一、研究背景
礦井火災(zāi)是煤礦的重大自然災(zāi)害之一。礦井火災(zāi)不僅能使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時它也是導(dǎo)致井下職工傷亡的重要根源。我國煤礦自然發(fā)火非常嚴(yán)重，國有重點煤礦和國有地方煤礦中煤炭自燃火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總次數(shù)的94%，可見煤炭自然發(fā)火（如采空區(qū)遺煤、掘進(jìn)巷道或回采工作面破碎煤體的自燃等）是煤礦火災(zāi)主要的致因之一，尤其是采空區(qū)煤自燃火災(zāi)，其發(fā)生的次數(shù)占總自燃火災(zāi)次數(shù)的60%以上，同時煤礦火災(zāi)的發(fā)生還經(jīng)常引發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等一系列重大事故，嚴(yán)重威脅著礦工的生命安全，給國家?guī)砹梭@人的資源損失和設(shè)備破壞。
高位巷道瓦斯抽采技術(shù)是國內(nèi)的瓦斯抽采方式之一，主要是通過距離開采煤層一定高度，開拓專用瓦斯排放巷，實現(xiàn)本煤層采空區(qū)、鄰近層、及圍巖等地點的瓦斯源的抽采，降低工作面回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?，杜絕上隅角瓦斯超限的的瓦斯治理技術(shù)，實現(xiàn)煤與瓦斯共采，得到廣泛推廣。但是從防滅火角度出發(fā)考慮，此種瓦斯處理方式，增加了采空區(qū)浮煤自燃風(fēng)險。主要體現(xiàn)在：1）巷道瓦斯抽采，造成工作面、采空區(qū)及抽放巷道間存在漏風(fēng)通道及動力；2）采動應(yīng)力及抽采巷道松動圈造成采空區(qū)煤巖裂隙充分發(fā)育，漏風(fēng)加劇，采空區(qū)浮煤壓實程度降低；3）采空區(qū)浮煤一旦氧化，采空區(qū)高溫點與抽采巷道存在位差和溫度梯度，從而形成的內(nèi)生火風(fēng)壓，加劇漏風(fēng)，加劇采空區(qū)破裂遺煤的自燃進(jìn)程。
二、研究內(nèi)容
1.主要研究內(nèi)容
（1）研究采空區(qū)煤巖裂隙發(fā)育特征，明確采空區(qū)上覆煤巖裂隙與高位巷貫通規(guī)律；定性分析抽采方式對采空區(qū)漏風(fēng)的影響，確定瓦斯抽采對煤自燃的擾動影響規(guī)律；
（2）識別煤自燃關(guān)聯(lián)因素，建立瓦斯抽采與煤自燃的耦合關(guān)系及受控因素模型；
（3）實驗研究煤層自燃特征參數(shù)：不同粒度煤的吸氧特征、沿走向的煤層含硫分布、煤的熱解特征溫度分布、不同氧化程度的煤微觀結(jié)構(gòu)躍遷、大煤樣自然發(fā)火期。
（4）實驗室測試分析煤自燃?xì)怏w產(chǎn)生規(guī)律及敏感性，綜合確定煤自燃預(yù)測預(yù)報氣體指標(biāo)及預(yù)報臨界值；此外，進(jìn)一步確定高位巷及上隅角在現(xiàn)有防滅火技術(shù)措施干預(yù)下可接受的氣體指標(biāo)值；
（5）利用井下實測技術(shù)手段對采空區(qū)溫度、氧氣濃度分布、一氧化碳等衍生氣體規(guī)律進(jìn)行實測研究，分析研究氧化指標(biāo)隨推進(jìn)度的變化規(guī)律，以及測點溫度與一氧化碳等衍生氣體的擬合關(guān)系；
（6）通過示蹤氣體分析工作面采空區(qū)漏風(fēng)特征，識別漏風(fēng)通道及采空區(qū)漏風(fēng)量，上下采空區(qū)漏風(fēng)機(jī)制，為采空區(qū)漏風(fēng)控制提供依據(jù)；
（7）基于上隅角一氧化碳、風(fēng)排瓦斯、上隅角瓦斯、采空區(qū)氧化帶接受寬度等為指標(biāo)，綜合考察瓦斯抽采量的合理范圍；
（8）以煤礦現(xiàn)有防滅火技術(shù)措施基礎(chǔ)上進(jìn)行整合，結(jié)合不同危險程度制定完善防滅火體系，并在優(yōu)化現(xiàn)有防滅火技術(shù)的基礎(chǔ)上，檢驗防滅火技術(shù)措施的有效性與適用性，完善防滅火綜合技術(shù)體系。
2.項目技術(shù)指標(biāo)
（1）通過實驗數(shù)據(jù)總結(jié)、現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測，分析并獲得瓦斯抽采技術(shù)條件下采空區(qū)浮煤自燃特征、漏風(fēng)規(guī)律。
（2）確定煤層自燃標(biāo)志性氣體及臨界指標(biāo)，配合井下束管系統(tǒng)，為井下快速響應(yīng)提供防滅火決策依據(jù)。
（3）分析瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃的耦合關(guān)系及影響效應(yīng)，確定合理瓦斯抽采參數(shù)。
（4）在防滅火措施下，采空區(qū)氧化寬度在合理范圍，上隅角一氧化碳不超限。
3.研究方法及技術(shù)路線
通過理論分析、實驗研究、現(xiàn)場觀測，數(shù)值計算分析的手段：識別瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃的關(guān)聯(lián)因素及耦合關(guān)系；掌握采空區(qū)煤巖裂隙演化與高位巷貫通特征；論證瓦斯抽采量合理范圍；掌握瓦斯抽采的采空區(qū)漏風(fēng)特征及流場分布規(guī)律；分析瓦斯抽采參數(shù)對自燃的關(guān)聯(lián)性；分析采空區(qū)浮煤的自燃特征及規(guī)律，判定采空區(qū)最易自燃危險區(qū)域，明確防滅火主要處理對象；掌握瓦斯抽采誘導(dǎo)采空區(qū)浮煤自燃影響效應(yīng)；確立采空區(qū)浮煤自燃的標(biāo)志性氣體及臨界指標(biāo)；建立綜合的防滅火技術(shù)手段。研究技術(shù)路線如圖1-1所示。
圖1-1 項目實施技術(shù)路線
三、研究結(jié)論
該項目以某煤礦為現(xiàn)場研究地點，結(jié)合實驗室平臺技術(shù)手段，按照上述研究技術(shù)路線，經(jīng)長期現(xiàn)場測定及技術(shù)檢驗，得出以下研究結(jié)論。
1.利用實驗室設(shè)備，通過氧化動力學(xué)自燃傾向性判定方法，經(jīng)測定分析發(fā)現(xiàn)某礦煤層自燃傾向性指數(shù)分別為507、556，均屬于Ⅰ類易自燃。
2.經(jīng)實驗室測定分析發(fā)現(xiàn)，煤樣在不同含油量時，隨著含油量的增加耗氧速率而降低，主要是由于石油一定程度上阻礙了煤樣對氧氣的吸附；不同含油量的煤樣隨著含油量的增加C2H6、C2H4、C3H8氣體生成量開始快速增加的溫度點向后發(fā)生推移，并且在后期隨著含油量的增加而減少。含油煤樣，隨著含油量的增加其自燃傾向性指數(shù)變大。
該礦不同含油量煤樣0%，2.5%，5.0%的臨界溫度分別為：73.5℃、91.4℃、95.4℃；增速溫度分別為245.0℃、256.5℃、272.2℃；干裂溫度分別為，159.3、193.5、--，活性溫度分別為，160.0、197.0、--；著火點分別為，295.1℃、294.1℃。通過分析活性溫度與著火點的質(zhì)量變化量得到了含油量為0%、2.5%的最大增重比，分別為1.13%、0.49%。通過不同含油量的特征溫度點可以得知，隨著含油量的增加各特征點（除著火點）出現(xiàn)向后推移的現(xiàn)象。但含油量為2.5%干裂溫度、活性溫度、著火點并未出現(xiàn)。此外含油量為0%、2.5%的煤樣的著火點較為接近。
通過傅里葉變換紅外光譜儀獲得了不同含油量（0%、2.5%、5%）的紅外光譜。對不同含油了量的紅外光譜進(jìn)行了分析，通過分析確定了造成譜圖發(fā)生改變的主要原因是油當(dāng)中含有相應(yīng)官能團(tuán)的物質(zhì)。
3.通過5噸煤量大煤堆實驗測試發(fā)現(xiàn)，煤在氧化升溫過程經(jīng)歷了典型的三個不同升溫速率變化階段，以50℃和100℃做為分界溫度點；在煤溫低于90℃時，煤的耗氧速度較低，即此時反應(yīng)較弱。在90～120℃之間時，耗氧速度逐漸增加，即反應(yīng)在逐漸加強(qiáng)。煤溫大于120℃后，耗氧速度急速上升，意味著反應(yīng)急劇加快，煤溫也是快速升高。在煤溫到達(dá)在約100℃時為干裂溫度之后煤的溫度快速上升，很快煤溫即可超過燃點，形成自然發(fā)火；經(jīng)實驗測試結(jié)果分析顯示，某礦煤樣的實際自然發(fā)火期確定為65天。
4.通過現(xiàn)場實測和分析，確定了該項目所研究礦區(qū)3-2煤層和4-2煤層采空區(qū)危險區(qū)域，結(jié)果顯示：某礦221工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷散熱帶范圍在0~35m，氧化帶在35~130m，窒息帶在130m以上；回風(fēng)巷散熱帶在0~42m，氧化帶在42~125m，窒息帶在125m以上。另一煤礦423工作面散熱帶在0~43m，氧化帶在43~75m，窒息帶在75m以上。下石節(jié)2302工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷端散熱帶為0～55m，自燃帶為55m～95m，窒息帶為95m～∞。采空區(qū)回風(fēng)巷端散熱帶為0～42m，自燃帶為42m～84m，窒息帶為84 m～∞。
5.通過理論分析，建立了采空區(qū)松散煤體自然發(fā)火微循環(huán)過程的數(shù)學(xué)模型，分析了采空區(qū)松散煤體氣流微循環(huán)非線性滲流過程、采空區(qū)松散煤體能量的傳遞以及采空區(qū)松散煤體氧氣特征等，并結(jié)合高抽巷瓦斯抽采漏風(fēng)情況進(jìn)行了FLUENT數(shù)值模擬分析。通過數(shù)值模擬，在工作面風(fēng)量取值為1100m3/min時，分析抽放量對采空區(qū)漏風(fēng)流場、氧氣濃度場、瓦斯?jié)舛葓龅姆植加绊?，并結(jié)合實測分析結(jié)果確定出高抽巷的合理抽放量為270~280m3/min。
6.采用連續(xù)定量釋放SF6的方法以及單元法分別對兩個煤礦的2個工作面進(jìn)行了漏風(fēng)的測定。經(jīng)測定分析獲得工作面在回采各階段工作面的漏風(fēng)率在14.73%~20.73%之間。這主要是由于工作面的局部裂隙發(fā)育可以貫通高抽，有利于瓦斯抽放，高抽巷與工作面的氣壓差，造成工作面風(fēng)流沿煤層裂隙涌往高抽巷，高抽巷的存在使大量風(fēng)流經(jīng)進(jìn)風(fēng)巷流入采空區(qū)后，部分風(fēng)流又進(jìn)入高抽巷，高抽巷的負(fù)壓抽放作用增加了采空區(qū)的漏風(fēng)。風(fēng)流從靠近進(jìn)風(fēng)巷端至切眼處區(qū)域進(jìn)入采空區(qū)，然后風(fēng)流從靠近回風(fēng)巷端流出，也增大了浮煤自燃危險性。同時，通過FLUENT數(shù)值模擬軟件，模擬了綜放工作面不同漏風(fēng)量采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。并根據(jù)風(fēng)速劃分方法，劃分出了工作面不同風(fēng)量時的采空區(qū)的自燃三帶。
7.針對所研究礦區(qū)特有油氣共生高瓦斯易自燃煤層特點，制定出了汽霧阻化、采空區(qū)注氮、工作面走向插管灌漿以及超前鉆孔注三相泡沫等主要的防滅火技術(shù)措施方案。為了觀測和檢驗防滅火措施實施后的達(dá)到的效果，布置了溫度和束管檢測系統(tǒng)，檢測采空區(qū)溫度和氣體生成情況。同時，結(jié)合工作面實際回采情況，實施了工作面走向插管灌漿方案，并取得了良好的防滅火效果。
小編點評
礦井火災(zāi)不僅使礦井遭受巨大的物質(zhì)損失，同時它也是導(dǎo)致井下職工傷亡的重要原因。同時煤礦火災(zāi)的發(fā)生還經(jīng)常引發(fā)瓦斯爆炸、煤塵爆炸等一系列重大事故，嚴(yán)重威脅著礦工的生命安全，給國家?guī)砹梭@人的資源損失和設(shè)備破壞。在此背景之下，本期頭條從研究背景、研究內(nèi)容和研究結(jié)論三個角度切入，為大家介紹高瓦斯油氣共存近距離煤層群自燃防治技術(shù)。邏輯嚴(yán)謹(jǐn)，內(nèi)容充實，對提高礦井工作的安全性有重要作用。
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