浅埋深煤层采空区自燃危险区判定及防治技术.pdf

52shallow and deep coal seamlSafetyin Coal Mines,2023.54(8):52-57移动扫码阅读ZHANG Zijun,LI Zheng.Determination and prevention technology of spontaneous combustion danger zone in57张子军，李正.浅埋深煤层采空区自燃危险区判定及防治技术J.煤矿安全，2 0 2 3，54（8）：52-矿井通风与火灾防治DOI:10.2023.08.010口SafetyinCoal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤防发全第54卷第8 期浅埋深煤层采空区自燃危险区判定及防治技术张子军，李正2（1.山东欣鹏安全技术咨询有限公司，山东济南2 50 1 0 8;2.枣庄中联水泥有限公司，山东枣庄2 7 7 1 2 2）摘要：浅埋深煤层工作面在开采过程中受采动影响更易产生与地面连通的裂隙，从而导致采空区漏风供氧增加、遗煤自然发火隐患增大。为尝试解决这一问题，以李家塔煤矿2 号煤层首采1201工作面为研究对象，现场实测了工作面通风参数、采空区内进、回风两侧氧气体积分数的变化规律；CFD仿真模拟了不同供风量下采空区内部自燃危险区域的分布特征；并在此基础上提出了氧化区惰化降温、漏风区域控风堵漏、覆盖遗煤阻隔煤氧化反应“三位一体”的采空区遗煤自燃综合防灭火技术措施。结果表明：1 2 0 1 工作面采空区自燃危险分布范围为：进风侧8 6 2 2 2m,回风侧54 1 56 m。关键词：不同配风量；浅埋深煤层；自然发火；地面漏风；自燃三带中图分类号：TD75+2.2文献标志码：B文章编号：1 0 0 3-496 X(2023)08-0052-06Determination and prevention technology of spontaneous combustion danger zone inshallow and deep coal seamZHANG Zijun,LI Zheng?(1.Shandong Xinpeng Safety Technology Consulting Co.,Ltd.,Jinan 250108,China;2.Zaozhuang Zhonglian Cement Co.,Ltd.,Zaozhuang 277122,China)Abstract:In the mining process,the shallow buried deep coal seam working face is more likely to produce cracks connected withthe ground due to the influence of mining,which leads to the increase of air leakage and oxygen supply in goaf and the increaseof hidden dangers of spontaneous combustion of residual coal.In order to try to solve this problem,taking 1201 of the first miningface of No.2 coal seam in Lijiata Coal Mine as the research object,the ventilation parameters of the working face and the changelaw of oxygen volume fraction on both sides of inlet and return air in goaf were measured in site;CFD simulation simulates thedistribution characteristics of hazard areas in goaf under different air supply rates.On this basis,the trinity comprehensive fireprevention and extinguishing technical measures of spontaneous combustion of residual coal in goaf are proposed,which are“inertcooling in oxidation zone,wind control and plugging in air leakage zone,covering residual coal and blocking coal oxidationreaction.The results show that the distribution range of spontaneous combustion danger in goaf of 1201 working face is 86-222m on the air inlet side and 54-156 m on the air return side.Key words:different air distribution;shallow buried deep coal seam;spontaneous combustion;air leakage on the ground;threezones of spontaneous combustion矿井采空区自然发火属内因火灾，具有自燃倾向性的煤层开采时，采空区遗煤较多且呈破碎堆积状态，持续漏风供氧条件下遗煤热量不断积聚，就极容易引发自然发火!，极大程度上威胁矿井安全生产和作业人员的生命健康2-3。对于浅埋深的煤层由于上覆岩层厚度小，受采动影响采空区与地表更收稿日期：2 0 2 3-0 2-1 7责任编辑：陈洋作者简介：张子军（1 97 4一），男，山西朔州人，高级工程师，注册安全工程师，学士，主要从事安全技术咨询工作。E-mail：c p q l z j 1 2 6.c o m53SafetyinCoal Mines2023年8 月Aug.2023煤矿发全Vol.54No.8第8 期第54卷容易形成连通裂隙4-6 ,因此确定浅埋深煤层采空区的自燃危险区域分布范围对保障矿井安全生产和人员安全具有重大意义。目前国内外多数学者对采空区自燃分布特点的研究较少考虑浅埋深采空区的特点7-8 。为此，以李家塔煤矿2 号煤层首采1 2 0 1 工作面为例，通过实测数据和仿真模拟对浅埋深易自燃煤层采空区自燃“三带”分布范围进行了研究；确定了采空区自燃高危区域，提出了氧化区惰化降温-漏风区域控风堵漏-覆盖遗煤阻隔煤氧化反应的“三位一体”综合防灭火技术措施；研究结果为具有类似浅埋深易自燃煤层开采提供有效的技术保障。1石矿井概况李家塔煤矿2#煤层埋深在1 59 2 50 m，煤自燃倾向性等级为I类，最短自然发火期37 d,属浅埋深易自燃煤层开采。首采1 2 0 1 工作面采用走向长壁一次采全高后退式采煤工艺，距离工作面南侧2 0 m为井田保护煤柱，北侧距离1 2 0 1 工作面回撤通道50 m为辅助运输大巷，工作面东、西侧均为实体煤。工作面走向长2 47 5m，倾斜长30 0 m。开采煤层工作面地面标高1 2 30.0 1 337.5m，底板标高1 0 7 1.6 1 0 8 0.8 m，平均煤厚3.5m，采高3.5m。工作面布置了回风巷、切眼、运输巷、辅运巷和回撤通道等5条巷道。工作面采用两进一回“U”型通风方式，新鲜风流经运输巷和辅运巷达到工作面，变成污风后由回风巷进人2#煤回风大巷，工作面风量为1 7 50 m/min，满足工作面生产需求。2自燃“三带”分布范围研究采空区自燃“三带”分为3个部分，分别为：漏风强度较大、热量无法积聚的散热带；具有遗煤自燃风险的氧化升温带；氧气体积分数较低无法满足遗煤氧化的室息带。氧化升温带位于散热带与室息带之间，采空区内这部分的遗煤最具自燃危险因此称之为采空区自燃危险区9-1 0 2.1现场实测2.1.1采空区气体参数测定结合1 2 0 1 工作面实际回采情况，沿1 2 0 1 工作面进、回风巷外帮各布置3个气体监测点，从工作面开始每隔50 m布置1 个测点，监测点采用三芯束管连接，用于采集采空区内气体，束管外用50mm钢管进行保护，两巷道监测管路总长为30 0 m。自燃“三带”测定监测点布置示意图如图1。三芯束管主回撤通道1201回风巷采空区1201综采工作面1201运输巷三芯束管煤柱1201辅运巷图1 自燃“三带”测定监测点布置示意图Fig.1 Layout of monitoring points for spontaneouscombustion“three zonesmeasurement测点外用三通保护套管保护，并通过法兰盘与主管路连接，为防止采空区积水影响，保证气体采集的准确性，设定测点布置高度为1 m。随着工作面推进，对每日采集的束管内气体成分和含量进行分析。自燃“三带”观测期间，工作面累计推进2 39m。以典型测点气体分析数据为依据，绘制监测点O2、CO 气体体积分数随工作面推进距离的变化曲线，并以7%0 2 体积分数1 8%为指标，划分工作面采空区自燃“三带,确定采空区自燃危险区域的分布范围2.1.2进风侧气体体积分数变化规律进风侧1#测点累计埋人采空区2 2 2 m，随着工作面的推进0 2 体积分数总体呈持续下降的趋势，通过对观测数据进行拟合得出式(1)的进风侧O2体积分数变化一次方程：Y i=22.42-0.06x(1)式中：Yi为进风侧氧气体积分数，%；x为工作面推进距离,m进风侧采空区气体变化规律如图2。8022J=22.42-0.06x2070R2=0.941860%上5040302064102020406080100120140160180200220240束管埋深/m图2进风侧采空区气体变化规律Fig.2Change law of gas in goaf at air inlet side54SafetyinCoalMinesAug.20232023年8 月No.8煤码发全Vol.54第54卷第8 期当测点埋人采空区8 6 2 2 2 m时，7%0 2 体积分数1 7.1%；图2 中黑色曲线为CO体积分数变化曲线，可以看出：采空区内部在距离工作面1 8 0 m范围内CO体积分数逐渐升高，在1 8 0 m左右，CO体积分数至6 6 x10-，其后开始呈现出持续下降趋势。分析认为：在0 1 8 0 m范围内采空区的漏风风速和O2体积分数正适宜遗煤低温氧化所需要条件，但随着工作面推进，测点埋深逐渐增加，采空区后部被压实，0 2 体积分数降低，采空区遗煤氧化便逐渐受到限制。2.1.3回风侧气体体积分数变化规律观测期间，回风侧测点累计埋人采空区1 56 m，随工作面推进0 2 体积分数整体呈持续下降趋势，通过对观测数据进行拟合得出式（2）的回风侧氧气体积分数变化一次方程式：Y2=21.45-0.08x(2)式中：Y2为回风侧氧气体积分数，%；x为工作面推进距离，m。回风侧采空区气体变化规律如图3。1202220J=21.450.08x100R2=0.91182042=80%/60840620420020406080100120140 160180束管埋深/m图3回风侧采空区气体变化规律Fig.3Change law of gas in goaf at return air side当测点埋入采空区54 1 56 m时，7%0 2 体积分数1 7.8%；图3中黑色曲线为CO体积分数变化曲线，可以看出：测点在埋入采空区的整个过程都可监测到CO,受工作面回风隅角负压影响，采空区内低含氧量的气体涌出，导致测点初进采空区后CO体积分数持续升高，但随着测点埋深的增加大约距离50 m处开始，受到低氧气体涌出的影响逐渐减小，CO体积分数逐渐降低；当测点进入采空区54m后，采空区的漏风正适宜遗煤低温氧化所需要的漏风风速，CO体积分数再次逐渐升高，达到最大值1 0 51 0 ；当监测点埋人采空区约1 35m后，0 2体积分数降低，采空区遗煤氧化逐渐受到限制，其后CO体积分数呈持续下降趋势。2.2数值模拟束管监测的数据无法判断采空区内部各点氧气体积分数连续的变化情况，为有效判定采空区自燃危险区域分布范围，采用COMSOLMultiphysics6.0对1 2 0 1 工作面采空区气体流场进行数值模拟。通过1:1建立工作面采空区三维计算模型，分别模拟了供风量为1 50 0、1 7 50、2 0 0 0 m/min时采空区内氧气场的分布及变化规律。不同供风量条件下采空区0 2体积分数分布规律如图4。0,体积分数/%300202500.072001515010050100-400-300200-1000采空区内距工作面距离/m5（a）供风量1 50 0 m/min0,体积分数/%300202500.072001515010050100400-300-200-1000采空区内距工作面距离/m5（b）供风量1 7 50 m/min0,体积分数/%300202500.072001515010050100400-300-200-1000采空区内距工作面距离/m5（c）供风量2 0 0 0 m/min图4不同供风量条件下采空区0，体积分数分布规律Fig.4Distribution law of O,concentration in goaf underdifferent air supply conditions由图4可以看出：当供风量1 50 0 m/min时，进风侧在距工作面6 5m时0 2 体积分数 1 8%，在距工作面2 0 5m时0 2 体积分数降至7%；回风侧在距工作面40 m时0 2 体积分数 1 8%，在距工作面1 2 7 m55Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月Vol.54煤防发全No.8第8 期第5 4 卷时0 2 体积分数降至7%。当供风量17 5 0 m/min时，进风侧在距工作面7 7 m时0 2 体积分数 18%，在距工作面2 3 3 m时0 2 体积分数降至7%；回风侧在距工作面4 5 m时0 z体积分数 18%，在距工作面13 4m时0 z体积分数降至7%。当供风量2 0 0 0 m/min时，进风侧在距工作面9 0 m时0 2 体积分数 18%，在距工作面2 6 0 m时0 2 体积分数降至7%；回风侧在距工作面5 8 m时0 2 体积分数 18%，在距工作面155m时0 2 体积分数降至7%。2.3模拟结果与自燃“三带”划分通过模拟供风量为15 0 0、17 5 0、2 0 0 0 m/min时12 0 1工作面采空区内氧气场，可确定模拟条件下不同风量时采空区自燃“三带 分布范围 12-14 。不同供风量条件下采空区自燃“三带”分布见表1。表1不同供风量条件下采空区自燃“三带”分布Table 1“Three zones distribution of spontaneouscombustion in goaf under different air supply conditions氧化升温配风量/氧化升温位置散热带/m室息带/m带最大(mmin)带/m宽度/m进风侧2051401500回风侧12484进风侧2331561750回风侧13489进风侧2601702.000回风侧15597由模拟结果可知，不同配风量时，回风侧氧化带宽度均小于进风侧，并且当工作面配风量增大时，进风侧氧化带宽度会进一步增大，使得采空区进风侧的氧化带范围增大，自燃防治难度增大。因此,在满足工作面生产时，要尽量去减小工作面风量，从而通过采空区氧化带范围减小来防治采空区自燃。业现场测试过程中，12 0 1工作面实际配风量为1750m/min，根据工作面采空区现场气体观测数据，并结合数值模拟结果进行对比分析，得到自燃“三带”划分结果，具体为：进风侧氧化升温带为8 6 222m，散热带 2 2 2 m；回风侧氧化升温带5 4 15 6 m，散热带 15 6 m。采空区自燃“三带”分布范围如图5。3采空区自然发火治理措施为了能够有效预防和治理采空区遗煤自然发火问题，根据李家塔煤矿12 0 1工作面实际开采情况及进风巷86m136m工作面散热带氧花带室息带回风巷54m120m图5采空区自燃“三带”分布范围Fig.5Distribution of“three zones ofspontaneous combustion in goaf采空区自燃危险区域的划分，提出了氧化区惰化降温、漏风区域控风堵漏、覆盖遗煤阻隔煤氧化反应的“三位一体”的浅埋深易自燃煤层开采综合防灭火技术措施。3.1氧化区惰化降温通过在采空区氧化带内注人惰性气体来降低氧化带内0 2 体积分数，起到惰化采空区的作用。选用低温氮气制氮装置，使注入采空区的氮气有较低的温度，低温氮气在注人采空区后流动范围大，对采空区有明显的惰化降温作用。注氮管路敷设于进风巷，随工作面推进始终保证注氮管路末端位于氧化升温带内，达到对采空区自燃危险区域的惰化降温作用。3.2漏风区域控风堵漏1)井下控制漏风。回采过程中要保证风量稳定，降低进回风巷之间的压差，从而减少采空区漏风，使工作面实际漏风量小于工作面配风量的10%。同时，加强漏风测定工作，定期对联巷密闭进行压差测定工作，如果存在联巷密闭漏风现象，要及时进行喷浆堵漏措施，隔绝漏风通道。2)控制地面漏风。浅埋深煤层造成地面漏风的主要原因是回采过程中地表塌陷而产生的沟通裂隙，在工作面回采过程中要及时巡查地表裂隙，并对发现的裂隙采取黄土覆盖,反复碾压 15 。同时,安排专人定期完成后部采空区地表巡查，对出现的裂隙要进行反复回填以减少地表漏风。3.3覆盖遗煤阻隔煤氧化反应1)注浆。注浆可有效起到封堵漏风通道、包裹覆盖煤体隔绝氧气、吸热冷却降温的作用；回采过程中，要进行预防性注浆工作，重点注浆地点在工作面的“两道两线 区域16-17 ;注浆材料选用黄土，注浆方式为随采随灌2)喷洒阻化剂。阳阻化剂在喷洒过程中，可有效56Safetyin Coal MinesAug.20232023年8 月No.8Vol.54煤矿发全第5 4 卷第8 期隔绝煤与氧气接触，抑制浮煤的氧化和自燃的发展的作用，同时阻化剂蒸发过程为吸热反应，可以降低煤氧化反应所产生的热量，从而起到降低煤温的作用；由于12 0 1工作面两巷道遗煤较多，因此重点喷洒区域为距工作面回风巷、运输巷外帮向工作面中部10 m范围；选用质量分数为2 0%的CaCl阻化剂溶液通过所铺设的输送管路输送至工作面处，利用喷嘴向两端头以及液压支架后端进行喷洒。4结语1)李家塔煤矿12 0 1工作面自燃“三带”划分为进风侧氧化升温带为8 6 2 2 2 m，散热带 2 2 2 m；回风侧氧化升温带5 4 15 6 m，散热带 15 6 m。2当工作面配风量变化时，对进风侧采空区氧化带宽度影响较大。因此在满足生产条件下，可降低工作面配风量，从而减小进风侧采空区氧化带范围，来进一步提高防治采空区发生遗煤氧化自燃的能力。3)提出了氧化区惰化降温、漏风区域控风堵漏、覆盖遗煤阻隔煤氧化反应的“三位一体”防灭火技术措施，“三位一体”防灭火措施可有效降低浅埋深易自燃煤层开采发生自燃的风险。参考文献(References):1汪腾蛟.神东矿区煤层群开采自然发火规律及防控技术研究 D.阜新：辽宁工程技术大学,2 0 2 0.2黄帆，崔传波，邓存宝.双系煤层开采覆岩运移及采空区煤自燃危险区域研究 J.煤矿安全，2 0 2 2,5 3（11)：42-47.HUANG Fan,CUI Chuanbo,DENG Cunbao.Researchon overlying strata movement and dangerous area ofcoal spontaneous combustion in goaf in dual-systemcoal seam miningJ.Safety in Coal Mines,2022,53(11):42-47.3邓军，杨因，王彩萍，等.采空区煤自燃“防-抑-灭”协同防灭火关键技术 J.煤矿安全，2 0 2 2,5 3(9)：1-8.DENG Jun,YANG Nanan,WANG Caiping.Key tech-nology of“preventing-suppressing-extinguishing”coor-dinated fire preventing and extinguishing for coal spon-taneous combustion in goafJ.Safety in Coal Mines,2022,53(9):1-8.4任艳芳，宁宇，齐庆新.浅埋深长壁工作面覆岩破断特征相似模拟 J.煤炭学报，2 0 13，3 8（1）：6 1-6 6.REN Yanfang,NING 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