复杂地质条件下长距离推进综放工作面安全保障技术研究

1 项目背景

该项目于2020年1月通过了中国煤炭工业协会组织的科技成果鉴定，研究成果为国际先进水平。

随着矿井的开采深度及范围不断的扩大，通风网路的结构日益复杂，通风设施布局、通风压力的分布、内外部漏风等造成矿井通风、瓦斯、煤炭自燃管理的难度越来越大，尤其是在采煤工作面的开采过程中上分层采空区的瓦斯以及本煤层采空区的瓦斯相互作用涌出下，往往给采煤工作面和矿井带来严重的瓦斯、和煤炭自然发火隐患。项目研究于马道头矿主要生产工作面8404 面，该面煤层受辉绿岩侵入的穿插破坏，煤层受热变质或硅化，结构疏松、易碎，煤质趋于复杂化，煤层厚度大。采用综采放顶煤生产时放煤量多，采空区遗煤量大，采空区空间很容易形成漏风通道，造成遗煤自热氧化，存在自燃火灾、上隅角低氧等隐患，严重威胁安全生产。该矿井虽然做了大量防灭火、预防上隅角低氧、通风参数工作，但复杂地质条件下长距离综放开采采空区自然发火防治是一个新的技术难题。因此，在原有自然火灾防治的基础上，系统、全面和深入开展8404 复杂地质条件下长距离综放开采采空区自然发火规律与防灭火技术以及上隅角低氧的研究，研究采用先进适用的理论、技术和新材料，解决采空区自然发火、上隅角低氧问题，确保工作面的安全、高效回采具有重大现实意义。

2 研究内容

（1）采空区遗煤动态氧化特性及气体分布规律研究

通过采取理论与实验相结合的方式，对不同氧化阶段的煤样进行了交叉点温度实验、程序升温实验，对不同浓度氧气条件下的煤氧化升温产气进行了实验测试，建立了采空区浮煤自热氧化耗氧模型、氧浓度影响耗氧速率函数模型，阐述了采空区遗煤动态氧化特性及气体分布规律，揭示了采空区遗煤阶段氧化特性。

（2）保证工作面需风量，满足采空区防火风压的风机选择

通过对不同型号的局部通风机进行了风机性能测试，对不同材质、尺寸、长度的风筒进行风阻测量，根据工作面需求，进行了综合比对，最终选取适合矿井需求的局部通风机和风筒；项目组对回采面通风参数进行了测试，并进行了数值模拟，对不同风量条件下的采空区遗煤氧化带进行了测试分析，最终选取了既能保证工作面需风量，又能满足采空区防火的风压，较好的协调了通风和防火的问题。

（3）工作面合理通风参数技术研究

结合复杂地质条件下长距离综放工作面实际状况，深入开展工作面合理通风参数技术研究，注氮方式、注氮管路铺设方式、氮气出气口创新方法研究，结合漏风封堵，通过调节工作面通风参数，降低本工作面采空区和临近采空区漏风，实现了工作面安全回采。

3 主要研究成果

（1）揭示了采空区遗煤阶段氧化特性

开展不同氧化阶段煤样的交叉点温度实验，建立了采空区浮煤自热氧化耗氧模型（如图1）、氧浓度影响耗氧速率函数模型（如图2），阐明了采空区遗煤动态氧化特性及气体分布规律，揭示了采空区遗煤阶段氧化特性。

图1 平均粒径和耗氧速度拟合曲线

图2 耗氧速率与氧浓度拟合后曲线

（2）协调了矿井通风和防火的问题

通过对不同型号的局部通风机进行了风机性能测试和不同风筒风阻测量（如图3），优选局部通风机和风筒；数值模拟不同风量条件下的采空区遗煤氧化带状态变化，选取了能同时保证工作面需风量和满足采空区防火要求的通风参数，较好地协调了通风和防火的问题。

（3）降低了工作面采空区和临近采空区漏风情况优选工作面合理通风参数、合理注氮工艺（如图4），结合漏风封堵，调节工作面通风参数，降低了工作面采空区和临近采空区漏风。

图4 注氮的最优参数

4 .应用效果

本项目研究成果对煤氧化自燃进行了分阶段细化研究，提出了煤阶段氧化机理，得到了煤氧化自燃的产气产热特性，同时结合工作面通风对注氮防灭火方式方法进行了创新改进，对采空区防火起到了良好效果，本项目研究成果还能够对采掘工作面通风进行解算优化，对风机、风筒等进行了选型，降低了工作面的漏风，为矿井通风、瓦斯、防火等提供了科学依据，保障了同煤集团马道头煤矿的安全生产。本项目研究成果可应用于全国同类条件生产工作面的通风、瓦斯、火灾防治，使复杂地质条件下（易）自燃煤层开采通风、瓦斯与自然发火灾害协同治理更具合理性和针对性，有效遏止火灾及瓦斯重大事故的发生，保障井下作业人员的生命安全。2017～2019 年间增产值约10.3 亿元。项目研究成果在大同煤集团马道头矿井取得成功应用的同时，对大同地区其他矿井，乃至对全国同类矿井的火灾防治工作具有指导和借鉴意义。