李作泉，邵嗣華，孫志猛，權(quán)繼業(yè)，馬寧世，牛建東

(甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司，甘肅 白銀 730913)

采空區(qū)遺留煤塊在漏風(fēng)流作用下，極易發(fā)生氧化自燃事故，威脅井下安全生產(chǎn)[1-3]。針對其內(nèi)部氧化自燃規(guī)律，前人學(xué)者進(jìn)行了大量研究。時國慶[4]通過模擬與實測數(shù)據(jù)的對比，得出了配風(fēng)量與氧化帶分布規(guī)律的函數(shù)關(guān)系式。楊勝強(qiáng)等[5-7]借助FLUENT軟件探討了采空區(qū)漏風(fēng)流速及壓力的分布規(guī)律。李洪先等[8，9]對瓦斯與火耦合災(zāi)害的危險區(qū)域進(jìn)行了劃分。高光超等[10，11]引入“O”型圈理論對采空區(qū)內(nèi)部多場分布進(jìn)行了討論。除此之外，李琨等[12，13]基于現(xiàn)場實際工況提出了不同的防滅火技術(shù)措施。但目前的研究大多基于自然狀態(tài)下的氧化蓄熱過程，而對外因火災(zāi)隱患造成的事故研究較少。而現(xiàn)場實際情況復(fù)雜，除氧化自燃因素以外，因管理不善造成的外因火災(zāi)事故層出不窮，在外因火災(zāi)發(fā)生的第一時間如何快速有效治理，成為礦井安全生產(chǎn)的又一重要課題[14-18]。基于此，本文依據(jù)紅會一礦1715工作面實際工況條件結(jié)合一號爆破巷位置，討論了切實可行的不同工作面通風(fēng)方式(工作面U型通風(fēng)、W型通風(fēng))及改變通風(fēng)方式和配風(fēng)量以后對現(xiàn)場實際漏風(fēng)情況的改善作用，綜合分析了其對自燃三帶的影響，并據(jù)此提出了時空聯(lián)合防治技術(shù)方案，于現(xiàn)場進(jìn)行了施工驗證，火災(zāi)隱患得到了有效解決。

1 工程概況

紅會一礦1715工作面傾斜長183m，走向長498m，為“刀把子”形式布置，工作面布置運輸巷、回風(fēng)巷、一號和二號爆破巷、長切眼和短切眼等共六條回采巷道，長切眼93m，短切眼90m，長短切眼相距68m。煤層平均厚度14.5m，爆破巷在煤層中部布置。1715綜放工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 1715綜放工作面巷道布置

實際生產(chǎn)中，工作面超前開采30m以外在爆破巷實施弱化爆破，弱化爆破孔間距2m，每排22個孔裝藥量近1t，一次起爆，每循環(huán)爆破5排。每循環(huán)爆破后實施巷道灑水降溫、高溫煤粉清理、爆破孔高壓注水等措施。消火降溫措施落實后，滯后2個循環(huán)進(jìn)行對應(yīng)位置巷道切頂爆破。

該次火災(zāi)起因是工人在一號爆破巷20—24排弱化孔實施超前爆破過程中違規(guī)操作，未按規(guī)定對爆破產(chǎn)生的高溫煤體進(jìn)行消火降溫處理，而后提前將對應(yīng)位置的巷道切頂孔進(jìn)行了爆破，致使爆破弱化區(qū)巷道頂板嚴(yán)重垮落，爆破高溫積聚在爆破弱化區(qū)煤體內(nèi)未做進(jìn)一步處理。待工作面推過該區(qū)域后，高溫煤體遺留至采空區(qū)，造成氧化加劇，一定時間后回風(fēng)流CO氣體濃度明顯升高，采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火隱患。

2 采空區(qū)多孔介質(zhì)模型參數(shù)

針對1715綜放工作面長、短切眼的工程背景，依據(jù)工作面實際推進(jìn)距離，為最大程度貼合現(xiàn)場生產(chǎn)，確定該工作面采空區(qū)參數(shù)采用分區(qū)計算模式。短切眼至工作面區(qū)域因?qū)嶋H頂板遠(yuǎn)未垮落，采用貼合度更高的自由堆積模型，長切眼至工作面區(qū)域采空區(qū)內(nèi)部充分壓實采用三維滲透率模型，同時整個采空區(qū)滲透率結(jié)合MATLAB函數(shù)進(jìn)行時間和空間多維角度的實時動態(tài)運算。

2.1 自由堆積模型

借鑒前人研究成果，自由堆積模型采空區(qū)滲透率滿足[19]：

式中，K為采空區(qū)滲透率，mD；s為工作面走向長度的一半，m；x，y分別為采空區(qū)內(nèi)一點走向、傾向上的坐標(biāo)值，m；a，b為滲透率不均衡系數(shù)，無量綱；c為采空區(qū)滲透率基數(shù)，mD；d為滲透率平動系數(shù)，無量綱。

2.2 三維滲透率模型

三維滲透率模型[20]依托于“O”型圈理論建立。該理論認(rèn)為在工作面開采的不同階段，采空區(qū)裂隙呈現(xiàn)不同特征，根據(jù)壓實程度不同將采空區(qū)分為自然堆積區(qū)、承壓碎脹區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū)3個區(qū)域，如圖2所示[20]。

圖2 采空區(qū)壓實程度

據(jù)此計算得出采空區(qū)空隙率于走向和傾向上呈對稱分布，空隙率滿足：

n=nx·ny1

式中，D為采空區(qū)走向長度，m；L為采空區(qū)傾向長度，m；n為采空區(qū)空隙率，%；nx為采空區(qū)底板上y=0沿走向空隙率，%；ny1為空隙率沿傾向方向的變化系數(shù)，無量綱。

將內(nèi)側(cè)豎直方向上的空隙變化率賦值1，則采空區(qū)豎直方向的變化系數(shù)滿足：

式中，nz1為空隙率沿豎直方向的變化系數(shù)，無量綱；z為采空區(qū)內(nèi)某一點高度，m；a1、b1、a2、b2分別為兩個橢圓的長短軸，m。

根據(jù)經(jīng)驗公式計算，采空區(qū)滲透率在三維空間上表征為：

K=1.605×10-6·(nx·ny1·nz1)2

(4)

3 不同通風(fēng)方式采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律特征

3.1 三維數(shù)值模型的建立

為研究1715綜放工作面不同通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律特征，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件進(jìn)行采空區(qū)三維模擬研究。結(jié)合工作面實際工況條件，確定工作面參數(shù)，巷道斷面為矩形，寬4.8m，高3.8m。采用自由劃分四面體網(wǎng)格，整個幾何模型劃分為149871個單元網(wǎng)格，如圖3所示。

圖3 1715工作面W型通風(fēng)三維模型

忽略北1715綜放工作面機(jī)械設(shè)備及礦井周期來壓對采空區(qū)垮落帶、裂隙帶二次發(fā)育的影響，僅考慮采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)，不考慮地表及其它漏風(fēng)情況。依據(jù)現(xiàn)場情況確定1715工作面初始總風(fēng)量為1000m3/min，右側(cè)進(jìn)風(fēng)巷及通風(fēng)巷設(shè)為入口邊界，采用速度進(jìn)口條件，左側(cè)回風(fēng)巷為出口，出口設(shè)置為壓力流出類型，初始壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。入口邊界條件包含風(fēng)速、氧氣濃度和瓦斯?jié)舛?，具體進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)速按風(fēng)量除以巷道斷面積進(jìn)行計算，入口風(fēng)流瓦斯?jié)舛?mol/m3，氧氣體積分?jǐn)?shù)21%。巷道與采空區(qū)之間為內(nèi)部邊界，流體自由流通，其余邊界設(shè)置為固體壁面邊界。計算過程中通過“Live link for MATLAB”接口建立COMSOL模型求解與MATLAB場值調(diào)用的聯(lián)系，通過MATLAB函數(shù)計算采空區(qū)滲透率，實現(xiàn)采空區(qū)不同位置處滲透率隨模型計算自動調(diào)用求解。

3.2 U型通風(fēng)與W型通風(fēng)漏風(fēng)規(guī)律對比

為研究貫通一號爆破巷與輔助通風(fēng)巷形成的“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后對1715工作面火情影響，針對不同通風(fēng)方式下風(fēng)流場、采空區(qū)“三帶”及巷道與采空區(qū)風(fēng)流交換情況分別進(jìn)行數(shù)值模擬研究，探討“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式對1715工作面火情抑制效果。

3.2.1 風(fēng)流場整體規(guī)律

根據(jù)現(xiàn)場情況確定1715工作面總風(fēng)量保持1000m3/min不變，未貫通一號爆破巷與輔助通風(fēng)巷時，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量為1000m3/min，貫通后形成兩進(jìn)一回式通風(fēng)，進(jìn)風(fēng)巷、輔助通風(fēng)巷風(fēng)量分別為500m3/min。U型通風(fēng)方式中，風(fēng)流經(jīng)運輸巷進(jìn)入，受采空區(qū)冒落巖體的阻擋，于下隅角靠近采空區(qū)側(cè)形成一個采場最高壓區(qū)約為15Pa，回風(fēng)巷為負(fù)壓，負(fù)壓約為-20Pa，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)深部壓力約為5Pa，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)壓力約為-5Pa，下隅角與采空區(qū)內(nèi)部最大壓差為20Pa；貫通一號爆破巷與輔助通風(fēng)巷形成“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后，下隅角采場最高壓區(qū)約為10Pa，回風(fēng)巷負(fù)壓約為-15Pa，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)深部壓力約為4Pa，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)壓力約為-3Pa。改用“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后，進(jìn)回巷壓差減小約10Pa，且風(fēng)壓整體較小。不同通風(fēng)方式風(fēng)壓如圖4所示。

圖4 1715綜放工作面不同通風(fēng)方式風(fēng)壓

3.2.2 采空區(qū)“三帶”分布

隨采掘工作的進(jìn)行，風(fēng)流在壓差作用下經(jīng)漏風(fēng)通道漏入采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)部遺煤氧化升溫，當(dāng)能量積聚到一定范圍時有自然發(fā)火危險，研究采空區(qū)“三帶”分布范圍對于防治采空區(qū)自燃有重要意義。選用氧化反應(yīng)必然條件氧氣濃度作為劃分指標(biāo)對采空區(qū)“三帶”進(jìn)行劃分，提取氧氣濃度在10%～18%之間氧化帶區(qū)域。不同通風(fēng)方式下采空區(qū)自燃三帶分布范圍見表1。

表1 相同配風(fēng)量、不同通風(fēng)方式氧化帶范圍

由表1分析可知：不同通風(fēng)方式下采空區(qū)“三帶”分布直接受通風(fēng)壓差影響，而通風(fēng)壓差與進(jìn)風(fēng)量、通風(fēng)距離和沿程阻力有關(guān)。貫通一號爆破巷與輔助通風(fēng)巷形成“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后，風(fēng)量均勻分配給兩條巷道，通風(fēng)壓差減小，受壓差作用影響，原U型通風(fēng)方式漏風(fēng)更嚴(yán)重，采空區(qū)內(nèi)氧氣影響范圍更廣，從而氧化帶區(qū)域遠(yuǎn)大于W型通風(fēng)。且兩種通風(fēng)方式下進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域采空區(qū)自燃帶范圍均大于回風(fēng)巷區(qū)域，采用輔助通風(fēng)巷進(jìn)風(fēng)，自燃帶范圍一定程度上向采空區(qū)中部延展，但總體來看，其氧化自燃帶范圍仍小于原U型通風(fēng)。由此可以看出，在自燃三帶分布規(guī)律上，U型通風(fēng)模式采空區(qū)“三帶”分布范圍廣，采空區(qū)遺煤自然風(fēng)險高，防治遺煤自燃難度大。

3.2.3 巷道與采空區(qū)風(fēng)流交換情況

根據(jù)模擬結(jié)果得出漏風(fēng)量進(jìn)行分析，該值為正時表示風(fēng)流由巷道向采空區(qū)漏風(fēng)，該值為負(fù)時表示風(fēng)流由采空區(qū)向巷道漏出。對比不同通風(fēng)方式下漏風(fēng)情況可知，U型通風(fēng)方式由工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量為401.73m3/min，如圖5(a)所示，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)4～35m區(qū)間范圍內(nèi)漏風(fēng)量為290.13m3/min，占總漏風(fēng)量72.2%，其余位置漏風(fēng)量相對較少?！皟蛇M(jìn)一回”W型通風(fēng)方式由工作面漏入采空區(qū)的風(fēng)量為318.33m3/min，如圖5(b)所示，進(jìn)風(fēng)巷0～4m、80～160m區(qū)間范圍內(nèi)漏風(fēng)量為149.72m3/min、129.48 m3/min。

圖5 不同通風(fēng)方式工作面漏風(fēng)情況

U型通風(fēng)方式下存在端頭漏風(fēng)嚴(yán)重區(qū)域，位于進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)4～35m，一部分原因為進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量相比W型通風(fēng)方式較大，為W型通風(fēng)方式進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量的2倍，同時，該處頂板未完全垮落，漏風(fēng)通道較多，漏風(fēng)情況較為嚴(yán)重。但相同風(fēng)量時W型通風(fēng)方式漏風(fēng)較為平緩，漏風(fēng)量較少，無特別突出的漏風(fēng)區(qū)域，工作面向采空區(qū)漏風(fēng)總量為318.33m3/min，采空區(qū)漏入工作面的風(fēng)量159.26m3/min，占漏風(fēng)量的50%，漏風(fēng)量較大區(qū)域分別為沿工作面0～4m、80～160m區(qū)間范圍內(nèi)，0～4m區(qū)域為進(jìn)風(fēng)巷與工作面匯接區(qū)域，受支架影響作用，采空區(qū)頂板垮落不嚴(yán)，采空區(qū)尚未壓實導(dǎo)致漏風(fēng)通道較多；而80～160m這段區(qū)間則主要是由于長、短切眼設(shè)備連接后僅僅推進(jìn)8.5m，頂板尚未垮落，采空區(qū)自由堆積，漏風(fēng)量較大。

通過不同通風(fēng)方式下采空區(qū)與工作面漏風(fēng)規(guī)律對比可知，兩種漏風(fēng)規(guī)律差別較為明顯，U型通風(fēng)方式漏風(fēng)量較大，進(jìn)風(fēng)巷區(qū)域漏風(fēng)更為嚴(yán)重，而W型通風(fēng)方式的漏風(fēng)嚴(yán)重區(qū)域小于U型通風(fēng)，且其總漏風(fēng)量小于U型通風(fēng)。證實了采用“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后可一定程度抑制采空區(qū)漏風(fēng)，減小采空區(qū)自然發(fā)火危險。

3.3 不同風(fēng)量下W型通風(fēng)漏風(fēng)規(guī)律

為研究不同配風(fēng)量對W型通風(fēng)漏風(fēng)規(guī)律的影響，在滿足工作面最低需風(fēng)要求的前提下，秉持火情至上的原則，保持其他條件不變，依據(jù)不同配風(fēng)方案進(jìn)行相應(yīng)的模擬研究，計算后共選取以下三種方案進(jìn)行對比。上節(jié)已對進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量500m3/min、輔助通風(fēng)巷風(fēng)量500m3/min風(fēng)流規(guī)律進(jìn)行了研究，后續(xù)不再贅述。

3.3.1 采空區(qū)“三帶”分布

保持漏風(fēng)條件、耗氧速率、空隙率、導(dǎo)熱系數(shù)等參數(shù)相同，按風(fēng)量配比方案分別改變進(jìn)風(fēng)巷、輔助通風(fēng)巷配風(fēng)量，解算氧濃度場的數(shù)學(xué)模型，W型通風(fēng)方式配風(fēng)量方案見表2。

表2 W型通風(fēng)方式配風(fēng)量方案 m3/min

不同配風(fēng)量下氧化帶范圍見表3。分析表3可以看出，隨著總配風(fēng)量的減少，不同位置處散熱帶、自燃帶范圍均不同程度的縮減，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、輔助通風(fēng)巷側(cè)的規(guī)律也類似。新鮮風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷、輔助通風(fēng)巷分別進(jìn)入，經(jīng)采空區(qū)中遺煤消耗大量氧氣后，流動至回風(fēng)巷一側(cè)，氧氣濃度降至更低，導(dǎo)致采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧氣濃度均高于采空區(qū)回風(fēng)巷一側(cè)氧氣濃度。隨進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量增加，氧氣影響范圍向采空區(qū)深部延展，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量增至500m3/min時，Y=30m位置，該區(qū)域已擴(kuò)散至采空區(qū)內(nèi)部40.5m，氧化帶范圍位于礦井實際受爆破影響蓄溫帶影響范圍內(nèi)。當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量降至滿足最低需風(fēng)要求300m3/min時，Y=30m位置，該區(qū)域擴(kuò)散至采空區(qū)內(nèi)部30m，而一號爆破巷20—24排弱化孔超前爆破蓄溫范圍為30.5～38.5m，因此，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷300m3/min、輔助通風(fēng)巷400m3/min氧化帶范圍已位于蓄熱影響帶范圍邊界，采用該種方案，對于火情控制效果最佳，可將爆破影響蓄熱范圍甩至窒息帶區(qū)域，從而達(dá)到快速推進(jìn)工作面，滅絕火情效果。

3.3.2 巷道與采空區(qū)風(fēng)流交換規(guī)律

不同配風(fēng)量工作面漏風(fēng)情況如圖6所示，分析圖6可知，隨著總配風(fēng)量的增大，工作面進(jìn)風(fēng)巷位置5m范圍內(nèi)漏風(fēng)量逐漸增大，當(dāng)進(jìn)風(fēng)巷配風(fēng)量400m3/min、輔助通風(fēng)巷500m3/min時，進(jìn)風(fēng)巷0～5m區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)量130.31m3/min，占總漏風(fēng)量的48.2%。改變進(jìn)風(fēng)巷配風(fēng)量為300m3/min、輔助通風(fēng)巷配風(fēng)量400m3/min，該區(qū)域內(nèi)漏風(fēng)量降低至99.12m3/min，該區(qū)域漏風(fēng)量占總漏風(fēng)量的比例降為39.6%。沿工作面傾向長度方向，長切眼對應(yīng)區(qū)域內(nèi)，隨總配風(fēng)巷風(fēng)量降低，由采空區(qū)返回工作面的風(fēng)量也隨之減小。采用“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式后，改變配風(fēng)量，其漏風(fēng)情況總體規(guī)律基本相似，進(jìn)風(fēng)巷與工作面相接區(qū)域及短切眼未完全垮落區(qū)域范圍內(nèi)漏風(fēng)嚴(yán)重，占總漏風(fēng)量的75%以上。該區(qū)域在現(xiàn)場實際施工過程中應(yīng)重點關(guān)注，集中處理。

表3 不同配風(fēng)量氧化帶范圍

圖6 不同配風(fēng)量工作面漏風(fēng)情況

4 采空區(qū)自燃防治技術(shù)及工程應(yīng)用

采空區(qū)自燃火災(zāi)治理首要應(yīng)隔絕氧氣，阻止現(xiàn)場火情進(jìn)一步加劇，經(jīng)理論分析和數(shù)值模擬驗證后，現(xiàn)場決定采用時空聯(lián)合治理措施應(yīng)對1715綜放工作面發(fā)火隱患。主要分為以下三步：

1)前期靜態(tài)處理。在現(xiàn)有布置巷道及現(xiàn)場施工的情況下，立即停止生產(chǎn)，制止工作面進(jìn)一步推進(jìn)，同時噴涂封閉采空區(qū)并對采空區(qū)內(nèi)部實驗注液氮惰化、打鉆注漿以消除高溫點。另一方面結(jié)合工作面一爆巷位置及工作面推進(jìn)距離，于工作面煤幫26#支架處開口施工60m輔助通風(fēng)巷以貫通一號爆破巷，為工作面下一步快速推進(jìn)創(chuàng)造條件。

2)后期動態(tài)治理。待工作面輔助通風(fēng)巷與一號爆破巷貫通后，調(diào)整工作面通風(fēng)方式為“兩進(jìn)一回”W型，經(jīng)上文理論計算，在滿足工作面基本需風(fēng)要求的基礎(chǔ)上，將配風(fēng)方案調(diào)整為進(jìn)風(fēng)巷300m3/min、輔助通風(fēng)巷400m3/min，使得采空區(qū)內(nèi)部氧化帶范圍縮減，該配風(fēng)方案下采空區(qū)深部自燃帶最大影響范圍為30m，處于一爆巷20—24排弱化孔區(qū)域30.5～38.5m范圍邊界外，并加快工作面推進(jìn)速度，快速推過該區(qū)域，使得已降溫處理的氧化煤體進(jìn)入窒息帶，隔絕進(jìn)一步氧化條件。

3)穩(wěn)定開采。實施完上述靜態(tài)、動態(tài)措施后，繼續(xù)推進(jìn)工作面，待工作面推進(jìn)60m后，測試巷道內(nèi)各項氣體參數(shù)穩(wěn)定，表面采空區(qū)復(fù)燃威脅消除，工作面通風(fēng)方式重新恢復(fù)原U型通風(fēng)，工作面后續(xù)開采正常進(jìn)行。

1715綜放工作面現(xiàn)場實施結(jié)果表明，上述時空聯(lián)合治理措施應(yīng)對采空區(qū)自燃威脅效果良好，理論計算及數(shù)值模擬結(jié)果可靠，整個治理過程歷時13d，快速、及時、有效地解決了自然發(fā)火隱患，保證了井下安全生產(chǎn)，同時為國內(nèi)其它礦井類似火情治理提供了參考借鑒。

5 結(jié) 論

1)相同配風(fēng)量、不同通風(fēng)方式情況下，相比于“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)方式，U型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，采空區(qū)自燃三帶范圍更廣，遺煤自燃危險性更高。

2)“兩進(jìn)一回”W型通風(fēng)模式下，進(jìn)風(fēng)巷、輔助通風(fēng)巷三帶范圍均隨總配風(fēng)量的增大而增大，特別是，在進(jìn)風(fēng)巷與工作面連接處及短切眼對應(yīng)未冒落區(qū)域漏風(fēng)嚴(yán)重，應(yīng)重點關(guān)注。在滿足工作面基本通風(fēng)要求的基礎(chǔ)上，進(jìn)風(fēng)巷300m3/min、輔助通風(fēng)巷400m3/min為該工作面外因火災(zāi)治理期間最佳配風(fēng)方案。

3)依據(jù)理論計算結(jié)果，結(jié)合1715綜放工作面實際工況提出了時空聯(lián)合治理措施，并于該工作面進(jìn)行了現(xiàn)場施工驗證，應(yīng)用效果良好，外因火災(zāi)隱患得到了有效解決，該方案可為國內(nèi)其它礦井類似火情治理提供一定借鑒意義。