斜沟煤矿18112综采孤岛工作面控制风量防灭火技术研究

郝利生

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿)



斜沟煤矿18112综采孤岛工作面控制风量防灭火技术研究

郝利生

(山西西山晋兴能源有限责任公司斜沟煤矿)

为了防治斜沟煤矿8#煤层18112综采孤岛工作面采空区遗煤自然发火，从煤的活性自由基角度分析了煤炭自燃机理，并基于采空区自燃“三带”划分标准和数值模拟的方法，采用流体力学COMSOL计算软件，研究了孤岛工作面在不同进风量时采空区氧化升温带的变化规律，确定氧化升温带的范围；通过回归分析方法得到工作面供风量与氧化升温带宽度的回归方程。研究结果表明，采空区漏风是导致18112孤岛工作面采空区自然发火的主要原因；氧化升温带宽度随着工作面供风量的增加而变大。实施以风治火技术后，18114回风密闭墙内CO浓度由开始超过20×10-6降至5×10-6左右，表明运用以风治火技术防治斜沟煤矿采空区遗煤自燃是可行的。

综采孤岛工作面 数值模拟 采空区漏风 以风治火 自燃机理

近年来，综采技术在煤炭开采得到了广泛的推广应用，但受到采煤推进速度的加快及复杂的地质条件限制，导致一部分煤炭遗留在采空区，这部分煤与漏入的空气发生缓慢的氧化反应，造成煤自然发火，威胁煤矿的安全高效生产[1]。

为了防止遗煤自燃，国内外众多研究人员开展了大量的研究，如注浆防灭火技术、采空区洒水(注水)、充填堵漏防灭火技术、惰气防灭火技术、阻化剂防灭火技术、凝胶防灭火技术、三相泡沫防灭火技术等[2-5]，取得了一定的科研成果，但均存在成本较高、操作工序较复杂、人员投入较多、前期需要准备的材料耗时较长等问题[6]，且如果采空区有漏风通道，氮气、三相泡沫、阻化剂、凝胶、黄泥浆会沿着漏风通道流失，不能长时间起到防灭火作用。为此，本研究基于CFD理论，利用COMSOL软件对斜沟煤矿18112综采孤岛工作面，在供风量不同的条件下，采空区自燃“三带”宽度变化进行数值模拟，得出自燃“三带”与供风量的变化规律，从诱发火灾的根本原因出发，提出价格低廉、操作简便的以风治火技术。现场实施应用表明，该技术能显著防治18112孤岛工作面采空区自燃的难题。

1 斜沟煤矿18112孤岛工作面概况

斜沟煤矿地处山西省吕梁市兴县，该矿位于河东煤田北部的中南部。主采煤层为8#、13#煤，井田南北长约22 km，东西宽约4.5 km，面积88.6 km2。绝对瓦斯涌出总量24.02 m3/min，相对瓦斯涌出量0.84 m3/t，属于瓦斯矿井。

18112综采孤岛工作面位于11采区辅运上山南侧，西邻18110工作面，东邻18114工作面，再向东有矿界，矿界内外高家峁煤矿物探异常区，南部为实煤区。

由于18110和18114综采工作面都已采完，18112综采工作面变成了综采孤岛工作面。18112综采工作面倾斜长度294 m，走向长度3 796.5 m，采用走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法。现开采的8#煤层平均厚度5.75 m，平均倾角8.2°，属于自燃煤层，自然发火期为84 d，煤尘具有爆炸性。该工作面回风巷最大绝对瓦斯涌出量1.39 m3/min，属于瓦斯工作面，采取“U”型通风方式，巷道布置如图1所示。

图1 18112工作面巷道布置

2 煤的活性自由基形成及其自燃氧化机理分析

受到采煤破坏的影响，原始煤体中产生大量裂缝和裂隙，在外力作用下煤分子断裂，含有侧链和官能团的大量煤体分子结构被破坏，变为活性自由基团，煤体表面在吸附氧分子的过程中均形成大量自由基[7]。自由基形成反应方程式为

(1)

煤的自由基链式反应是一个复杂的、连续进行的过程，漏风强度的不同、煤的变质程度及蓄热条件均会引起不同的链式反应，具体影响自由基链式反应的因素在文献[7]中已做分析，其反应过程方程式为

(2)

由式(1)和式(2)可看出，活性自由基的形成和链式反应都有一个共同点，即必须有足够的氧气，如果采空区漏风减少，则活性自由基将显著变少，其链式反应的进行也将终止，煤也就终止自然氧化。

在顶板压力等的作用下，18112综采孤岛工作面采空区遗煤产生大量裂隙并在其表面生成大量活性自由基团，同时在矿山压力的作用下，保护煤柱被压酥，18112工作面采空区和18110、18114采空区连成一片，形成了复杂的采空区漏风网络，充分发育的漏风网络为自由基链式氧化反应提供了条件，进而引起采空区遗煤自燃。因此，要防治18112综采孤岛工作面采空区自然发火，可以从以风防火、以风治火的角度着手，降低采空区漏风，使自由基的形成和链式反应终止。

3 采空区自燃氧化带宽度与供风量关系的数值模拟

3.1 数值模拟边界条件及计算参数设置

为了研究采空区遗煤自然发火情况，利用COMSOL软件数值模拟采空区流场。按照现场实际情况选定数值模拟的条件和参数，根据18112工作面现场风流参数测试的结果，设置数值模拟的计算区域长128 m，宽294 m，其中工作面宽8 m、采空区走向长120 m、工作面倾斜长294 m。18112孤岛工作面进风巷的氧气浓度为20.9%，风流温度19.7 ℃。现场风流参数测试结果见表1。

表1 18112综采孤岛工作面风流参数

根据多孔介质Carman计算采空区的渗透率

(3)

(4)

式中,n为孔隙率，n=1-1/Kp；Dm为多孔介质骨架的平均粒径，m；K为采空区渗透率，取值为以下3种情况：压实稳定区岩体K=1.47×10-6m2，受载荷影响区的岩体K=3.54×10-6m2，自然堆积状态下的岩体K=5.389×10-6m2；R为反应率；b为实验常数。

数值模拟计算参数设置见表2。

表2 数值模拟计算参数的设置

采空区的渗透率为指数递减的变化趋势。18112综采孤岛工作面渗透率K拟合曲线：

(5)

3.2 模拟方案

将进风巷的风量设置为1 800，2 200，2 600和3 000 m3/min，模拟18112孤岛工作面采空区自燃“三带”与供风量之间的变化规律。

3.3 数值模拟及结果分析

升温速率划分法、漏风风速划分法和氧浓度划分法[8-10]是国内采空区自燃“三带”划分最常用的方法。采空区内升温速率k>1 ℃/d、漏风风速在0.001 6～0.004 m/s和氧浓度在8%～18%的区域即为采空区氧化升温带。针对18112工作面采空区遗煤的自然特性，采用漏风风速划分法和氧浓度划分法相结合，对采空区自燃“三带”范围进行划分才更为合理。即以风速0.004 m/s为界限，氧化带与窒息带以氧气浓度8%为界限，作为冷却带与氧化带的分界。根据两种划分方法，设置工作面不同的供风量，借助数值模拟计算采空区氧化升温带范围，见表3。

表3 供风量不同时采空区氧化升温带范围

分析表3的数据可以得出，氧化升温带与工作面供风量呈现出非线性递增关系，给定供风量(x)不同时，对氧化升温带的宽度(y)运用二次多项式进行拟合分析，拟合曲线如图2所示。根据数值模拟结果，利用回归分析方法得到18112工作面不同供风量时氧化升温带宽度的回归方程：

(6)

图2 供风量不同时氧化升温带范围的拟合曲线

通过图3得到，随着工作面供风量的不断增大，氧化升温带的最大宽度变化很小，但最低氧浓度等值线和最大漏风风速等值线均有变化。最低氧气浓度等值线8%随着进风量的增加向采空区深部移动，最大漏风风速等值线0.004 m/s随着供风量的增加向采空区的深部移动，但移动距离较小；氧化升温带的宽度也在增大。

图3 18112工作面供风量不同时采空区氧化升温带宽度的数值模拟

4 控制风量防灭火技术

4.1 控制风量技术的应用

采空区漏风情况、煤及围岩温度、煤的破碎性、采空区氧浓度、煤层自燃特性等多种条件导致斜沟煤矿18112孤岛工作面采空区遗煤自燃[11-13]。研究分析数值模拟发现采空区漏风是导致18112采空区遗煤自燃的主要原因。理论研究成果和现场实际生产证明：在18112孤岛工作面运用控制风量防灭火技术能够显著减少采空区的漏风，有效防治采空区遗煤自燃。

为了降低18112工作面采空区的漏风量，阻止采空区遗煤自燃，在18114孤岛工作面应用均压防灭火技术，即采用固体泡沫喷涂，将18110工作面与18112回风巷已封闭的联络巷封闭墙，另外在18110综采工作面进风巷停采线位置灌注凝胶加强封堵，达到充分密闭采空区的目的。由于18112孤岛工作面瓦斯较小，配风量只需满足CH4安全浓度要求即可。通过现场实践应用发现：当18112孤岛工作面风量为35 m3/min时，既可以有效风排瓦斯，又可以较好的阻止采空区遗煤自燃。

控制风量通风技术运用前后，18114工作面回风密闭墙内采空区CO浓度变化如图4所示。

从图4中可以发现，实施控制风量通风技术后，18114工作面采空区的CO浓度显著减少，最终稳定在5×10-6。在18112工作面实施以风治火技术后，有效控制了采空区浮煤的自燃，18112工作面达到安全、高效回采。

图4 18114回风密闭墙内CO浓度监测结果

4.2 18112孤岛工作面采空区氧化升温带与相邻采空区漏风的关系

众多学者认为，采空区自燃“三带”的范围随着采空区漏风量增大而变大，特别是氧化升温带，遗煤的氧化反应最为强烈，采空区中同一位置的遗煤由于自燃氧化带宽度的变大，进而处于氧化升温带内的时间增长，遗煤蓄热时间也随之延长，从而加剧遗煤自燃的危险性[13-15]。此次数值模拟过程中，分析研究了18112孤岛工作面采空区自燃“三带”与邻近采空区的漏风关系。分析数值模拟结果：18112孤岛工作面与普通工作面自燃“三带”不同，氧化升温带的宽度随着相邻采空区的漏风增大而增大，并且邻近采空区的漏风使氧化升温带向采空区深部移动；由于18110孤岛工作面采空区漏风严重，采空区氧化升温带的范围在进风侧明显比回风侧宽；氧浓度等值线(8%)和风速等值线(0.004 m/s)随着采空区漏风量的增大向采空区深部移动，采空区深部的氧浓度也随之升高，致使氧化升温带的宽度增大。

5 结 论

(1)由活性自由基链式反应理论、COMSOL数值模拟结果和现场测试，得出18112采空区煤炭自燃的主要原因是采空区漏风。

(2)借助COMSOL软件，对采空区自燃“三带”宽度与工作面供风量进行数值模拟发现：18112孤岛工作面风量由1 800 m3/min逐渐增大到3 000 m3/min时，采空区自燃氧化升温带向采空区深部移动，其区域从48.5 m扩至50.8 m。通过回归分析，得到了氧化升温带与工作面供风量呈现出非线性递增关系。

(3)对邻近的18114采空区实施加强封堵和均压等以风治火技术措施及监测监控密闭墙内气体，采空区漏风显著减少，有效防止了18112孤岛工作面采空区遗煤的自燃。

[1] 周西华.双高矿井采场自燃与爆炸特性及防治技术研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2006.

[2] 王德明.矿井火灾学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2011.

[3] 郝朝瑜,王继仁,廉振山,等.综采采空区特性与氧浓度分布关系研究[J].防灾减灾工程学报,2011,6(3):95-100.

[4] 曹 鹏.天池煤矿高瓦斯自燃煤层孤岛工作面防灭火研究[D].阜新:辽宁工程技术大学,2010.

[5] 张 龙,袁树杰,朱成涛.俯采工作面采空区“三带”分布研究[J].中国安全生产科学技术,2013,9(5):67-71.

[6] 周西华,白 刚,李诚玉,等.天池矿102综放孤岛工作面控制风量防灭火技术研究[J].中国安全生产科学技术,2015,11(3):105-111.

[7] 杨胜强,张人伟,邸志前,等.煤炭自燃及常用防灭火措施的阻燃机理分析[J].煤炭学报,1998,23(6):620-624.

[8] Ren T X,Richards M J.Computerised systerm for the study of the spontaneous combustion of coal[J].Mining Engineer(London),1994,154(398):121-127.

[9] 秦波涛,王德明,毕 强,等.三相泡沫防治采空区煤炭自燃研究[J].中国矿业大学学报,2006,35(2):162-166.

[10] 吕文陵,杨胜强,徐 全,等.高瓦斯矿井孤岛综放采空区遗煤自燃综合防治技术[J].中国安全生产科学技术,2010,6(5):60-66.

[11] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

[12] 秦波涛,王德明.矿井防灭火技术现状及研究进展[J].中国安全科学学报,2007,17(12):80-85.

[13] 毕 波.古山矿易自燃特厚煤层综放面采空区防灭火数值模拟[D].阜新：辽宁工程技术大学,2010.

[14] Pan Rongkun,Cheng Yuanping,Yu Minggao,et al.New technological partition for''three zones''spontaneous coal combustion in goaf[J].International Journal of Mining Science and Technology.2013,23(4):489-493.

[15] 柏发松,方昌才,陈 宿,等.综采工作面架间高位插管注浆防灭火应用研究[J].煤炭科学技术,2014,42(5):45-47.

Study on Fire Prevention and Control Technology of Controlling Air Volume on 18112 Fully-mechanized Isolated Island Caving Face of Xiegou Coal Mine

Hao Lisheng

(Xiegou Coal Mine,Shanxi Xishan Jinxing Energy Co.,Ltd.)

In order to prevent coal spontaneous combustion in goaf of 18112 fully-mechanized caving island coal face that is located in 8#coal seam of Xiegou coal mine,the mechanism of coal spontaneous combustion is analyzed from the view of the active radicals,according to the division standard of spontaneous combustion "three zones" in goaf and numerical simulation method,the change law of oxygenation heating-up zone in goaf under different air supply volumes is studied and the scope of oxygenation heating-up zone is determined by using the computational fluid dynamics COMSOL software.The regression equation between air supply volume of the working face and the width of oxygenation heating-up zone is obtained by conducting regression analysis.The study results show that air leakage in goaf is the main reason of spontaneous combustion in goaf of 18112 fully-mechanized caving island coal face,the with of oxygenation heating-up zone is enlarged with the increasing of the air supply volume.The application results of the fir prevention and control technology of controlling air volume show that the concentration of CO in 18110 return air closed wall of goaf is decreased from 20×10-6to 5×10-6,it is further indicated that is is feasible to prevent spontaneous combustion of residual coal in goaf of Xiegou coal mine by using wind preventing fire technology.

Full-mechanized isolated island caving face,Numerical simulation,Goaf air leaking,Wind preventing fire,Spontaneous combustion mechanism

2016-09-02)

郝利生(1983—)，男，工程师，033602 山西省吕梁市兴县魏家滩镇。