張盛 祝傳軍 李元偉

摘要：以煤炭自燃條件為切入點，考慮自然風(fēng)壓和沖擊性對煤層及采空區(qū)的影響，采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試、技術(shù)裝備等相結(jié)合的方法，找出適用深部高溫沖擊煤層的自然發(fā)火漏風(fēng)防治技術(shù)和采空區(qū)信息化防火技術(shù)，實現(xiàn)自然發(fā)火信息化預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：深部高溫;沖擊煤層;自然發(fā)火;防治

高莊煤礦井深、地溫高、巷道壓力大，沖擊地壓災(zāi)害、煤層自然發(fā)火災(zāi)害是制約礦井安全生產(chǎn)的兩大主要自然災(zāi)害，兩大自然災(zāi)害相互影響，增加防控難度。

1礦井概況

高莊煤業(yè)有限公司位于山東省濟(jì)寧市微山縣付村鎮(zhèn)。礦井開拓方式為立井分區(qū)式集中下山開拓，地面井口標(biāo)高+37.7m，劃分2個水平，東翼設(shè)置-215m水平，西翼設(shè)置-600m水平。

通風(fēng)方式為中央并列式，采用抽出式通風(fēng);礦井恒溫帶深度37.8m，溫度15.57℃，平均地溫梯度2.72℃/100m，地溫隨深度增加而升高。

2 實施背景

自然風(fēng)壓的變化導(dǎo)致采空區(qū)與外部交換氣體的方向發(fā)生周期性變化，不但為采空區(qū)提供了充足的氧氣，還造成有毒有害氣體涌出。沖擊地壓的存在導(dǎo)致遺煤破碎，地溫增加導(dǎo)致采空區(qū)遺煤蓄熱條件增強(qiáng)，遺煤自燃風(fēng)險增大。

3 主要做法

3.1 深部采空區(qū)流場分布及動態(tài)演化規(guī)律

1.壓能的計算

通風(fēng)系統(tǒng)中，某一測點i與基點1之間的風(fēng)壓差（或阻力）h1i，就是該測點處壓能 ，即

采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流的阻力定律普遍形式為：

——采空區(qū)漏風(fēng)量，m3/s。

2.測定方法 采用精密氣壓計基點法，即將一臺精密氣壓計放置在地面井口附近，作為基點氣壓計，監(jiān)視地面氣壓變化情況。另將一臺氣壓計沿測定路線按選定的測點進(jìn)行測定，稱為測點氣壓計。基點氣壓計每隔5分鐘讀數(shù)，測點氣壓計在各測點讀數(shù)，測點氣壓計讀數(shù)和基點氣壓計讀數(shù)時間相對應(yīng)，以反映地面氣壓變化對測點讀數(shù)的影響，保證測點測定結(jié)果的可靠性。

3.測定路線及測點測定時選擇一條風(fēng)流路線長、風(fēng)量大、通過工作面且包含較多測點及內(nèi)容的測定路線，將所測參數(shù)進(jìn)行處理，獲得各測點靜壓、位壓、動壓，根據(jù)密閉內(nèi)外壓差以及各測點壓能，判定各采空區(qū)的漏風(fēng)趨勢，判斷各采空區(qū)之間是否連通，據(jù)此推測出大面積采空區(qū)內(nèi)部流場變化規(guī)律。

3.2 深部高溫沖擊煤層自然發(fā)火特征實驗

3.2.1 實驗過程中測定煤樣隨環(huán)境程序溫升過程中一氧化碳、二氧化碳、甲烷等生成氣體的濃度等特征參數(shù)的量值及變化等，同時根據(jù)實驗結(jié)果分析浸水風(fēng)干煤體二次氧化的臨界溫度、加速氧化溫度（交叉點溫度）等極限參數(shù)以及其它物化參數(shù)，從而全面考察煤樣的自燃特性。

3.2.2 高溫沖擊氧化特性實驗實施

（1）實驗樣品的制備

在工作面剛暴露的煤壁處，采集新鮮樣品，選取一定量的樣品在常溫下進(jìn)行破碎，碎篩分出40目～80目以及80目以上粒徑樣品，作為實驗用樣品。

（2）實驗條件的確定

考慮地溫影響，選取預(yù)氧化至130℃的較高的預(yù)氧化條件;考慮孔隙率因素，將樣本磨碎不同粒徑煤粉，用來模擬大孔隙遺煤;考慮漏風(fēng)通道影響，提高供風(fēng)速度模擬大漏風(fēng)量。

3.3 基于深部沖擊煤層覆巖三維裂隙場的自然發(fā)火危險區(qū)域劃分

3.3.1 深部沖擊煤層覆巖三維裂隙場演化規(guī)律

受沖擊地壓影響，采空區(qū)冒落巖體和遺留煤體更為破碎，形狀大小不規(guī)則，使得采空區(qū)具備了遺煤（可燃物）、漏風(fēng)（氧氣）和瓦斯賦存的條件。

理論與PFC數(shù)值模擬兩個方面對沖擊地壓煤層工作面裂隙場演化規(guī)律進(jìn)行分析，為遺煤自燃等災(zāi)害引入針對性防治措施提供重要的依據(jù)。

3.3.2 沖擊特性對采空區(qū)自然發(fā)火影響

工作面推進(jìn)過程中，采空區(qū)空間高度上浮煤形成不同分布狀態(tài)，自上而下形成“碗”狀冒落矸石帶、矸石與浮煤的混合帶、浮煤帶，對于混合帶和矸石帶，由于其碎脹系數(shù)較大，易于形成采空區(qū)漏風(fēng)。

3.3.3 采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域劃分

采用PFC3D模擬出覆巖垮落裂隙場，綜合考慮沖擊特性、高地溫特性、孔隙率特性、采空區(qū)裂隙場產(chǎn)生漏風(fēng)通道特性、煤的自燃傾向性、漏風(fēng)供氧條件、聚熱散熱條件等影響因素，建立自然發(fā)火危險性評價模型，并對深部高溫沖擊地壓綜放工作面進(jìn)行自然發(fā)火危險性評判，劃分自然發(fā)火危險區(qū)域。

3.4 自然發(fā)火信息化預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)建立

3.4.1 自然發(fā)火信息化預(yù)警技術(shù)指標(biāo)體系

煤炭自燃過程中會產(chǎn)生CO、CO2、CH4、C2H2、C2H4、C2H6、C3H8等氣體。這些氣體的生成量會隨著煤溫的升高發(fā)生顯著變化，通過分析指標(biāo)氣體生成狀況的變化就可大致判斷煤氧化過程所處的階段。根據(jù)指標(biāo)氣體進(jìn)行自然發(fā)火信息化預(yù)警技術(shù)指標(biāo)體系的構(gòu)建，建立不同生產(chǎn)區(qū)域和生產(chǎn)條件下的預(yù)警指標(biāo)，形成自然發(fā)火信息化預(yù)警技術(shù)指標(biāo)體系。

3.4.2自然發(fā)火信息化預(yù)警及響應(yīng)系統(tǒng)

3.4.2.1自然發(fā)火信息化預(yù)警子系統(tǒng)

主要包括采空區(qū)無線自組網(wǎng)溫度監(jiān)測系統(tǒng)、正壓束管監(jiān)測系統(tǒng)和安全監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議直接從正壓束管監(jiān)測主機(jī)、采空區(qū)無線自組網(wǎng)溫度監(jiān)測主機(jī)和安全監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器中調(diào)用相關(guān)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)。采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)服務(wù)器、煤自燃火災(zāi)束管監(jiān)測主機(jī)、采空區(qū)無線自組網(wǎng)溫度監(jiān)測主機(jī)安裝于同一監(jiān)控室，即可滿足各火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的獨(dú)立工作條件，又能達(dá)到在采空區(qū)自然發(fā)火多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)集成功能要求。

3.4.2.2自然發(fā)火信息化響應(yīng)子系統(tǒng)

錄入防滅火裝備、防滅火材料，針對不同危險程度的自燃隱患，提前進(jìn)行方案設(shè)計。出現(xiàn)問題時，系統(tǒng)自動生成響應(yīng)方案，實現(xiàn)對自燃火災(zāi)的快速響應(yīng)。

4.結(jié)論

實踐表明，該成果成功解決了自燃火災(zāi)防治的需求，同時降低了災(zāi)害治理的成本，提高了沖擊地壓礦井預(yù)防與治理煤層自然發(fā)火災(zāi)害的能力，從而大大降低了發(fā)生災(zāi)害事故的概率。