新河煤矿采空区自燃“三带”分布及防火技术研究

高常华 王成稳

（山东新河矿业有限公司，山东 济宁 272000）

随着采煤深度的增加，顶板的压力也在增加。地压高时，煤柱容易被压碎，煤的氧化作用加强，极易发生采空区灾害事故。为解决这一难题，划分采空区自燃“三带”成为防治煤自燃的重点研究内容[1-2]。以新河煤矿7312 工作面为背景，通过现场测量，并利用数值模拟与之结合，对采空区自燃“三带”进行确定，并实施了针对性的火灾防治技术方案，确保了开采安全。

1 矿井概况

新河矿业位于济宁煤田西南部，新河煤矿地势平坦，东北方向高，西南方向略低。本区属构造中等井田，区内褶曲发育，以向斜构造为主，规模较小。7312 工作面属新河矿业3 煤层，全区厚度为4.15～10 m，岩层倾角在20°左右，煤的类型为气煤。工作面为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为40 d，走向长度为675 m，倾斜长100 m，采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化放顶煤回采工艺组织回采。

2 7312 工作面采空区三带分布

2.1 测点布置

对于7312 工作面采空区“三带”的观测，气体由温度传感器和束管进行综合监测，进风道和回风道分别布置了三条通路，设有两条监控管线，每个监测点将安装一个温度传感器和束管装置。测点布置如图1。

图1 新河煤矿7312 工作面采空区“三带”观测管路布置图（m）

在“三带”观测的过程中摒弃手动抽气的方法，选用便携式的气体采集仪采集气样。

2.2 观测结果分析

当前我国对采空区“三带”的划分多以O2浓度作为划分标准[3-4]，根据实测数据，分别对采空区进风侧、中间位置、回风侧的O2浓度进行分析。1#测点仅在推进进尺9.4 m 处测得O2浓度为20.87%，测点1#-7#的O2变化情况如图2。

图2 1#-7#的O2 变化情况

由图2 可知，随着工作面的不断推进，采空区中部3#、5#测点的O2浓度起伏趋势较为明显，但整体未呈现下降趋势，并且在整个推进过程中采空区中部O2浓度始终大于18%，因此采空区中部始终处于散热带范围。这是由于3#、4#测点位于工作面采空区中部，顶板相对破碎，工作面推过后采空区未压实，使得漏风通道较多，此处空间得到了氧气补充。

根据以上对新河煤矿7312 煤层采空区不同区域温度及O2实测数据分析，得出当7312 工作面面长在110 m 左右、采高为3.5 m 时，采空区自燃“三带”分布规律见表1 和图3。

表1 7312 工作面采空区自燃“三带”分布规律

图3 7312 工作面采空区自燃“三带”分布示意图

2.3 数值模拟分析

在对现场测定的基础上，运用FLUENT 模拟软件，对采空区内部流场、气体浓度等进行计算，以期与测定结果相互验证，准确划分氧化“三带”范围。

根据新河煤矿7312 工作面的基本参数，建立了采空区模型。工作面的入口定义为速度入口，边界条件为速度入口，回风巷道定义为自由出口，工作面和采空区间的两个面被设置为内部交界面，整个3D 模型被设置为流体区域，采空区视为多孔介质[5]。

由图4 可知，采空区内部氧气的分布规律受风流运移的影响，采空区整体氧气浓度回风侧明显小于进风侧，沿工作面推进方向看，采空区中部和深部氧气浓度在逐渐降低。由于空气经过沿途耗氧以及动量损失回到回风侧，氧气浓度明显降低。回风侧氧气浓度随着向采空区深部的不断延伸，呈现不断衰减的趋势。氧气浓度“三带”划分标准：氧化带8%～18%，散热带大于18%，窒息带小于8%。

图4 采空区氧气浓度分布

对7312 煤层进行采空区三带分布的数值模拟，分布规律如下：进风侧，散热带0～10 m，氧化升温带10～31.4 m，其余为窒息带；采空区，散热带0～14.1 m，氧化升温带14.1～39.7 m，其余为窒息带；回风侧，散热带0～13.9 m，氧化升温带13.9～38.3 m，其余为窒息带。如图5 和表2，经过对比，新河煤矿7312 工作面采空区三带分布规律模拟结果和现场实测结果基本一致。

图5 采空区自燃“三带”分布

表2 7312 工作面采空区自燃“三带”分布对比

3 工作面自燃火灾预防及自燃火区快速处理技术

3.1 安全监测监控

为了及时准确地预测预报工作面及采空区的自然发火隐患，新河煤矿建立了完善的安全监测系统，实现了井下环境参数的监测和相关设备的闭锁控制。

（1）安全监控系统

新河煤矿根据《煤矿安全规程》要求，安装了KJ76X 安全监控系统。该系统具备完善的安全监测、生产监控及管理功能，能够对全矿井下环境参数及生产进行实时数据采集和记录，对井下与安全生产相关的设备进行监控，确保人员及设备的安全。

（2）束管监测系统

新河煤矿安装有KSS-200 型束管监测系统，以该系统为自然发火监测的主要手段，对井下空气中O2、CO、CO2、N2、CH4等气体含量定时巡回监测。

监测点布置：在采煤工作面风流布置一个测点，距煤壁10～15 m 范围内；采煤工作面回风隅角：布置一个测点，在工作面切顶线外侧1 m 范围内。

（3）采样分析

测点布置：采煤工作面，采煤工作面进、回风隅角，回风流。

监测手法：用CO 测定器，检测测点的CO 浓度；用红外线测温仪测定密闭墙表面温度。由检查员负责监测，一周一次采样分析；采煤工作面、采煤工作面回风隅角等由检查员每天进行采样分析；以上气样利用气相色谱仪分析，判断自然发火危险性。

3.2 工作面自燃火灾预控技术

（1）注氮防灭火

氮气作为惰性气体，既可用作预防性注氮，也用作灭火性注氮。目前国内煤矿采用的氮气防灭火系统有地面固定式、地面移动式、井下固定式和井下移动式四种制氮装置防灭火系统。

井下固定式和井下移动式与地面固定式和地面移动式相比具有机动性强、出氮快及生产成本低等优点。而井下移动式与井下固定式相比具有输氮管路短、机动灵活和使用方便等特点，因此设计采用井下移动式制氮装置系统。

（2）灌浆防灭火

工作面正常回采期间进行预防性灌浆，新河矿业在工业广场安装一套地面固定式胶体防灭火系统，该系统主要由储存罐、螺杆输送机、胶体制备机、输浆管网等部分构成。

（3）注凝胶防灭火

凝胶灭火技术集堵塞、冷却和耐化学性能于一体，对解决灌浆和注水泄漏问题具有积极作用。工艺流程及相关设备适应井下有限空间等实际条件，为灭火的基本技术之一。

3.3 采空区自燃火区快速处理技术

当综采工作面推进速度较慢时，一旦采空区出现火灾，按照《煤矿安全规程》中的有关规定，迅速做好灭火工作。

（1）近距离采空区自燃灭火方案

若火区靠近生产区，应将火区扑灭或直接隔离，防止火区通过煤屑或煤柱向矿井蔓延。① 根据监测数据，判定火区的位置及范围；② 用水控制火势；③ 布置注胶钻孔注凝胶。

（2）远距离采空区自燃灭火方案

① 加快工作面推进速度；② 采用沙袋充填上顺槽采空区巷道，建立隔离墙；③ 采用均压通风技术，减小向采空区漏风[6]。

4 结论

（1）对新河煤矿7312 工作面采空区进行气体监测，得到采空区内氧气浓度的变化规律，进行了自燃“三带”分布：散热带（0～12.7 m），氧化升温带（12.7～39.7 m），其余为窒息带。

（2）对7312 工作面采空区进行FLUENT 数值模拟，得出7312 工作面采空区氧化带为10～37.5 m，与观测结果基本一致。

（3）利用安全监控、束管监控和人工检测相结合的方式，监控工作面煤自燃的情况；注氮、注浆、注胶防灭火技术相结合，形成7312 工作面自燃火灾预控及快速处理体系。