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宋灵感
(山西忻州神达大桥沟煤业公司，山西 忻州 036506)
山西忻州神达大桥沟煤业有限公司井田位于河曲县城南偏东24 km处旧县乡附近，批准开采煤层为8～13号煤层，生产能力为90万t/a.山西忻州神达大桥沟煤业有限公司在120万t/a产量下开采9号、10号、11号煤层时，属低瓦斯矿井。9号、10层煤尘有爆炸性，9号、10煤层自燃倾向性为自燃。根据矿井开拓布置，利用现有10号煤层925水平为辅助开采水平，9号、10号煤层平均间距为5.62 m，属于近距离煤层，采区接替为：901采区—1001采区—1101采区—901采区(蹬空区域)—1001采区(蹬空区域)—1101采区(蹬空区域)。矿井901采区已开采完毕，1001采区100101首采工作面正在开采。
2.1 10号煤样自燃临界氧气浓度研究
采空区遗煤的自燃需要适宜的氧气浓度来维持，当氧气浓度低于一定水平时，煤体的氧化将不可持续，采空区将不会出现自然发火现象，能够满足煤体自身氧化所需的最低氧气浓度定义为煤自燃下限临界氧浓度值[1]。根据工作面后方采空区自然发火的危险性可沿水平方向划分为散热带、自燃带及窒息带，散热带位于回采工作面紧后方，由于工作面强风条件下热量不易积蓄，温度达不到煤体自燃的要求，不会发生自然发火现象；
窒息带位于工作面后方采空区较深处，由于距离工作面较远，没有足够的氧气维持遗煤氧化升温，也不会发生自然发火；
只有氧化带内拥有适宜的氧气浓度，同时热量也能够积聚，是采空区引发自然发火现象的重点区域，同样也是采空区防灭火的重点治理区域。为确定100101工作面采空区自燃三带的范围，需首先掌握氧化带划分的标准，因此设计实验测定10号煤的自燃下限临界氧浓度值。在实验室内调配出不同氧气浓度的空气，进行煤自然发火模拟实验，氧气浓度为20.9%、10.0%、7.0%条件下，10号煤氧化热力学特性曲线如图1所示。
图1 不同氧气浓度条件下煤样自然发火温升曲线图
根据煤样温度的变化曲线可判断煤氧化反应的程度，由图1可以看出，当供氧浓度为20.9%、10.0%时，煤样温度随着时间的变化曲线出现跳跃性增长阶段，氧气浓度为20.9%时，煤样跳跃性增长幅度显著大于氧气浓度为10.0%条件下，说明氧气浓度的减小能够抑制煤样的氧化反应，但是10.0%氧气浓度并不能完全阻止煤样的氧化反应，只能减小其剧烈程度；
当供氧浓度为7.0%时，煤样温度呈缓慢平稳增长，未出现跳跃性增长，说明此时煤氧化反应极其不充分，此浓度的氧气不能够满足煤自然发火需求。参考国内相关研究结果可知[2-3]，采空区氧气含量不小于18%的区域常划分为散热带，因此确定大桥沟煤矿100101工作面采空区自燃氧化带划分指标为氧气浓度7.0%～18.0%.
2.2 复合采空区自然发火分析
为掌握100101工作面采空区遗煤自燃危险性，通过提前预埋束管连续监测采空区内氧气、一氧化碳等气体浓度情况，所用设备主要为矿用气相色谱仪、束管取气头等。100101工作面上覆9号煤层已回采完成，层间距约5.62 m，随着工作面推进，层间岩层垮落，上覆采空区与本煤层采空区连通，工作面采用U形通风，在进回风巷分别布置束管，预埋束管采用直径50 mm的钢管保护，固定在距离巷道底板1.5 m的煤柱帮侧，根据监测结果整理得到工作面后方采空区内氧气浓度变化规律如图2(a)、(b)所示。根据氧化带氧气浓度为7.0%～18.0%的原则得到采空区自燃三带划分结果如图2(c)所示。
图2 束管监测及自燃三带划分结果
由图2可以看出，采空区内进风侧和回风侧氧气浓度变化规律基本一致，均表现为随着与工作距离的增大而逐渐减小，根据氧气浓度变化规律，以回采工作面位置为基准线，进风侧深入采空区56～104 m为氧化带，回风侧深入采空区14～38 m为氧化带，氧化带最大宽度达到48 m时，采空区存在自然发火的威胁性。100101工作面回采巷道会向上覆采空区漏风，为考察上覆采空区遗煤自燃的可能性，在100101回风巷向顶板施工观测孔，监测上覆采空区各类气体的浓度，结果表明，工作面前方上覆采空区0～100 m范围内一氧化碳浓度达到22～63×10-6，存在采空区遗煤自燃倾向。
根据大桥沟煤矿100101工作面实际情况，采用ICEM CFD 软件建立三维物理模型[4]，工作面长度150 m，后方采空区及工作面前方各长250 m，上覆采空区垮落带高度20 m，两侧回采巷道断面为寸4 m×3 m(宽×高)，注氮口简化为边长1.5 m的正方形，网格划分采用六面体，共划分为658 346个网格，三维数值模型如图3(a)所示，后方采空区及上覆采空区漏风流场示意如图3(b)所示，工作面采用U型通风，进风巷内风量随着与进风口距离的增大逐渐减小，回风巷内风量随着与出风口距离的减小逐渐减小，回风巷漏风量及工作面下隅角漏风根据现场实测情况进行设置。
图3 数值模拟模型
为确定不同注氮量对100101工作面采空区自然发火的防治效果，注氮口设计在工作面回风侧，深入采空区45 m，设计注氮量分别为1 000～3 000 m3/h，统计不同注氮量条件下采空区氧化带最大宽度和最高温度，得到其随注氮量的变化规律如图4(a)所示。采空区注氮后不仅使氧化带的最大宽度显著减小，采空区温度也明显下降，注氮对采空区具有一定的降温效果，当注氮流量为2 000 m3/h时，氧化带最大宽度约为28 m，最高温度约为33°，注氮量增大至2 500 m3/h，氧化带最大宽度及最高温度明显减小，考虑到经济适用原则，合理的注氮流量为2 000～2 500 m3/h.同样为确定工作面前方上覆采空区最佳注氮量，设计在进风巷顶板进行单孔注氮，注氮量为20～140 m3/h，选取上覆采空区Z=10 m处进行监测，测得最低氧气浓度随注氮量的变化规律如图4(b)所示，当注氮量为60 m3/h时，氧气浓度最小值约为4.5%，显著低于7%，且注氮量继续增大，最低氧气体积分数减小幅度变小，确定上覆采空区最佳注氮量为60 m3/h.
4.1 采空区防灭火措施
结合前文研究成果，大桥沟煤矿设计采用注氮技术进行复合采空区的防灭火，工作面后方采空区注氮位置时决定防灭火效果的关键参数，100101工作面后方采空区注氮口设计在深入采空区45 m的进风巷一侧，采用直径80 mm的无缝钢管预埋管路，管路供氮压力为0.37 MPa，根据注氮量眼球安装4台DM-1000 型制氮机械设备，并加设2台备用，制氮机放置在西六2号硐室内，后方采空区注氮量为2 000～2 500 m3/h，上覆采空区注氮口布置在进风巷顶板中部，注氮口间距为36 m，超前工作面200 m对上覆采空区进行注氮，每个注氮口的流量为60 m3/h，总注氮流量约为360 m3/h.注氮管理布置如图5所示。
4.2 防治效果评估
100101工作面采取注氮防灭火措施后，后方采空区内氧气浓度变化规律如图6所示，进风侧深入采空区32～64 m为氧化带，回风侧深入采空区9～28 m为氧化带，氧化带最大宽度为32 m，最大氧化带宽度减小了16 m，通过理论分析可得，采空区氧化带内的遗煤在最短自然发火期内即已进入窒息带，采空区无自然发火危险，后期束管监测也验证了该结果。上覆采空区采取注氮措施后，工作面回采期间，上覆采空区束管监测未监测到CO气体，说明上覆采空区无自然发火危险。
图4 数值模拟分析结果
图5 复合采空区注氮孔设置示意
图6 束管监测及自燃三带划分结果
针对大桥沟煤矿100101工作面采空区及上覆采空区防灭火问题，通过实验室试验、束管监测、FLUENT 模拟等方法研究表明：
1) 10号煤的自燃下限临界氧浓度值为7.0%，采空区氧化带划分标准为氧气浓度7%～18%，100101工作面后方采空区进风侧56～104 m为氧化带，回风侧14～38 m为氧化带，氧化带最大宽度48 m，存在自然发火危险。
2) 工作面后方采空区合理注氮量为2 000～2 500 m3/h，上覆采空区单孔最佳注氮量为60 m3/h.
3) 对后方采空区及上覆采空区采取注氮技术措施后，后方采空区氧化带最大宽度减小为32 m，遗煤在自然发火期内已进入窒息带，无自燃危险，上覆采空区未监测到CO气体，保障了工作面的回采安全。
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