易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术.pdf

2023 年 8 月Aug.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.04.033易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术（1.内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗能源局，内蒙古 鄂尔多斯 017100；2.华北科技学院矿山安全学院，河北 廊坊 065000）摘要 为研究采空区煤自燃危险区域分布规律，以荣达矿易燃煤层工作面为对象，开展煤自燃指标气体试验，得出 CO、C2H4与 C2H6可作为自然发火标志气体。通过现场实测，划分了采空区自燃“三带”，确定了采空区“三带”中散热带宽度约为 25 m，氧化带宽度约为 65 m，工作面安全推进速度为 1.4 m/d。并基于此设计了注氮防灭火技术方案。关键词 采空区自燃；“三带”宽度；工作面安全推进速度；注氮防灭火中图分类号TD752文献标识码B文章编号1672蛳 9943（2023）04蛳 0107蛳 040引言煤炭自燃是矿井生产的主要灾害，既干扰工作面正常开采，威胁工作面人员设备安全，又易引起其他灾害发生，形成恶性连锁反应。采空区因其环境特殊，为煤自燃创造了良好的条件，成为了矿井煤自燃火灾最主要的发生地咱1暂。采空区煤自燃形成火灾例占火灾总数的 60%咱2暂。因此，对于采空区煤自燃的防治技术应不断地创新与发展，力求达到良好防控。目前，对于采空区煤自燃防治，一般通过分析采空区压力与风速、氧浓度以及固体温度等指标划分煤自燃“三带”，判定采空区煤自燃危险区域，进而制定具体防灭火方案咱3暂。本文以荣达矿 6#煤工作面采空区地质条件为例进行分析，现场实测矿压数据、氧浓度，划分采空区“三带”，明确工作面安全推进速度。在此基础上，设计注氮防灭火技术方案。1工程概况荣达矿某综采工作面所属 6#煤层标高+1 2131 220 m，平均埋藏深度 119 m；煤层厚度 1.8 m，倾角 1毅3毅，构造简单。煤层直接顶岩性为粉砂质泥岩、细粒砂岩、泥质砂岩，基本顶岩性为砂岩，直接底岩性为砂质泥岩。6#煤属 I 类易自燃煤层，最短自然发火期为 47 d。2指标气体测试在煤体的孔隙内赋存游离状的 CH4与 CO2等气体，同时煤形成的分子结构能够吸附其他气体。常温条件下大部分被吸附的气体难以被单独析出，难辨别气体种类。采用煤升温试验，模拟煤炭自然发火条件，分析不同温度所析出的气体变化特性。根据气体成分及其浓度与煤温度关联，选择合适气体预报煤自燃现象产生。实验过程：选取 6#煤层工作面内合适尺寸煤样，运输至试验室内破碎，粒径在 3.0 mm 范围内，其后将煤样放置于仿真装置里。设定空气每分钟升温 0.5，流量 120 mL/min，将其压缩进管路送到装置内。抽取不同温度下的该气体，通过色谱仪测定 CO、CH4等可能生成气体的含量。实验结果如图 1 所示。（a）CH4（b）C2H6温度/16 00014 00012 00010 0008 0006 0004 0002 0000-2 00042506080 100 120 150 165 190 200 205温度/20406080 100 120 140 160 180 200 220 240807060504030200-10能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41072023 年 8 月Aug.,2023王俊峰，等易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术（c）C2H4（d）C2H4/C2H6（e）CO/CH4（f）链烷比（g）烯烷比图 1不同物质浓度随温度变化曲线由图 1 可得出以下结论：（1）随着温度升高，依次能被测定的气体顺序为 CO、烷烃、烯烃、炔烃。常温下，CO 便可被测出，烷烃稍晚，烯烃普遍在 100 以上析出，炔烃最晚。其中，乙烯在 120 左右才能被测出，可评判煤自燃是否处于加速氧化阶段，炔烃析出温度远高于其他气体，是煤燃烧阶段的产物。（2）煤样产生各种气体浓度随着煤体温度增加而增加。CH4、C2H4、C2H63 种气体随温度升高变化较一致，但 CH4浓度出现波动；C2H4/C2H6前期浓度随温度升高变化幅度小，对温度感应灵敏性不足；CH4、CO/CH4整体随温度变化呈指数上升，参数变化幅度大；链烷比与烯烷比在 7080 产生，随煤温变化反映灵敏，但其浓度过小，难以被捕捉。因此，从实验结果可以看出，可作为指标气体的有 CO、C2H4与 C2H6。3采空区自燃“三带”划分3.1自燃“三带”与矿压关系分析3.1.1采场支承压力采区工作面上、下巷道采掘后，周围围岩应力重新分布，巷道周围形成塑性破坏区。在采空区四周形成支承压力带，在回采工作面前后的支承压力状态可分为应力增高区 a、应力降低区 b 及应力稳定区 c，如图 2 所示。工作面及巷道采掘裂隙演化，为采空区自然发火提供条件。图 2回采工作面前后支承压力3.1.2采空区“三带”与矿压分区关系基于工作面开采矿压实测，可以初步确定采空区“三带”与工作面沿推进方向的“横三区”之间的关系。基于矿压实测，分析采空区“三带”与矿压规律关系可知，散热带宽度 L1=520 m，氧化带宽度 L2=2070 m，窒息带宽度为大于 70 m 后范围。采空区“三带”与工作面矿压规律的关系如表 1所示。温度/801001201401601802002200.003 50.003 00.002 50.002 00.001 50.001 00.000 50.000 0温度/6080 100 120 140 160 180 200 220 2400.0050.0040.0030.0020.0010.000温度/0501001502002501.00.80.60.40.20.0温度/0501001502002500.80.60.40.20.0温度/0501001502002504035302520151050-5c忆abc1082023 年 8 月Aug.,20233.2基于氧浓度的采空区“三带”划分工作面回采后，采空区遗煤在漏风条件下形成足够氧气浓度，从而引起不同程度的煤自燃。根据O2浓度的大小，可将采空区划分为“三带”：散热带（O218%）、氧化带（18%O27%）、窒息带（O27%）。在此基础上，进一步细化判断“三带”区段内自然发火发展程度。在 6#煤层工作面进风与回风巷内分别布设束管，通过束管把采集的气体导入气相色谱仪中，分析 O2浓度随工作面开采变化规律，如图 3 所示。图 3采空区 O2浓度变化通过分析图 3，进一步确定采空区“三带”划分结果：散热带范围为采空区 30 m 范围内，氧化带范围为采空区后方 3095 m，窒息带范围为采空区后方 95 m 范围外。4采空区自燃防治技术4.1工作面合理推进速度理论分析4.1.1采空区遗煤自燃条件设自燃带最大宽度=散热带 L1+氧化带 L2，则采空区遗煤自燃时间按照式（1）计算：Ts=L1+L2V（1）式中：Ts为自然发火期；V 为工作面推进速度。当采空区遗煤存在时间超过自然发火期，有自燃危险。由此可见，采空区遗煤自燃与否主要取决于工作面的推进速度和自燃带最大宽度（L1+L2）。加快工作面推进速度、减小（L1+L2）可减少自然发火的危险性。4.1.2最小防火推进速度根据工作面最大氧化带宽度和煤层最短自然发火期，可推算出一个安全推进速度：灾s=L2maxTsmin（2）式中：灾s为安全推进速度，m/d；L2max为氧化带最大宽度，m；Tsmin为煤层最短自然发火期，d。当工作面推进速度大于最小防火推进速度时，就不会发生自燃。根据前文可知，氧化带最大宽度为 65 m，6#煤层最短自然发火期为 47 d。根据公式（2）计算得出，工作面安全推进速度为 1.4 m/d。4.2注氮防灭火技术4.2.1注氮方案注氮防灭火采用氮气惰性特征，向采空区注入一定流量的氮气而致使区域内氧含量降到 7%以下。在工作面进风侧采空区埋设 1 条注氮管，当埋入一定长度后开始注氮，同时再埋入第 2 条注氮管路。当第 2 条注氮管路埋入采空区氧化带与冷却带的交界部位时，向采空区注氮，同时停止第 1 条管路的注氮，并重新埋设注氮管路。如此循环，直至工作面采完为止，释放口间距在 3050 m 之间。注氮管埋设及释放口位置如图 4 所示。图 4采空区注氮技术方案4.2.2注氮工艺参数根据前文所得煤自燃“三带”的范围，对应采空区氧化带漏风量取 5 m3/min。采用 DTJY-600/0.8 型矿用井下移动式碳分子筛制氮装置进行作业，其制氮能力为 1 0002 000 m3/h，能够保证氮气源稳定可靠。制氮设备技术参数如表 2 所示。表 1采空区“三带”与工作面矿压规律间的关系横“三区”应力增高区 a应力降低区 b应力稳压区 c顶板结构裂隙发育岩层悬臂梁结构砌体结构应力承压“五区”变化区控顶区松散区未压实区压实区现场实测工作面前方约 30 m工作面前方约 10 m工作面后方约 25 m 顶板垮落，未压实工作面后方 2570 m 范围内，逐渐被压实工作面后方约 70 m 左右，裂隙逐渐闭合采空区自燃“三带”散热带氧化带窒息带工作面推进距离/m100 110 120222018161412108642010 20 30 40 50 60 70 8090工作面运输巷回风巷采空区注氮释放口能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.41092023 年 8 月Aug.,2023（上接第 84 页）位移量，结果如图 3 所示。根据图 3评价支护参数的合理性。（a）顶板下沉及巷帮内移量（b）顶板离层监测值图 32-2051 巷支护监测结果由图 3（a）可知，顶板下沉最大值为 180 mm，巷帮内移量最大值为 275 mm，两者都表现出随着超前工作面距离的增大呈逐渐减小的趋势，并趋于稳定。从图 3（b）可以看出，超前工作面距离 100 m 之前，浅部离层量大于深部，总离层最大值为 110 mm，同样，随着超前工作面距离的增大逐渐趋于稳定。监测结果表明 2-2051 巷支护参数设计合理。5结论（1）BP 网络具有良好的非线性动态处理能力，得到注浆锚索长度、直径分别为 7 300 mm 和 22 mm，间排距为 1 500 mm2 000 mm。（2）将得到的支护参数应用到现场，监测到顶板下沉最大值为 180 mm，巷帮内移量最大值为275 mm，总离层最大值为 110 mm，随着超前工作面距离的增大呈逐渐减小的趋势，并趋于稳定。（3）采用 BP 网络和数值模拟相结合的方法，设计掘进工作面过老空区巷道支护参数是可靠的，为其它巷道支护参数选取提供了一定的理论依据。参考文献1姚添智，张建海，刘桂泽，等.地下厂房锚杆支护的反向传播神经网络智能化设计模型 J.科学技术与工程，2021，21（23）：9983-9989.2张士科，茹忠亮，赵洪波.基于 MATLAB 的 BP 神经网络在煤巷锚杆支护设计中的应用 J.煤矿机械，2008（6）：153-156.3王宏伟，武旭，陈瀚，等.神经网络在支护优选及变形预测中的应用 J.矿业研究与开发，2016，36（6）：25-29.作者简介李达（1983-），男，工程师，毕业于太原理工大学采矿工程专业，长期从事矿山压力与岩层控制技术研究工作。收稿日期：2022-03-15顶板下沉量巷帮内移量300250200150100500超前工作面距离/m100120204060800100120140204060800超前工作面距离/m120100806040200浅部离层深部离层总离层采空区内散热区与氧化升温区为其后方 1095 m，该区域易发生自燃。因此，注氮起始深度设定为 15 m，注氮管长 35 m，制氮装置所能提供的压力0.8 MPa，输氮管路内径 80 mm，采空区注氮浓度不小于 97%。5结语（1）通过开展煤自燃指标气体试验，得出 CO、C2H4与 C2H6可作为自然发火标志气体。（2）基于现场实测矿压数据以及 O2浓度，划分了采空区“三带”，确定了采空区“三带”中散热带宽度约为 25 m，氧化带宽度约为 65 m。（3）基于采空区自然发火特性，计算出工作面安全推进速度为 1.4 m/d。结合工程地质条件，设计了注氮防灭火技术方案。参考文献1张顺堂，吴昌友.基于熵权可变模糊评价模型的矿井火灾安全性评价 J.数学的实践与认识，2018，48（23）：175-182.2卢瑞翔，苏贺涛，康宁，等.基于专家决策支持的煤自燃火灾防控系统设计 J.武汉理工大学学报（信息与管理工程版），2020，42（5）：403-408.3王芳.基于 FLUENT 动网格的煤矿采空区三带动态特性模拟技术 J.科学技术创新，2020（13）：23-25.作者简介王俊峰（1986-），男，工程师，毕业于华北科技学院采矿工程专业，长期从事矿井安全生产管理方面的科研工作。收稿日期：2022-12-03表 2制氮设备技术参数设备型号台数产氮量/（m3/h）氮气纯度/%氮气出口压力/MPa排气量/（m3/min）空压机排气压力/MPa电压/VDTJY-600/0.81600970.81.2513.31 140能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 4 期Vol.48 No.4110