(fēng)。大興礦綜采工作面均壓防滅火技術(shù)主要是對采煤工作面采空區(qū)進(jìn)行均壓。其原理是利用降壓運(yùn)、回順壓差的調(diào)壓手段，杜絕或減少采空區(qū)漏風(fēng)，降低煤體自燃火災(zāi)存在的危險系數(shù)。均壓防滅火工藝非常簡單、易行，工程量小，成本低，能夠取到良好效果?！ ?/span>
4 經(jīng)驗體會
大興礦高瓦斯易自然綜采工作面，雖然影響工作面自然發(fā)火的因素很多，但是還是有規(guī)律是可尋的。通過分析和研究高瓦斯易自然綜采工作面煤層自然發(fā)火特點及其規(guī)律，提出煤層自燃早期預(yù)測預(yù)報及預(yù)防體系，合理運(yùn)用煤層綜合防火治理技術(shù)，制定高瓦斯易自然綜采工作面綜合防滅火技術(shù)方案，能夠?qū)崿F(xiàn)工作面的安全順利回采。但不可否認(rèn)，一些尚未解決的技術(shù)難題影響了自燃火災(zāi)的防治效果，這些技術(shù)難題也是綜采開采工作面自燃火災(zāi)防治進(jìn)一步發(fā)展的障礙。技術(shù)難題包括 ：
綜采工作面采空區(qū)“三帶”的劃分。采空區(qū)“三帶”的劃分對自燃火災(zāi)防治措施的防治效果有很大影響，但由于綜采工作面的大采高以及各煤層自燃發(fā)火期和煤層地質(zhì)條件的不同，綜采工作面“三帶”的劃分沒有確定的通用標(biāo)準(zhǔn)與劃分方法。
注氮預(yù)防自燃火災(zāi)時，由于對氮?dú)庠诓煽諈^(qū)移動規(guī)律的不了解，造成注氮防滅火效果不明顯。特別是對于不同地質(zhì)條件的工作面采空區(qū)，采空區(qū)所注氮?dú)庖苿右?guī)律尚需研究。
本煤層綜采工作面與鄰近層采空區(qū)之間的氣體運(yùn)移關(guān)系的考察還處于摸索階段，如何處理好本煤層防火同臨近層采空區(qū)防火之間的關(guān)系，還存在著較大的技術(shù)難題。
參考文獻(xiàn)：
[1] 、王省身 礦井火災(zāi)防治［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1990.
[2] 、徐精彩 煤自燃危險區(qū)域判定理論［M］.北京：煤炭工業(yè)出版社， 2001.
[3] 、 《大興礦保護(hù)層開采卸壓條件下N2九層煤瓦斯參數(shù)與自然發(fā)火研究》.[D].中國礦業(yè)大學(xué) 2009.
[4] 、 牛會永,張辛亥.煤炭自燃機(jī)理及防治技術(shù)分類研究[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007.
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第一作者簡介： 張強(qiáng)（ 1983- ），男，工程師， 2007年畢業(yè)于遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全工程專業(yè)，現(xiàn)任鐵煤集團(tuán)大興煤礦保安區(qū)區(qū)長，從事煤礦通風(fēng)與安全技術(shù)與管理工作，聯(lián)系電話：15941077995。
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