急倾斜特厚煤层水平分层开采综合灭火技术研究

林 军，马祖杰，王 刚，范酒源

(1.国家能源集团新疆能源公司，新疆 乌鲁木齐 830002；2.山东科技大学 安全与环境工程学院，山东 青岛 266590)

矿山火灾发生在世界上许多国家，对宝贵的能源资源、环境以及人类健康和安全构成巨大威胁[1-5]。中国是全球最大的煤炭生产国，同样，也是煤炭自燃严重受灾国家之一，存在煤炭自燃的矿井大约有56%，有自然发火危险的煤层占可采煤层数的60%；由煤炭自燃而引起的火灾占矿井火灾总数的85%～90%[6-10]。近年来，我国广泛采用综采放顶煤开采工艺，但存在采空区垮落高度大、遗煤多、漏风严重，过断层推进速度缓慢等问题，导致自燃火灾事故频发，造成严重的人员和综采设备的损失，同时，大量煤炭资源将被火区冻结，造成巨大的资源浪费[11-13]。工作面的启封是一项复杂且危险性高的工作，如果对密闭环境内情况认知不足，易引起复燃、甚至是瓦斯爆炸等事故[6]。因此，在启封火区前必须对火区的状态做出正确判断。

乌东煤矿+600水平开采过程中出现明火，在采取了紧急灭火措施扑灭明火后，再恢复生产时支架后方仍出现冒烟现象。因此，针对乌东煤矿采空区遗煤自燃反复发生的问题，首先需对急倾斜特厚煤层水平分层开采条件产生的自然发火原因进行分析，由于封闭工作面并不能有效消除该采煤方式的采空区遗煤自燃灾害，除了及时封闭着火工作面，还对发火源、地表等区域采取了注氮、地表堵漏与采空区注浆等一系列防灭火措施，以求彻底解决这种急倾斜分层开采工作面的火灾事故。通过COMSOL数值模拟与现场实测相结合的方法，对乌东煤矿特定地质条件下采空区遗煤自燃区域的灭火效果检验进行分析，并证实了达到工作面启封条件，最大限度地减少经济损失和煤炭资源浪费。

1 工作面概况

乌东煤矿+600水平43#煤层东翼综采工作面位于副井以东，工作面埋深较浅，靠近地表，地表为荒山丘陵，无公路、河流及建筑设施，具体的综放工作面参数见表1。

表1 综放工作面参数

2 急倾斜特厚煤层火灾治理技术

通过传统封闭工作面达到灭火的技术，对于急倾斜特厚煤层水平分层综放工作面的适用性较低。在这种特殊的地质与工况环境下，具有针对性地制定了快速高效的综合防灭火技术措施对封闭火区进行治理。

2.1 自然发火致灾分析

乌东煤矿+600水平43#煤层上方漏风通道示意如图1所示，其工作面火灾成因分析如下：

图1 +600水平45#煤层漏风通道剖面

1)立体采空区存在大量空间分布的遗煤，为采空区自燃火灾提供了首要的物质条件与蓄热环境。

2)急倾斜特厚煤层水平分层采空区冒落特性决定了顶板侧存在大量的漏风裂隙和冒落不充分形成的漏风空洞，而且易与地表塌陷裂隙贯通。为采空区中大量浮煤，特别是采空区中顶板一侧的遗煤，提供了充足的供氧，极大提高了该区域发生煤自然发火的可能性。

3)上分层遗煤在以裂隙为漏风通道并大量供氧作用下，极易发生自燃。同样，随着下分层工作面采动的高温煤体垮落，导致下分层煤体自然发火，最终易形成自下而上的立体火区。

4)封闭综放工作面火区上方，存在地表塌陷范围广、漏风裂隙发育、火区高温范围大等问题，且很难被快速消除。然而深部和上部火区火源隐蔽、灌注灭火介质的扩散性差且难以向高位堆积、松散煤体内钻孔容易塌落等问题也是本工作面发生火灾的重要原因。

2.2 综合灭火技术实施

由于乌东煤矿急倾斜特厚煤层水平分层的开采方式着火区多，立体采空区存在难以发现的着火点等特点，为保证工作面后续的安全生产，除了封闭工作面之外，还采取了其他综合治理防灭火措施，形成了注氮灭火、地表火点堵漏与注浆堵漏配合的综合灭火系统如图2所示。

图2 综合灭火系统

2.2.1 注氮灭火

该工作面累计注氮气680万m3，注氮期间密闭内外压差保持在22mmH2O柱-29mmH2O柱，可见，地表与工作面存在漏风；在地表对应工作面10m处施工注液氮钻孔，累计注液氮82.7t(液态102.1m3，气态67385m3)，主要通过架后埋管注氮和超前注氮配合的方法控制火区，对发火区完成初步灭火工作。根据采放高度、采空区碎胀系数、自然发火危险带宽度等确定注氮口每开启一次的注氮量。注氮量的确定原则是使氮气充满整个需要惰化处理的区域，工作面注氮量分为首次注氮量和间歇式注氮量。工作面首次注氮量可按式(1)计算，间歇式注氮的日注氮量式(2)计算。

Q1=WHLK1K2

(1)

式中，Q1为首次总注氮量，m3；W为惰化带宽度，m；H为惰化带(采、放煤)高度，m；L为惰化带长度，m；K1为采空区气体置换系数；K2为采空区松散系数。

QN=bLHK1K2K3

(2)

式中，QN为间歇式注氮时日注氮量，m3；b为工作面日推进度，m；L为工作面长度，m；H为放煤高度；K1为采空区气体置换系数；K2为采空区冒落矸石松散系数；K3为工作面推进速度校正系数。

1)架后埋管注氮。在工作面的进风侧沿采空区埋设一趟注氮管路。在综采工作面架后预埋入12m铁管，铁管周边钻6mm小眼，眼距20cm，管长12m，管路末端锁口，管路用管箍连接，启始端与注氮管连接埋入架后30m深度。

2)超前注氮。为了有效控制无法直接观测的上分层采空区内的高温火区，消除高温煤体垮落开采分层的威胁，在+600水平43#煤层东翼北巷距工作面50m的位置朝上分层采空区打直径为100mm钻孔，沿煤层倾角施工钻孔，钻孔打入上分层采空区。

2.2.2 地表火点堵漏

如图1所示，开采工作面存在与地表贯通的裂隙，因此在地表图2中，在井筒煤柱开挖过程中，针对局部火点采取了清挖换填处理措施。坑内清挖至原铁厂沟煤矿+670水平石门时，出现大面积明火，采取混凝土浇灌、黄土覆盖处理等措施，将漏风通道封堵。目前井筒煤柱解压坑累计回填295万m3，公路煤柱解压坑累计回填350万m3。

2.2.3 对原铁厂沟废弃巷道注浆堵漏

由于工作面封闭前，火灾位置明确，根据火区发生的工作面，查阅乌东煤矿采掘工程平面图，再以WorldView-2卫星数据为依据，采用遥感解译与野外验证(包括进行红外测温和观察冒烟位置)的方法，并通过人机交互解译与计算机自动信息提取确定了乌东煤矿采空区内火区所对应的地表由采矿活动引发的裂隙分布影响区[14]。+600水平43#煤层探查孔平面图如图3所示，为达到直接灭火的效果，由地表向对应工作面6#～9#支架后25m范围内的采空区，进行打孔注浆堵漏，同时对原铁长沟煤矿+620～+670轨道、运输两条上山对应位置打孔注浆，灌注黄泥复合胶体总量11004m3。

图3 +600水平43#煤层探查孔平面

3 火区治理效果分析研究

为了分析火区灾害治理效果，通过对现场采样分析与数值模拟相结合的方法分析出了治理效果。

3.1 密闭区现场取样监测分析

在+600水平43#煤层东翼北巷向+620水平43#煤层东翼北巷、+620水平43#煤层水仓、+670—+620水平轨道下山下部车场、+620水平43#煤层东翼南巷、+670—+620水平运输下山(7#架顶部)等多个地点，施工了探查钻孔，主要通过巷道内探查气体、积水、积浆等情况，综合评价火区治理效果。探查表明：巷道内存在积水、积浆。经过对其进行探放，确保无积水、积浆后，检测发火指标性气体。

通过对+600水平43#煤层封闭区内指标气体连续采样，采取灭火措施后的不同地点不同气体组分浓度的整体综合情况见表2。可见，氧气浓度在1%左右，一氧化碳、乙烯气体浓度也保持稳定，无乙炔气体。其间，结合封闭区内温度与封闭前日常空气温度情况，火区的出水温度为14℃，低于25℃。根据《煤矿安全规程》[15]二百七十九条规定以及煤的氧化升温实验[16]研究可知，上述气体浓度和水温情况，持续时间近两个月，初步判断火灾封闭工作面的6#—8#液压支架顶部着火点已熄灭。

表2 火区治理后气体组分采样分析记录表

为进一步研究综合灭火措施的有效性，对密闭内的O2与CO浓度持续取样。

连续37天的O2浓度数据统计如图4所示，从数据统计结果得出，封闭矿井期间分为初始阶段和稳定阶段两个阶段。初始阶段O2浓度波动较大，而稳定阶段O2浓度波动较小，并且均处于安全线以下。从一定程度上说明矿井封闭效果以与灭火效果良好。采取灭火措施后，对57天CO浓度持续采样分析如图5所示，从数据统计结果得出，矿井封闭后同样分为两个阶段，即平稳阶段和稳定阶段。在平稳阶段CO浓度降到较低水平但仍有较大波动性，而在稳定阶段，CO浓度下降至较低水平并且最终趋于平缓。采取灭火措施后，检测到密闭区内指标气体CO与O2低，维持段时间超过一个月时间，从对O2与CO的分析结果来看，制定的综合灭火措施灭火效果好，达到了工作面启封的条件。

图4 封闭区O2折线

图5 封闭区CO折线

3.2 综合灭火措施实施前后数值模拟研究

为了研究综合灭火措施有效性，利用COMSOL数值模拟软件，对实施灭火措施前后地面漏风状况、CO浓度分布进行模拟。相比于常规地质开采条件，乌东煤矿+600水平上分层已开采，存在呈立体式的采空区，容易产生贯通于地面的漏风通道，因此针对乌东煤矿的急倾斜特厚煤层具体的地质开采条件，以地质资料为基础，MATLAB赋值编译出孔隙率，通过插值函数边界条件的方法，将孔隙率插入COMSOL模拟软件中，在分层采空区空间的孔隙率分布如图6所示。

图6 立体空间孔隙率赋值

根据乌东煤矿地质条件建立几何模型，假设立体采空区为多孔介质，边界条件上下边界为狄雷克边界条件，左右无流动，孔隙率为全局赋值边界。模拟参数见表3。

表3 模拟相关参数

模拟治理前后漏风规律，以达西定律为基础，为了更加符合多孔介质流动，建立了自定义PDE模型，通过定义系数来实现物理模型形式，其偏微分方程为：

(3)

式中，a、γ为矢量系数;；u为变量；ea为质量系数；da为阻尼系数；c为扩散系数；a为对流系数；α为吸收系数；γ为源项；为哈密顿算子。

狄雷克(Dirichlet)边界条件为：

hu=r

(5)

式中，h为矢量系数；u为变量；r是狄利克雷边界条件中指定的边界速度变量，m/s。

为了保证模拟的准确性，漏风入口为现场实测的地表气压的实测平均值，出口为+600水平自然风压实测平均值。

对火灾治理前后43#煤层急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面漏风流场分布规律模拟分别如图7和图8所示。治理前煤层空间内漏风流场分布范围大，漏风量大，漏风流场在+600水平工作面产生积聚，风速高的区域较大，空气从与地表贯通的裂隙通道内涌入开采层空间；采取废弃巷道注浆堵漏以及地表火点清挖覆盖、黄土回填堵漏等措施后，漏风流场变化，+600水平工作面风流速度大幅度减小，风流分布区域大幅度降低。

图7 治理前43#煤层漏风风流分布

图8 治理后43#煤层漏风风流分布

模拟灭火措施前后CO分布规律如图9与图10所示，从两图中可知，因为在工作面支架处出现着火事故，以及存在地表向下的漏风，所以灭火前CO浓度高且主要集中在+600开采水平上。灭火后因为注氮、CO密度略小于空气等原因，使得CO主要集中在上分层采空区内。

图9 治理前CO分布规律

图10 治理后CO分布规律

为了对灭火前后CO分布定量分析，提取图10中模型中部所对应的数据提取线和两侧边界上的数据，两侧边界及中部的数据提取线是指以+600水平位置为坐标原点，沿煤层倾角44°由下往上的163m直线，导出如图11所示，从图中可知，治理前后CO浓度结果变化明显，治理前CO浓度最大达到0.9%，治理后CO浓度最大达到0.1%，位于中间和左右两侧的数据提取线所反映的灭火后的+600开采水平的CO浓度模拟数据范围平均浓度为0.0093%，密封稳定后现场实测数据的平均CO浓度为0.013%，模拟数据与实测结果吻合，可以从CO浓度数据方面验证模拟准确性高。

图11 线上的CO浓度分布曲线图

模拟结果可得，灭火前+600水平上CO浓度最高，并向地表方向递减，由于在开采层上发生了着火事故，煤燃烧产生大量CO且不能及时排出，导致CO产生积聚。采取了综合灭火措施后，熄灭了火源，并且注入了大量氮气，使开采层CO浓度降至0.01%以下，在上分层采空区由于氮气置换与CO轻于空气等原因所以出现了CO先上升后下降现象。

针对急倾斜特厚煤层水平分层开采工作面火灾发生特点，从数值模拟得到采用的综合防灭火治理措施后，+600水平漏风流场范围减小，CO平均浓度从0.894%降至0.0093%，因此可认为启封前的火区灭火措施行之有效，火区治理效果好。

4 结 论

1)对急倾斜特厚煤层水平分层开采方式发火灾害来源分析，制定适用于此开采方式下的地表堵漏、地面注浆与火区注氮配合的综合灭火措施，快速处理了工作面着火事故。

2)对封闭工作面气体O2和CO持续采样分析，O2浓度最终在1%左右波动与CO最终在0.013%左右波动，达到了安全水平并维持这种状态较长时间，因此可得出综合灭火措施可以快速控制火区，灭火措施有效。

3)数值模拟得到灭火前后开采分层处风流场发生变化，风速大的区域减小。指标气体CO的分布规律发生变化，灭火前CO浓度高，且自开采分层向地表逐渐降低，灭火后CO浓度较低，且出现上分层采空区先高于开采分层然后降低的现象，说明了提出的综合灭火措施能够满足急倾斜特厚煤层水平分段开采方式下的灭火需求。