不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究.pdf

★煤矿安全★ 移动扫码阅读 引用格式刘志文,史建设,傅琦,等􀆱不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究 [J]􀆱中国煤炭, ２ ０ ２ ０,４ ６８∶７ ２－７ ８ 􀆱 L i uZ h i w e n,S h i J i a n s h e,F uQ i,e t a l 􀆱S t u d yo n t h e i n f l u e n c e o f d i f f e r e n t v e n t i l a t i o nm o d e s o nd a n g e r o u s a r e a o f c o a l s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o n i nd e e p Ｇ i n c l i n e dg o b[J]􀆱 C h i n aC o a l,２ ０ ２ ０,４ ６８∶７ ２－７ ８ 􀆱 不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域 的影响研究 刘志文１ 史建设１ 傅 琦１ 李文涛１ 吴春雷２ １ 􀆱华亭煤业集团有限责任公司东峡煤矿,甘肃省平凉市,７ ４ ４ １ ０ ０; ２ 􀆱中国矿业大学安全工程学院,江苏省徐州市,２ ２ １ １ １ ６ 摘 要 针对东峡煤矿大倾角工作面采空区现场危险区域难确定的问题,在确定工作面 及采空区参数的基础上,采用相似模拟试验方法,构建了采空区自燃 “ 三带”模拟试验系 统,得出了大倾角工作面采空区在不同风量、不同风向下O２浓度的分布规律.结果显示 大倾角采空区自燃 “ 三带”呈立体分布;随着工作面风量的增大,风流进入采空区的深度以 及对采空区的影响高度增大;上、下行通风条件下自燃 “ 三带”主要分布在下巷道侧. 关键词 大倾角采空区 相似模型 不同风量 上下行通风 “ 三带”分布 中图分类号 T D ７ ２ ４ 文献标识码 A S t u d yo nt h e i n f l u e n c eo fd i f f e r e n t v e n t i l a t i o nm o d e so nd a n g e r o u sa r e a o f c o a l s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o ni nd e e p Ｇ i n c l i n e dg o b L i uZ h i w e n １, S h i J i a n s h e １, F uQ i １, L iW e n t a o １,W uC h u n l e i２ １ 􀆱D o n g x i aC o a lM i n eo fG a n s uH u a t i n gC o a lG r o u pC o m p a n y,P i n g l i a n g,G a n s u７ ４ ４ １ ０ ０,C h i n a; ２ 􀆱S c h o o l o fS a f e t yE n g i n e e r i n g,C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y,X u z h o u,J i a n g s u２ ２ １ １ １ ６,C h i n a A b s t r a c t I nv i e wo f t h ep r o b l e mt h a t i tw a sd i f f i c u l t t od e t e r m i n e t h ed a n g e r o u s a r e a i n t h eg o bo fD o n g x i aC o a lM i n e,b a s e d o nt h ep a r a m e t e r so fw o r k i n g f a c e a n dg o b,t h e a u t h o r s c o n s t r u c t e da s i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s y s t e mo f ＂ t h r e e z o n e s ＂o f g o bs p o n Ｇ t a n e o u sc o m b u s t i o nf o l l o w i n gt h es i m i l a r i t ys i m u l a t i o nt e s t,a n do b t a i n e dt h ed i s t r i b u t i o n l a wo fO２c o n c e n t r a t i o n i nt h ed e e p Ｇ i n Ｇ c l i n e dg o bu n d e rd i f f e r e n t a i r v o l u m e a n dd i f f e r e n tw i n dd i r e c t i o n 􀆱T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t ＂ t h r e e z o n e s ＂o f s p o n t a n e o u s c o m b u s Ｇ t i o ni nd e e p Ｇ i n c l i n e dg o bw e r e t h r e e Ｇ d i m e n s i o n a l d i s t r i b u t e d;w i t h t h e i n c r e a s eo f a i r v o l u m e i nw o r k i n g f a c e,t h ed e p t ho f a i r f l o w i n t og o ba n d t h e i n f l u e n c eh e i g h tw e r e i n c r e a s e d;t h e ＂ t h r e e z o n e s ＂o f s p o n t a n e o u s c o m b u s t i o nw e r em a i n l yd i s t r i b u t e do n t h e s i d e o fd o w nr o a d w a yu n d e r t h ec o n d i t i o no fu p w a r da n dd o w n w a r dv e n t i l a t i o nm o d e s 􀆱 K e yw o r d s d e e p Ｇ i n c l i n e dg o b,s i m i l a r i t ym o d e l,d i f f e r e n ta i rv o l u m e,u p w a r da n dd o w n w a r dv e n t i l a t i o n m o d e s,＂ t h r e e Ｇ z o n e ＂d i s t r i b u t i o n 大倾角工作面回采过程中会造成采空区上部岩 层垮落,易损坏布置在采空区内的监测设备,增加 现场实测研究的难度,且采空区内煤、岩堆积规律 复杂,难以从理论角度直接分析风流在采空区内的 运移规律[ １－４].因此,在实验室开展相似模拟试验 是研究采空区风流场分布的重要方法.相似模拟试 ２７ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 验过程直观、观测方便、可人为控制、试验周期 短、重复性强,因而具有不可替代的作用.笔者利 用相似模拟试验,模拟在不同风量、不同通风方式 条件下,大倾角采空区风流运移特点及采空区氧气 分布,对指导大倾角采空区的防灭火具有重要的指 导意义. １ 采空区自燃 “ 三带”模拟试验系统的构建 １ 􀆱 １ 相似原理 相似模拟试验是以相似理论和因次分析为基础 的模型试验技术,模型与原型之间必须遵循一定的 相似准则,即在几何、运动、动力、边界条件和重 要的物理力学参数相似的基础上,研究不同模型之 间的相似规律,本试验平台基本参数按照实际工作 面１∶５ ０进行制作,遵守相似理论三大定律[ ５－６]. １ 􀆱 ２ 系统主体设计 根据一般工作面实际尺寸,按照１∶５ ０的比 例,搭建采空区自燃 “ 三带”相似模拟试验平台进 行相似模拟试验,研究风量和风向对采空区氧气 O２浓度及自燃 “ 三带”分布的影响,定性得出 漏风在采空区的主要影响区域,为采空区的防灭火 提供一定的指导.试验系统原理如图１所示. １－C H４气瓶,２－C H４减压阀;３－C H４流量计; ４－N２气瓶;５－N２减压阀;６－有机玻璃外壳; ７－传感器;８－巷道模型;９－煤层模型;１ ０－旋转机构; １ １－注气口;１ ２－空气流量计;１ ３－流量积算仪;１ ４－真空泵; １ ５－控制器;１ ６－变送器;１ ７－计算机 图１ 试验系统原理 为了研究采空区内风流运移规律及O２浓度分 布特点,传 感 器 分 别 布 置 在 距 工 作 面３ ０ ０ mm、 ５ ５ ０mm和１ １ ５ ０mm水平,分上、中、下３层布 置,距 底 板 高 度 分 别 为７ ０ mm、１ ５ ０ mm和 ２ ５ ０mm,并在底板铺设每隔１ ０ ０mm开有小孔的 １ ２mm橡胶管路,用来注入氮气 N２ ,相关参数 及传感器布置位置及方式如图２所示. 图２ 传感器分布 ２ 试验过程及结果 ２ 􀆱 １ 试验工作面概况 东峡煤矿３ ７ ２ ２ ０－１大倾角综放工作面为西翼 采区首采面,该工作面煤层为特厚易自燃煤层,工 作面平均倾角５ ２ ,工作面走向长度１ ０ ３ ６m,倾斜 长度５ ９ 􀆱 ２m,采用综合机械化放顶煤采煤法开采, 采高２ 􀆱 ６m,放顶高度７ 􀆱 ２m.工作面采用U型通 风方式,设 计 供 风 量４ ９ ０ m ３/ m i n,实 际 供 风 量 ７ ５ ０m ３/ m i n. ２ 􀆱 ２ 试验过程 调节 平 台 角 度 至５ ２ ,控 制 通 风 机 风 量 为 ３ 􀆱 ９L/m i n、６L/m i n和７ 􀆱 ２L/m i n进行模拟矿井 通风试验,３组风量分别对应工作面实际风量为 ４ ９ ０m ３/ m i n、７ ５ ０m ３/ m i n和９ ０ ０m ３/ m i n,试验过 程如图３所示. 连接好系统各个管路,向采空区注入N２,待 控制柜O２浓度读数稳定在８％后,停止注入N２, 静置１ ２h以上,待各传感器读数稳定后,调节平 台倾 角 至５ ２ ,打 开 真 空 泵,分 别 调 节 流 量 至 ３７ 不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究 ３ 􀆱 ９L/m i n、６L/m i n和７ 􀆱 ２L/m i n,观察并记录 O２浓度变化情况. 图３ 试验过程 ２ 􀆱 ３ 试验结果及分析 ２ 􀆱 ３ 􀆱 １ 风量对采空区O２浓度分布的影响 为了研究不同风量下大倾角工作面采空区O２ 浓度的分布,在采取下行通风方式时,分别选取 ３ 􀆱 ９L/m i n、６L/m i n、７ 􀆱 ２L/m i n作为工作面通风 量,传感器监测的O２浓度变化情况如图４所示. １在不同配风量条件下,回风巷侧１号、４ 号、７号 传 感 器 组 最 大 O２浓 度 分 别 为１ ２ 􀆱 ８％、 １ ２％、１ １ 􀆱 ６％,均为下层传感器,１号、４号上层 最大O２浓度分别为１ ２ 􀆱 ４％和１ １ 􀆱 ９％,中层传感器 O２浓度介于上、下两层之间. 图４ 下行通风不同风量O２浓度 ４７ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 ２工作面配风量不断增大时,１号、４号、７ 号传感器组O２浓度上升速率和最大值也增大,且 距工作面较近的１号传感器组的O２浓度最大值比 距工作面较远的７号传感器组大. ３随着风量的增大各传感器O２浓度增大, 但增大幅度比上行通风时增大幅度小,且上、中、 下层浓度最大值差别不大. 风量为３ 􀆱 ９L/m i n时,风流动能较小,在自 然风压和沿程阻力的影响下,动能迅速下降,受工 作面负压作用,向回风巷方向流动,因此回风巷侧 O２浓度变化较小. 风流向回风巷流动过程中,动能随着距工作面 距离的增大而减小,向采空区深部带入O２减小, 使距工作面较远的７号传感器组的O２浓度小于距 工作面较近的１号传感器组. 下行通风时,风流流动方向与自然风压方向相 同,增大了风流的动能,使风流快速向回风巷侧流 动,使得传感器组各层之间O ２浓度最大值差别较小. ２ 􀆱 ３ 􀆱 ２ 风向对采空区氧气浓度分布的影响 为了研究大倾角工作面条件下,上、下行通风 对采空区O２浓度分布的影响,笔者选取工作面风 量为７ 􀆱 ２L/m i n试验数据为研究对象,大倾角工 作面上、下行通风条件下O２传感器变化曲线如图 ５所示. 图５ 不同风向条件下O２浓度 １下巷道侧的１号、４号、７号传感器组O２ 浓度在上行通风时要高于下行通风,且差值较大; 但采空区中部的２号、５号、８号传感器组O２浓度 在下行通风时要高于上行通风,且差值较小. ５７ 不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究 ２同一传感器组下层O２浓度均比中层O２浓 度高,靠近工作面的O２浓度均比远离工作面的O２ 浓度高. ３在上行通风时,下巷道侧靠近工作面的１ 号下层O２浓度升高幅度最大,由起始的７ 􀆱 ７％上 升到２ ０％;同样,在下行通风时,下巷道侧靠近 工作面的１号下层O２浓度升高幅度最大,由起始 的７ 􀆱 ８％上升到１ ２ 􀆱 ８％. ４上行通风和下行通风时采空区O２浓度的 分布范围有很大差别,上行通风时,７号传感器组 O２浓度分别为下层１ ６ 􀆱 １％、中层１ ４ 􀆱 ３％;下行通 风时, 在７号 传 感 器 组O２浓 度 分 别 为 下 层 １ １ 􀆱 ６％、中层１ １ 􀆱 ３％,可以看出上行通风时,风 流对采空区O２浓度影响范围更远. ５在上行通风时,７号传感器中层O２浓度 为１ ４ 􀆱 ３％,８号传感器中层O２浓度为７ 􀆱 ９％;而 在下行通风时,７号传感器中层O ２浓度为１ １ 􀆱 ３％, ８号传感器中层O２浓度为８ 􀆱 ４％.因此,在风流影 响高度上,上行通风对采空区下巷道侧O２浓度的 影响大于下行通风,下行通风对采空区中部O２浓 度的影响大于上行通风. ２ 􀆱 ４ 采空区自燃 “ 三带”分布及风流影响范围 ２ 􀆱 ４ 􀆱 １ 采空区自燃 “ 三带”分布 通过对试验数据的分析,使用M a t l a b绘制出 在５ ２ 倾角及不同风量条件下,采空区立体自燃 “ 三带”分布情况.由于在不同风量条件下,自燃 “ 三带”分布仅表现在范围上的差别,因此,仅选 取６L/m i n风量条件下进行研究,图中均以进风 巷尾部作为坐标原点,图中０ 􀆱 １和０ 􀆱 １ ８分别表示 O２浓度１ ０％和１ ８％,上、下行通风条件下采空区 自燃 “ 三带”分布如图６和图７所示. 图６ 上行通风条件下采空区自燃 “ 三带”分布 图７ 下行通风条件下采空区自燃 “ 三带”分布 ６７ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月 １在上行通风条件下,距底板７ ０mm位置, 风流受沿程阻力和自然风压的双重作用,向采空区 深部流动,在进风巷侧形成约６ ０ ０ mm宽的氧化 带;风流在向回风侧流动过程中,动能急剧降低, 从而使氧化带靠近工作面,且宽度减小,在回风巷 侧形成宽度约１ ６ ０mm的氧化带,氧化带整体宽度 为１ ５ ０９ ０ ０mm;随着距底板距离的增大,氧化 带范围以进风巷为中心逐渐缩小. ２在下行通风条件下,距底板７ ０mm位置, 风流在工作面压差和自然风压作用下,沿倾向方向 流动,由于初始动能较大,且流动过程中受遗煤阻 碍,使部分风流快速向采空区深部流动,分别在 进、回风巷侧形成宽度为１ ５ ０mm和１ １ ０ ０mm的 氧化带;随着距底板距离的增大,氧化带范围以回 风巷为中心逐渐缩小. ２ 􀆱 ４ 􀆱 ２ 采空区风流影响范围 受遗煤阻碍时风流运移情况如图８所示.风流 在采空区流动时,受遗煤的阻碍,向阻力小的区域 流动, 在无其他力的干扰情况下, 风流慢慢偏离 初始运动方向,向采空区深部流动,且动能降低; 初始动能越大,风流所能影响的范围越远;随着风 量的升高,风流初始动能增大,进入采空区深部的 距离增大,工作面与采空区压差△H也增大,压 差对采空区风流影响的范围增大,导致风流到达采 空区 回 风 巷 内 壁 后,向 采 空 区 深 部 流 动 的 距 离减小. 图８ 受遗煤阻碍时风流运移示意 图９ 上、下行通风风流影响区域示意 在距底板７ ０mm高度,大倾角工作面采空区 风流影响范围如图９所示,图中空白区域为风流能 够影响的区域,风流主要影响区域为下巷道侧采空 区,上行通风比下行通风风流的影响范围大,风流 影响范围由下巷道至上巷道以此递减;上行通风 时,风流影响范围在采空区中部迅速减小,而下行 通风时,风流影响范围缓慢减小. ３ 结论 １工作面风量逐渐增大的过程中,风流对采 空区O２浓度的影响范围逐渐增大,风流动能增大, 风流进入采空 区的深度 以及能 够 影 响 的 高 度 也 增大. ２由于大倾角工作面上下巷道高差较大,自 然风压在不同风向时,对风流的影响较大,导致风 流主要影响区域均为采空区下巷道侧. ３上、下行通风条件下自燃 “ 三带”都主要 分布在下巷道侧,因此,应加强对下巷道侧采空区 的监控力度,确保煤矿安全生产. 参考文献 [ １] 代晓亮,张人伟,毕岩峰􀆱综放面采空区 “ 三带” 范围的测定与注氮防灭火技术的应用 [ J]􀆱煤矿安 全,２ ０ １ １,４ ２ １ ２ ８ ５－８ ９ 􀆱 [ ２] P a nR o n g k u n,C h e n gY u a n p i n g,Y uM i n g g a o,e t a l 􀆱 ７７ 不同通风方式对大倾角采空区煤自燃危险区域的影响研究 N e wt e c h n o l o g i c a l p a r t i t i o nf o r＂t h r e ez o n e s ＂s p o n Ｇ t a n e o u sc o a lc o m b u s t i o ni ng o a f[J]􀆱I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o fM i n i n gS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y 􀆱２ ０ １ ３,１ ２ １－４ 􀆱 [ ３] 苏来旺􀆱注氮对采空区氧浓度和三带宽度的影响 [ J]􀆱淮 南 职 业 技 术 学 院 学 报,２ ０ １ ２,１ ２４ ７ ２ ５－２ ７ 􀆱 [ ４] 吴玉国,邬剑明,张东坡,等􀆱综放工作面连续注 氮下采空区气体分布及 “ 三带”变化规律 [ J]􀆱煤 炭学报,２ ０ １ １,３ ６ ６ ９ ６ ４－９ ６ ７ 􀆱 [ ５] 李鸿昌􀆱矿山压力的相似模拟试验 [M]􀆱徐州中 国矿业大学出版社,１ ９ ８ ８ 􀆱 [ ６] 谢文兵,陈百祥,郑百生􀆱采矿工程问题数值模拟 研究与分析 [M]􀆱徐州中国矿业大学 出 版社, ２ ０ ０ ５ 􀆱 作者简介刘志文 １ ９ ７ ６－, 男, 陕西志丹人, 采矿 工程师, 现任甘肃华亭煤电股份有限公司东峡煤矿总工程 师, 主要从事生产技术管理方面的实践与研究.E Ｇ m a i l j s k f b w e n ＠１ ６ ３ 􀆱 c o m. 责任编辑 张艳华 关于落实煤矿企业安全生产主体责任的指导意见 印发 为深入贯彻落实习近平总书记关于所有企业都 必须履行安全生产主体责任的重要指示精神,国家 煤矿安全监察局日前制定印发了 关于落实煤矿企 业安全生产主体责任的指导意见 以下简称 意 见 . 意见要求,以习近平新时代中国特色社会 主义思想为指导,弘扬人民至上、生命至上、安全 第一思想,坚持安全发展理念,坚守安全生产红 线,坚持问题导向、目标导向和结果导向,以建立 “ 人人有责、层层负责、各负其责”的安全生产责 任体系,健全 “ 明责知责、履职尽责、失职追责” 的安全生产责任运行机制为主线,强化责任意识、 强化监督考核、强化责任追究,切实解决一些煤矿 企业对所属煤矿安全生产管理不作为、少作为、乱 作为问题.坚持 “ 管理、装备、素质、系统”并重 原则,着力夯实安全基础、管控重大风险、治理重 大灾害,从根本上消除事故隐患,扎实推进煤矿安 全生产治理体系和治理能力现代化. 意见要求,坚守安全发展理念.坚持生命 至上、安全第一.煤矿企业要牢固树立 “ 零死亡” 理念和目标,切实把安全生产作为企业发展的前 提、基础和保障.强化法治意识.坚持法治思维, 守牢法律底线,自觉接受监督检查,严格执行监管 监察指令,做到依法办企办矿、依法履职尽责、依 法生产经营.强化责任担当.自觉把落实主体责任 贯穿到工作决策部署、考核监督、人员准入等各环 节、全过程. 意见明确,建立健全安全生产责任体系. 健全安全生产责任制,完善安全生产管理制度,健 全安全生产组织机构,强化内部监督. 意见强调,严格落实主要负责人法定职责. 落实安全生产第一责任人责任,严格履行法定职 责,实施安全生产公开承诺.同时,夯实安全生产 基础.强化安全生产标准化管理体系建设,强化风 险防控和隐患排查治理,加快智能化建设,持续提 升从业人员素质,大力推进 “ 一优三减” ,切实保 障安全投入,加强重大灾害治理,提升应急救援 能力. 另外,要强化监督指导.强化监管监察,强化 社会监督,强化联系指导,发挥中央企业表率作用. ８７ 中国煤炭第４ ６卷第８期２ ０ ２ ０年８月