李 強鄔劍明吳玉國金 瑾

(1.鶴壁市淇濱區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,河南省鶴壁市,458030; 2.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024; 3.鶴壁市淇濱區(qū)政府,河南省鶴壁市,458030)

近距離煤層開采上覆煤層采空區(qū)氣體分布規(guī)律?

李 強1鄔劍明2吳玉國2金 瑾3

(1.鶴壁市淇濱區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,河南省鶴壁市,458030; 2.太原理工大學礦業(yè)工程學院,山西省太原市,030024; 3.鶴壁市淇濱區(qū)政府,河南省鶴壁市,458030)

針對中煤平朔煤業(yè)有限責任公司井工二礦近距離煤層群開采下分層過程中極易引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問題,通過采取預先打孔埋管監(jiān)測近距離煤層中上分層采空區(qū)氣體隨下分層工作面推進的分布規(guī)律及濃度,預測預報上分層采空區(qū)遺煤自燃情況,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果結(jié)合理論分析得出,中煤平朔煤業(yè)有限責任公司井工二礦近距離煤層群開采下分層過程中并沒有引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問題。

上分層采空區(qū) 氣體分布規(guī)律 防滅火 下分層 近距離煤層開采

近距離煤層由于層間距極近,在上覆煤層開采過程中已對下分層頂板造成破壞,給下分層頂板管理帶來困難。而在下分層開采采用垮落法管理頂板時,不僅本層頂板垮落,上覆采空區(qū)、頂板也會隨之垮落,冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶高度會明顯增大,漏風會更為嚴重,極易引起上覆煤層采空區(qū)遺煤自燃,給安全生產(chǎn)帶來極大的隱患。如果下分層煤賦存復雜將會導致下煤層的開采過程中出現(xiàn)復雜的水、火等問題,因此本文的研究對減少或杜絕煤自燃、水害發(fā)生,提高礦井整體安全技術(shù)水平具有重要意義,為近距離煤層開采下分層的安全開采通防決策及示范工作面奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

中煤平朔煤業(yè)有限責任公司井工二礦設計生產(chǎn)能力10.0 Mt/a,主要可采4＃、9＃、11＃煤層,均為自燃或易自燃煤層。目前,4＃、9＃煤層已基本采空,正在開采11＃煤層。11＃煤層厚度為0.95～9.77 m,平均厚度為4.7 m,11＃煤層與上覆的9＃煤層層間距為1.4～2.2 m,平均7.78 m。由于9＃煤層在開采時采用綜采放頂煤開采,采空區(qū)遺煤較多,因此11＃煤層開采過程中存在的9＃煤層采空區(qū)地表塌陷后形成漏風通道,造成引起9＃煤層采空區(qū)遺煤自燃的重大安全隱患。9＃煤層為自燃煤層,發(fā)火期為3～6個月,自燃傾向性等級為Ⅱ級,煤塵具有爆炸性。因此有必要研究近距離煤層群開采過程中,隨著工作面的推進,上層采空區(qū)氣體的分布規(guī)律,為制定科學的防滅火措施提供依據(jù)。

11＃煤層采區(qū)與9＃煤層采區(qū)都采用單翼布置,在11＃煤層沿煤層底板開拓一條輔運大巷,利用9＃煤層帶式輸送機回風大巷運煤和回風。

11＃煤層通風方式為中央并列式,通風方法為抽出式通風。通風系統(tǒng)為:主、副斜井→9＃煤層輔運大巷、補輔運大巷→11＃煤層輔運措施巷→11＃輔運大巷→工作面輔運巷→工作面→工作面回風巷→9＃煤層回風大巷→回風斜井。

2 現(xiàn)場監(jiān)測情況

2.1 測點布置

根據(jù)實際情況在井工二礦1102輔運巷內(nèi)每200 m布置1個鉆孔,共計8個鉆孔,監(jiān)測上覆采空區(qū)氣體變化情況。1102輔運巷觀測鉆孔布置如圖1所示。每個測點隨著回采工作面的推進,依次從工作面前方進入工作面后方,通過監(jiān)測9＃煤層采空區(qū)內(nèi)氣體參數(shù)變化,從而掌握9＃煤層采空區(qū)氣體隨11＃煤層開采的分布規(guī)律。

圖1 1102輔運巷觀測鉆孔布置圖

2.2 監(jiān)測內(nèi)容與方法

井下實際監(jiān)測的主要氣體有O2、N2、H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。具體的取樣方法如下:

(1)針對工作面實際推進情況,每2 d采集一次氣樣。

(2)采樣時,先將鉆孔用膠皮軟管連接到真空泵進氣口,預抽3～5 min,然后將球膽連接到真空泵出氣口進行采氣,再將球膽內(nèi)的氣體擠壓干凈,重復此操作3～5次(洗氣),最后再將球膽連接到真空泵的出氣口采集氣樣,直至球膽被充滿為止。

(3)采樣測試完畢后,測量工作面推進位置并做好記錄。

(4)將氣樣送至地面化驗室,進行氣體組分分析。

2.3 監(jiān)測結(jié)果分析

通過布置在1102輔運巷內(nèi)的8個鉆孔,實時監(jiān)測1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)中氣體濃度隨1103工作面向前推進的變化情況,通過CO及O2的濃度變化來判斷上覆9＃煤層采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化程度及是否出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象。經(jīng)過8個月的現(xiàn)場監(jiān)測發(fā)現(xiàn)了上覆9＃煤層采空區(qū)中CO、O2基本變化規(guī)律,8個鉆孔采集氣樣的濃度曲線如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知:

(1)1?！?＃監(jiān)測點隨著工作面推進逐漸由工作面前方進入到工作面后方,當監(jiān)測點在工作面前方時,O2濃度在7%～9%之間變化,當監(jiān)測點落到工作面后方時,O2濃度逐漸升高但維持在11%～15%左右。即工作面前方O2濃度較低,隨著工作面推進,監(jiān)測點進入工作面后方時監(jiān)測到的上覆采空區(qū)O2濃度升高。6?！?＃監(jiān)測點一直處于工作面前方,其O2濃度一直維持在7%～9%之間。

(2)1?！?＃監(jiān)測點隨著工作面推進逐漸由工作面前方落到工作面后方,當監(jiān)測點在工作面前方時CO濃度幾乎為0%,當監(jiān)測點落到工作面后方時CO濃度逐漸升高但維持在0%～0.0003%左右。即工作面前方CO濃度較低,隨著工作面推進,當監(jiān)測點落到工作面后方時監(jiān)測到的上覆9＃煤層采空區(qū)CO濃度升高。6?！?＃監(jiān)測點一直處于工作面前方,其CO濃度一直為0%。

圖2 8個監(jiān)測點CO濃度與工作面距離變化曲線

圖3 8個監(jiān)測點O2濃度與工作面距離變化曲線

(3)1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)氧氣濃度基本維持在7%～15%左右,說明上覆9＃煤層采空區(qū)存在漏風,處于氧氣較高狀態(tài),具備自然發(fā)火的供氧條件。

(4)隨著1103工作面向前推進,11＃煤層采空區(qū)逐漸與9＃煤層采空區(qū)貫通,導致9＃煤層已經(jīng)壓實的采空區(qū)整體重新向下垮落從而引起9＃煤層采空區(qū)地表塌陷形成漏風通道,導致漏風。9＃煤層采空區(qū)存在漏風導致采空區(qū)中O2濃度升高,O2又為采空區(qū)中遺煤氧化提供條件,遺煤發(fā)生氧化導致CO濃度升高。從監(jiān)測結(jié)果得到11＃煤層上覆9＃煤層采空區(qū)中O2、CO濃度隨11＃煤層工作面推進逐漸升高,總體O2濃度在7%～15%之間變化,CO濃度在0%～0.0003%之間變化,具有自然發(fā)火條件,理論分析與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果吻合。

3 應對措施

隨著11＃煤層的開采,9＃煤層采空區(qū)存在著極大的自然發(fā)火隱患。因此建議采取以下措施避免9＃煤層采空區(qū)自燃危害到11＃煤層工作面的正常生產(chǎn)。

(1)及時密閉1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)并保持密閉良好性,減少采空區(qū)漏風量,填堵采空區(qū)與地面塌陷裂隙,控制漏風通道。O2是浮煤氧化的必要條件,通過控制采空區(qū)的漏風量,可以縮小浮煤氧化帶的范圍,氧化帶的范圍越小,自然發(fā)火的危險性就越低。

(2)采用均壓防滅火技術(shù),并結(jié)合其他堵漏/惰化技術(shù),隔離煤與氧接觸,使煤與氧接觸機率減小。采用特定的防滅火材料噴灑在浮煤上,包裹煤體,在煤體表面形成一層膜,因此,被包裹的浮煤的表面與O2的接觸面積大大減少,控制煤與O2的氧化程度。向浮煤噴灑阻化劑改變煤分子表面結(jié)構(gòu),能夠抑制煤的氧化進程,降低煤氧復合熱效應,從而使煤與氧的自燃氧化反應至發(fā)火的周期變大,在這種情況下,實現(xiàn)快速推進,把氧化帶滯留在采空區(qū)的時間縮短,能夠控制采空區(qū)自然發(fā)火情況。

(3)加強日常防滅火檢查,定期對工作面、上覆采空區(qū)、工作面上隅角、回風流等的氣體取樣分析,發(fā)現(xiàn)問題及時分析原因,采取相應措施處理。

4 結(jié)束語

礦井火災是煤礦主要災害之一,時刻威脅著煤礦井下的安全生產(chǎn)。火災的治理工作不僅是通風安全技術(shù)中一項重要內(nèi)容,而且對煤礦安全生產(chǎn)起到關(guān)鍵性作用。通過長期對中煤平朔煤業(yè)有限責任公司井工二礦1103工作面上覆采空區(qū)氣體分布規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)了一些存在的問題并提出了解決方法,為近距離煤層群開采制定科學的防滅火措施提供了依據(jù),并對安全開采通防決策奠定了基礎(chǔ)。對近距離煤層開采下分層時防止上分層采空區(qū)自然發(fā)火具有一定的參考價值和借鑒作用。

[1] 王省身,張國樞.礦井火災防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學出版社,1990

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Gas distribution law in the goaf of upper slice in close distance coal seams

LiQiang1,Wu Jianming2,Wu Yuguo2,Jin Jin3
(1.Qibin Administration of Work Safety,Hebi,Henan 458030,China; 2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China; 3.The People＇s Government of Qibin District Hebi,Hebi,Henan 458030,China)

Aimed at the problems of abandoned coal spontaneous combustion in overlying goaf occurred frequently in process of lower slice mining in close distance coal seams in No.2 underground mine of China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,beforehand punching and pipe laying were applied to monitor the distribution law and concentration of the gas from the goaf of middle and upper slices with the lower workface driving in close distance coal seams,and the abandoned coal spontaneous combustion situation in the goaf of upper slice was predicted and forecasted. According the theoretical analysis and the results,the problems of abandoned coal spontaneous combustion did not happen.

goaf of upper slice,gas distribution law,fire prevention and extinguishing,lower slice,close distance coal seams mining

TD711

A

李強(1988－),男,吉林東遼人,碩士研究生,主要從事煤礦安全方面的工作。

(責任編輯 張艷華)

山西省科技攻關(guān)項目(20120321006),山西省青年科技研究基金(2012021022－3)