专题-放顶煤开采自然发火机理和防治方法.doc

1、放顶煤开采自然发火机理和防治方法摘要随着采煤技术的不断发展，综采放顶煤被广泛应用于厚煤层的开采中。但随之带来了自然发火防治困难，特别是采空区自燃发火的防治。目前在采空区自燃发火的防治过程中，必须因地制宜、采取综合措施，如采空区注氮、喷洒黄泥、设置隔离带、监测监控等，均取得了良好的效果。关键词 自然发火 放顶煤 机理 防治 1.问题的提出近年来，随着矿井开采深度的增加和采煤机械化程度的提高，特别是放顶煤采煤方法的推广应用，煤层自然发火现象愈来愈普遍 。矿井防灭火工作也愈加困难。井下自燃火灾严重威胁着煤矿的安全生产，特别是采空区自燃发火的防治问题。放顶煤开采带来的自燃发火的安全问题已引起人们的高度

2、重视，成为新的研究课题，因此，为安全高效地开采，必须探讨和采取可靠措施，控制和杜绝煤层的自燃发火，确保安全生产。2.问题的分析煤矿井下火灾分为内因火灾（煤自燃火灾）和外因火灾，内因火灾占井下火灾的70，在自燃发火严重的矿区高达8090。在我国，80的煤层有自燃发火倾向。由于自燃火灾的隐藏性，常发生在难以进入的采空区或煤柱内，因此有的自燃持续几个月甚至数十年，烧毁大量的煤炭资源，并冻结了大量的开拓煤量；另外，在火灾发生过程中，会产生大量有毒有害气体，造成井下工作人员中毒死亡，给煤矿安全与生产造成极大的损失与危害。综合机械化放顶煤开采方法具有高的单面产量与效益，低成本与低的巷道掘进率，以及良好的作

3、业环境等优点，在我国煤炭生产企业得到广泛的应用。是因为煤自燃性的存在，综放开采工作面煤层自燃火灾也时有发生。据统计，自采用综放开采以来，在综放工作面发生数百起不同程度的自燃火灾，严重地影响着煤炭企业正常的安全生产。由于综放开采工艺的特殊性，所发生的煤层自燃火灾也有其特殊性，为了减少或防止自燃火灾对综放开采工作面生产的影响，提高综放开采工作面的安全性，有必要对其进行单独地研究和分析。2.1煤层自燃的条件煤层自燃的煤氧复合学说理论已指明，煤层的自燃必须满足4个条件：（1）煤层具有自燃倾向并呈破碎堆积状态存在；（2）堆积状态的煤炭，可以通过各种方式得到自燃所必须的氧；（3）煤氧化产生的热量积蓄，使煤

4、温度升高；（4）煤的氧化可以持续发并超过煤的自燃发火期。与其他的采煤方法相同，综放开采工作的煤层自燃也必须满足这4个条件，其中任何一个条件不具备都不会发生煤层自燃。这也是进行防灭火工作的依据。2.2综放开采自燃火灾的特点由于综放工作面两巷沿底板一次掘出，服务时间长，巷道顶煤较厚，过构造时煤体较破碎，易于离层、压裂冒落，且工作面回采方式的特殊性，使得煤体自燃危险性增大。综合分析，综放工作面煤层自燃特点主要体现在以下 6 个方面：（1）由于综放开采工作面的单面产量高，在综放开采工作面设计时，为了减少工作面的搬家次数，提高经济效益，工作面（长壁工作面）走向长度较大，目前已超过2000m。工作面的回采

5、时间均超过煤层的最短自燃发火期，煤体在空气中的暴露时间较长。（2）受各种条件的限制与约束，目前我国综放开采工作面顶煤的回收率较低，一般不超过80，采空区遗煤较多。在矿山压力的作用下以及在放煤动作的影响下，采空区的遗煤呈破碎状态存在，为采空区自燃火灾的发生提供了条件。（3）放顶煤开采比其他采煤方法推进速度慢，不能使采空区氧化自燃带很快进入到窒息带； 同时，放顶煤开采采空区空间大，区内空气流动较慢，为采空区氧化自燃提供了良好的蓄热环境。（4）为了保证综放工作面良好的工作与安全环境，综放开采一般采用支掩式支架与过渡支架。相对工作面，综放开采的采空区是一个封闭区域。此外，采空区遗煤的氧化带与自燃带一般

6、在工作面30m之后，因而，综放开采采空区自燃火灾具有较强的隐藏性，不易发现。一旦在工作面发现异常时，采空区火热已经形成。（5）综放开采工作两端头的顶煤一般不作回收，导致两端头遗煤大量堆积。在没有相邻采空区时，综放工作面的漏风为采空区的小并联漏风。，综放工作面两端头是采空区漏风的源与汇，这两处的漏风均比较大。虽然，由于两端头的散热空间较大，不易形成端头自燃火灾，但大量的遗煤与适量的漏风成为综放开采工作面自燃火灾的一个隐患。（6）对于特厚煤层实行分层综放开采，或者上分层为综采，下分层为综放开采时，由于矿山压力的作用，顶煤破碎、列隙发育，在回采过程中，上部采空区漏风源多，漏风量大，并呈层流状态，有利

7、于采空区遗煤的充分氧化与热量的积聚，成为煤层自燃火灾易发生地带。2.3综放开采工作面自燃火灾易发生地点下面将介绍两个实例阐明综放工作面自燃发火容易地点，并给出科学的解释、证明。采空区自然发火是一个由回采工作面两端的压力差能提供漏风，采空区内的浮煤吸附漏风风流中的氧气，并与之发生氧化反应，放出热量，使浮煤温度升高自然发火的过程。随着开采深度和强度的增加， 开采条件日趋复杂，特别是放顶煤开采技术的普遍应用，使采空区遗煤量增加，自燃发火问题更加突出， 尤其对于高硫煤的情况更加复杂，预注阻化剂技术彻底解决了阻化剂均匀覆盖与包裹煤体的问题， 与向空区内的遗煤喷洒阻化液方法相比较，阻化的效果大大提高了，

8、阻化的时间大大延长了。本文对新峪5112工作面进行了预注阻化剂防采空区自然发火的数值模拟， 利用数学方法建立采空区内流场方程、氧浓度场方程和温度场方程， 和采空区的实际状况设定相应的边预测在不同条件下采空区内自然发火状况， 数值模拟的结果说明自然发火危险性均有大幅度降低， 预注阻化剂技术起到防止氧化、延长自然发火期的效果，为煤矿安全生产提供了保证。采空区自然发火的数值模拟采空区内自然发火的数学模型采空区自然发火是一个由回采工作面两端压力差提供漏风，采空区内的浮煤吸附漏风风流中的氧气，并与之发生氧化反应， 放出热量，使浮煤温度升高。假定空气在采空区内流动符合达西定律，氧气在采空区空气中的扩散符合

9、菲克定律，并且由质量守恒方程和能量守恒方程，可以分别建立采空区内气体流动的流场方程、氧浓度场方程和温度场方程， 这三个方程共同组成了采空区自然发火的数学模型流场模型及边界条件：式中， p为 空气静压 和速压之 和 (不包 括位压 )，P a； Kx为采空区内浮煤的渗透系数， m / s；Qg为采空区内空气的密度， kg /m ； Q0为采空区工作面空气的密度， kg /m；g 为重力加速度m / s；A为煤层的倾角； n为采空区内的空隙率； S为时间 s； vx、 vy 分别为沿 x 方向和y方向的渗流速度，m / s；# 1、# 2、# 3、# 4为采空区边界，其中 # 1为沿工作面切顶线侧

10、， # 2为采空区上部边界， # 3为采空区下部边界， # 4为采空区深部边界； p ( x， y )为沿 # 1边界上的风压函数，P a。氧浓度场模型及边界条件：式中，c为氧气浓度， m o l/m ；do2为氧气在空气中的扩散系数，m / s；u ( t) 为松散煤体内的氧气消耗速度， m ol / ( s# m ) ； c ( x， y)为 # 1边界下部的氧气浓度函数， 由于采空区 # 1边界 上一部分上向采空区内漏风， 一部分是从采空区向外漏风， 所以将 # 1边界分成上下两部分， 通过流场解算结果来判定上下部的分界。温度场模型及边界条件：式中， QC e = 1- n QC s +

11、 n QC g； Qe为松散煤体的密度， kg /m ； Ce为松散煤体的热容， kJ/ ( kg# K )； Qs为固体的密度， kg /m ； C s为固体的比热容kJ/ ( kg# K )； Qg 为气体的密度， kg /m ； Cg为气体的比热， kJ/ ( kg# K )； Ke = Ks ( 1- n) + n Kg，为松散煤体 的导热 系数，Ke 为松 散煤 体导热系 数， kJ/ ( m # s# K )， t为温度， K；q( t)为单位时间单位体积内固体颗粒的放热量， kJ/ ( m o l# s)。 t ( x， y)为# 1边界下部的温度函数，K。采空区自然发火模型的数

12、值求解首先将求解区域划分网格， 应用有限差分法分别对三个方程和相应的边界条件进行离散化处理分别得到数目为区域节点数的三个线性方程组， 通过对方程组系数矩阵特点的分析， 将它们分别压缩存贮， 线性方程组的求解方法采用高斯消元法。在进行数值计算时， 把所计算的区域划分成许多互不重迭的子区域， 确定节点在子区域中的位置及其所代表控制容积。节点表示求解的未知物理量的几何位置， 控制容积是应用控制方程或守恒定律的最小几何单位， 界面规定与各节点相对应的控制容积的分界面位置， 沿坐标轴方向联结相邻两节点而形成的曲线簇组成网格线。数值模拟结果分析：解算参数的获取按照上述数学模型， 以 5112工作面生产条件

13、为例进行了注入和不注入阻化剂两种情况下的采空区自然发火模拟。 5112综放工作面所采为太原组10、11煤层，工作面布置图 见图11煤层平均厚度7118m， 埋藏深 170m。工作面长度 160m， 工作面平均倾角 6b， 工作面通风阻力为 100Pa， 采空区的遗煤平均厚度为按 115m 计算。工作面的进风温度为 25e，临界温度为 149e ， 煤的密度为 1400kg /m ， 在临界温度以下时煤的平均比热1200J/ ( kg# e )，采空区的计算深度取 180m。按回采工作面的正常推进速度 316m /d进行计算。图 1 工作面布置图在进行煤的氧化升温实验时， 把煤样分为两组， 一组

14、加入阻化液的， 一组不加阻化液。通过实验得到不同温度下的耗氧速度和放热强度， 并将它们分别按照与温度的对应关系进行回归， 得到它们与温度的函数关系式， 在解算时采用。11 31 2 解算结果分析以工作面进风侧采空区的顶点为坐标原点，以工作面方向为 x 轴方向， 为采空区深度方向为y轴方向， 绘制采空区内浮煤温度分布的曲面图，见图 2至图 5 所示。图 2显示: 在工作面推进速度为 31 6m / d 和不注入阻化液条件下， 采空区温度分布 情况； 图 3 显 示: 在 工作 面 推 进速 度 为31 6m / d和注入阻化液条件下， 采空区温度分布情况。图 4显示: 在工作面推进 速度为 01

15、 6m /d 和不注入阻化液条件下， 采空区温度分布情况； 图 5显示: 在工作面推进速度为 01 6m /d 和注入阻化液条件下， 采空区温度分布情况。对比图 2和图 3、图 4和图 5， 在注入与不注入阻化液时在不同的推进速度下都可以使采空区的温度降低。在正常推进速度下 ( 31 6m / d)注入阻化液可以使采空区最高温度降低 将近 4 e ， 在推进速度为 01 6m / d时注入阻化液可以使采空区最高温度降低 17e 。数值模拟 结果证实了注入阻化液对防止采空区自燃有较强的作用。图 2 工作面正常推进情况下 ( 31 6m /d) 不注入阻化液时采空区温度分布图图 3 工作面正常推进

16、速度下 ( 31 6m /d) 注入阻化液时采空区温度分布图图 4 工作面推进速度为 01 6m /d时不注入阻化液时采空区温度分布图图 5 工作面推进速度为 01 6m / d时注入阻化液时采空区温度分布图结论1) 在进风侧氧气浓度较高， 所以煤的发热量也较大， 引起煤的温升也较高， 在回风侧氧气浓度低， 煤的放热量也相应减少， 所以温升也较小， 这与采空区自燃经常发生 在进风侧的事实 是相符合的。2) 计算表明采空区内的热量传递方式以对流换热为主，采空区内的漏风量大小对采空区内的热量传递起着关键作用。由于采空区浅部漏风风流较大，进风侧浮煤氧化产生的热量使风流温度升高，这些经过加热后的风流到回风侧后使回风侧温度升高。而采空区深部漏风风流很小，而进风侧氧气浓度比回风侧高，所以进风侧浮煤氧化放出的热量比回风侧多， 进风侧温度