陕西长武亭南煤有限责任公司
摘要：在煤层开采过程中，容易受到煤层自然发火的威胁，特别在停采撤架期间，由于撤架时间长、煤层自然发火期短，可能造成严重的自然发火问题。通过对现场条件进行分析提出了停采撤架前前期的自然发火防治措施，采用实验室试验和数值模拟分析方法确定了回采期间采空区自燃“三带”分布特征，并进一步研究了停采对采空区氧浓度场和温度场的影响，分析了氧化升温带范围和采空区温度随时间的变化特征，在此基础上提出了自燃预测预报方法，针对性地给出了停采撤架期间的通风设计、支架拆除方案以及防灭火专项方案，减少停缓采期间煤自然发火事故的发生。
关键词：综放工作面、缓停采期间、遗煤自燃、防治技术
一、项目背景
亭南煤矿隶属山东能源淄博矿业集团有限责任公司，位于陕西省咸阳市长武县东部，行政区划隶属长武县亭口镇管辖。矿井采用立井开拓，综采放顶煤回采工艺，全部垮落法管理顶板。所采4号煤层为不粘煤，黑色，条痕褐黑色，半亮型煤。4号煤层为本井田唯一可采煤层，全井田赋存稳定，在大巷所在位置，除井田边界外，绝大部分煤层厚度大于9m。4号煤层近似水平，井田内最大倾角<7°，沿大巷所在方位煤层最大倾角3.5°。由矿井资料可知，4号煤层属于I类容易自燃煤层，一般自然发火期为35d。
在煤层开采过程中，容易受到煤层自然发火的威胁，特别在停采撤架期间，由于撤架时间长、煤层自然发火期短，可能造成严重的自然发火问题。通过对现场条件进行分析提出了停采撤架前前期的自然发火防治措施，采用实验室试验和数值模拟分析方法确定了回采期间采空区自燃“三带”分布特征，并进一步研究了停采对采空区氧浓度场和温度场的影响，分析了氧化升温带范围和采空区温度随时间的变化特征，在此基础上提出了自燃预测预报方法，针对性地给出了停采撤架期间的通风设计、支架拆除方案以及防灭火专项方案，减少停缓采期间煤自然发火事故的发生。
二、研究内容
1.从破坏煤炭自燃发火的四个充分必要条件为着手点，以“堵漏、降温、阻化”为防灭火的原则，建立了综放工作面停采撤架前的综合防治体系和束管、温度传感器、监测点实时监测以及人工日常观测相结合的煤炭自燃发火的预测预报手段，确定了注氮、注浆和喷洒阻化剂技术方法，计算了材料用量，优选了材料参数类型。
2.利用煤自然发火模拟装置，分析了亭南煤矿4号煤层自燃过程中气体产生规律，研究了煤在不同氧浓度条件下的自燃特性，得到亭南煤矿4号煤层下限氧浓度为8.0%。采用数值模拟的方法，研究了亭南煤矿302工作面自燃三带的分布规律，采用氧浓度与漏风速度划分了采空区自燃“三带”，在进风侧，0~115 m为散热带，115~210 m为氧化升温带，大于210 m为窒息带；在采空区中部，0~109m为散热带，109~205 m为氧化升温带，大于205m为窒息带；在回风侧，0~28 m为散热带，28~105m为氧化升温带，大于105m为窒息带。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆模拟分析现场实际配风过程中可能出现的几个有代表性意义的风量值600 m3/min，1200 m3/min，2400 m3/min（即风速分别为0.51 m/s，1.01 m/s，2.02 m/s）情况下采空区氧气浓度分布情况，根据模拟结果分析风量的增大会扩大煤自燃氧化升温带的范围。
3.在停采初期采空区内氧浓度长分布没有明显变化，采空区自燃“三带”范围与开采期间基本一致，随着停采时间的增加，采空区氧浓度场逐渐发生改变，自燃“三带”的范围也随之发生变化，氧化升温带宽度呈逐步减小的趋势；工作面停采后，未采取防灭火措施的条件下，采空区氧浓度场演化明显，升温很快。停采后5d，采空区内最高温度从最初的20℃左右升高最40℃以上，停采后20d采空区内最高温度可达100℃以上，30d后采空区内最高温度超过150℃，超过自燃临界温度。
4.根据亭南煤矿4号煤的自燃发火规律及热解实验，优选了煤自燃早期预报的指标气体为：一氧化碳CO、乙烯C2H4和丙烷C3H8。结合亭南煤矿4号煤层的热解实验分析报告及以往自燃发火规律工作面回得出：当风隅角CO浓度超过200×10-6、CO绝对涌出量大于13L/min就可认为有自燃发生。建立了18路束管、温度传感器以及监测点的实时监测系统和气体便携仪、红外热像伩近距离探测的人工日常观测系统。实时监测气体的异常动向，实现了对煤炭自燃的可靠预测预报。
5.以计算机COMSOL软件模拟的停采撤架期间采空区的自燃发火危险性为理论基础，结合302工作面的停采期间的实际工况条件和现有的装备设施以及人员配置情况。提出了在不改变302原有通风系统的“U”型通风以及沿工作面打木垛的全负压通风方式，这种通风方式简单可靠，还可以保持原有通风系统的稳定性。基于“U”型方案的选择，综合经济、安全等因素，选择了从进风巷外运支架的支架运出方案。在保证停采撤架期间工作面风速符合《煤矿安全规程》，并满足稀释工作面瓦斯、机电设备热量的前提下提出了最优的风量设计，以及最简单、可靠的拆除支架方案。建立了注氮、注浆、喷洒充填堵漏防灭火材料以及预测预报相结合的停采撤架期间的防灭火专项方案。
三、结论及建议
1.需要根据标志性气体分析结果，采用人工检测、束管监测、安全监测和人工采样分析的方法对工作面煤层发火情况进行定点、定时监测；由于遗煤发火受到煤自燃过程的氧化放热性、采空区遗煤堆积厚度和块度和采空区遗煤自燃氧化带范围等多因素影响，对采空区有必要进行动态监测。
2.根据亭南矿实际条件，在工作面回采过程中应采取注氮(或注浆)防灭火技术措施，适当辅助阻化剂防灭火措施，在实施过程中必须严格控量，避免使用材料过多浪费和过少失效；在工作面撤架过程中需要根据模拟分析结果，核减工作面风量，同时根据现场条件，开展架后和两道注浆（凝胶）等工作；在整个过程中漏风封堵工作需要重视，同时建议选择液态CO2作为煤自然发火的应急处置措施。
参考文献：
[1]周军民《综放面采空区自燃危险区域判定技术研究》2017.07
[2]曹凯 、时国庆 、汪月伟《大型综放工作面采空区自燃危险区域判定实验研究》2012.06
论文作者:罗永刚,崔广永
论文发表刊物:《防护工程》2019年第7期
论文发表时间:2019/7/5
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