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(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 資源與安全工程學(xué)院，北京 100083)

瓦斯、頂板、火災(zāi)、水、粉塵、熱害共同構(gòu)成煤礦六大災(zāi)害[1]，其中礦井火災(zāi)是礦井六大災(zāi)害中最嚴(yán)重災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著礦井的安全生產(chǎn)。據(jù)權(quán)威部門統(tǒng)計(jì)，歷年礦井火災(zāi)事故中，內(nèi)因火災(zāi)占總數(shù)的90% 以上，其中60% 的自然發(fā)火發(fā)生在采空區(qū)[2]，因此，采空區(qū)防滅火治理迫在眉睫。尤其厚煤層綜放開采，強(qiáng)度大，采空區(qū)遺煤多，單位時(shí)間瓦斯涌出量大，容易產(chǎn)生瓦斯積聚，工作面推進(jìn)速度快，工作面風(fēng)壓及通風(fēng)強(qiáng)度大以及地質(zhì)條件復(fù)雜、工作面設(shè)計(jì)不合理等，這些都增加了采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火的危險(xiǎn)。因此，研究采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，對(duì)礦井采取有針對(duì)性的防滅火措施非常重要。

1 采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)

目前，采空區(qū)自燃“三帶”的劃分的方法主要有三種方法，分別是漏風(fēng)風(fēng)速法、氧氣濃度法和溫升速度法[3]。由于采空區(qū)內(nèi)部條件的復(fù)雜性和不確定性，暫時(shí)還沒有儀器可以準(zhǔn)確測(cè)得采空區(qū)中風(fēng)速大小，現(xiàn)階段該方法主要是利用計(jì)算機(jī)建模，給出與采空區(qū)相接近的條件，進(jìn)行數(shù)值模擬來模擬采空區(qū)風(fēng)速分布，從而劃分 “三帶”范圍；氧氣濃度法和溫升速度法中的O2濃度、溫度屬于標(biāo)量，都可以通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或借助相應(yīng)儀器間接測(cè)得。采空區(qū)自燃“三帶”(即散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶)的劃分依據(jù)的三種標(biāo)準(zhǔn)[4]見表1。

表1 采空區(qū)三帶劃分標(biāo)準(zhǔn)

漏風(fēng)風(fēng)速法確定自燃“三帶”，采空區(qū)條件錯(cuò)綜復(fù)雜，孔隙率、采空區(qū)條件等參數(shù)只能理想化處理，模擬結(jié)果與實(shí)際情況相差較大，故不采用；采空區(qū)漏風(fēng)流中的 O2濃度對(duì)煤炭自燃起到?jīng)Q定性的作用[5]，但單純以O(shè)2濃度作為劃分“三帶”依據(jù)，并不準(zhǔn)確。為了準(zhǔn)確判斷高河煤礦3#煤層W1310工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍及遺煤自燃規(guī)律，通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，以O(shè)2濃度為主指標(biāo)，CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6等氣體濃度變化為輔助判別指標(biāo)，研究采空區(qū)自燃“三帶”范圍以及采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律，形成高河煤礦高瓦斯礦井3號(hào)煤層綜放工作面復(fù)雜條件下煤自燃發(fā)火機(jī)理和預(yù)防技術(shù)體系，為礦井防滅火提供技術(shù)指導(dǎo)。

2 工作面概況

W1310工作面位于高河井田西一南區(qū)中南部的3#煤層，采面走向長(zhǎng)250m，傾向長(zhǎng)1899m。工作面煤層地板標(biāo)高呈兩端低，中間高的變化趨勢(shì)，一般傾角為3°～15°，平均8°。工作面采用綜采放頂煤方式，割煤高度為3.5m，放煤高度為2.5m，采放比為1.4∶1，全部冒落法管理頂板，兩進(jìn)一回Y型通風(fēng)方式進(jìn)行工作面通風(fēng)。據(jù)相關(guān)資料[6]，礦區(qū)3#煤層大部分區(qū)域瓦斯含量為4～16m3/t，最高可達(dá)29m3/t，煤層瓦斯實(shí)測(cè)壓力在0.3～2.2MPa，滲透率小于0.5×10-15m2，煤層具有自燃傾向性，屬于I類易自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期在80d左右。W1310煤層揮發(fā)分產(chǎn)率大于30% ，火焰長(zhǎng)度50～400mm，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 器材準(zhǔn)備工作

取用內(nèi)徑為8mm、6根為一簇的阻燃聚乙烯束管500m，6m長(zhǎng)的兩寸鋼管50根(備用)，7個(gè)T型法蘭，50個(gè)管接頭，2X-4型礦用本安型真空負(fù)壓抽氣泵2臺(tái)，氣囊10個(gè)，GC-2010氣相色譜儀一臺(tái)，電腦一臺(tái)，扎帶兩包，扳手、鉗子、黃泥巴3袋等等。

3.2 工作面測(cè)點(diǎn)布置工作

在W1310運(yùn)輸巷鋪設(shè)1、2、3測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)位置按照方案間隔27m布置。在工作面后溜內(nèi)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將測(cè)點(diǎn)4、5、6依次調(diào)節(jié)為距柔膜墻14m、27.5m、46m。束管采用兩根為一組放在一個(gè)測(cè)點(diǎn)，在沿空留巷柔膜墻外留設(shè)1m束管。其W1310工作面埋管觀測(cè)探頭平面布置圖如圖1所示。

圖1 W1310工作面埋管觀測(cè)探頭平面布置圖

3.3 鋼管連接及保護(hù)工作

為了避免采空區(qū)埋設(shè)的束管因放頂煤時(shí)沖擊力或頂板垮落砸斷，在束管外套上直徑為兩寸的鋼管作為保護(hù)，鋼管接頭處用管接頭密封連接。為了防止采空區(qū)頂板垮落造成鋼管發(fā)生剪切、擠壓或斷裂，采空區(qū)鋪設(shè)的鋼管下方要平整落實(shí)，要成一條直線，杜絕鋼管懸空，彎曲鋪設(shè)。為了防止水，粉塵，空氣進(jìn)入束管，以及采空區(qū)高濃度瓦斯泄漏，束管口用密封塞子密封，并用尼龍袋子罩住。為了防止采空區(qū)束管口被水淹，粉塵、碎煤等堵住孔口或影響取氣質(zhì)量，利用三通對(duì)測(cè)點(diǎn)束管進(jìn)行保護(hù)，花管穿與其中，并向上抬高1m，穿管完畢用黃泥將三通兩端進(jìn)行封堵。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與保護(hù)措施如圖2所示。

圖2 測(cè)三帶鋼管法蘭連接圖

4 測(cè)定結(jié)果與分析

4.1 氣體濃度測(cè)定結(jié)果與分析

4.1.1 O2濃度測(cè)定結(jié)果與分析

采空區(qū)O2濃度是分析采空區(qū)自燃“三帶”分布最常用的指標(biāo)[7]。O2濃度與遺煤的氧化能力、采空區(qū)的煤巖垮落密實(shí)度、采空區(qū)漏風(fēng)等密切相關(guān)[8]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制出工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè) O2濃度隨與工作面距離變化關(guān)系分別如圖3、圖4所示。

圖3 1#、2#、3#點(diǎn)O2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

圖4 4#、5#、6#、7#點(diǎn)O2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

從圖3可以看出，隨著工作面向前推進(jìn)，O2濃度呈不斷下降趨勢(shì)，最終趨于6%，回風(fēng)側(cè)O2濃度下降速度大于進(jìn)風(fēng)側(cè)。O2濃度下降到18%，進(jìn)風(fēng)側(cè)工作面向前推進(jìn)了50m，回風(fēng)側(cè)向前推進(jìn)了10m，回風(fēng)側(cè)比進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入氧化帶提前40m；O2濃度下降到8%，進(jìn)風(fēng)側(cè)工作面向前推進(jìn)了135m，回風(fēng)側(cè)向前推進(jìn)了43m，回風(fēng)側(cè)比進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入窒息帶提前92m。分析原因是進(jìn)風(fēng)側(cè)靠近保護(hù)煤柱，頂板垮落的比較慢，孔隙比較大，風(fēng)流貫穿采空區(qū)能力強(qiáng)，散熱條件較好，熱量不易積聚，遺煤氧化強(qiáng)度相對(duì)較低。在回風(fēng)巷，工作面向前推進(jìn)過程中，頂板垮落較快，上覆巖層很快冒落壓實(shí)，風(fēng)流受采空區(qū)釋放瓦斯氣體的涌入以及遺煤的氧化，O2濃度下降較快。

從3號(hào)點(diǎn)可以看出，工作面向前推進(jìn)70m左右沒有了數(shù)據(jù)，推測(cè)因?yàn)?號(hào)點(diǎn)地勢(shì)較低，工作面及采空區(qū)水都涌向地勢(shì)低的位置，導(dǎo)致3號(hào)點(diǎn)被淹，無法進(jìn)行氣樣采集，3號(hào)測(cè)點(diǎn)布置失敗；4號(hào)點(diǎn)O2濃度一直比較高，且下降速度較慢，推測(cè)可能是沿空留巷的柔膜墻存在漏風(fēng)現(xiàn)象或者由于在高抽巷與采空區(qū)之間形成了漏風(fēng)通道。

4.1.2 CO 濃度測(cè)定結(jié)果與分析

CO濃度變化可以作為初期采空區(qū)遺煤氧化程度的標(biāo)志[9]，CO濃度越高，表明遺煤氧化程度越劇烈。進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)CO濃度隨距工作面距離變化關(guān)系分別如圖5、圖6所示。

圖5 1#、2#、3#點(diǎn)CO濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

圖6 4#、5#、6#、7#點(diǎn)CO濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線圖

采空區(qū)CO濃度總體呈先升高再降低趨勢(shì)，回風(fēng)側(cè)CO濃度高于進(jìn)風(fēng)側(cè)。進(jìn)風(fēng)側(cè)在距離工作面40m左右CO濃度為0或者值非常小，40～120m CO速率上升較快，到120m左右達(dá)到最大值311×10-6，說明了測(cè)點(diǎn)距離工作面40m范圍內(nèi)為散熱帶，距離工作面40m后進(jìn)入氧化帶，遺煤開始氧化，氧化程度不斷加劇?；仫L(fēng)側(cè)在80m達(dá)到峰值，

之后進(jìn)入窒息帶煤氧化受到抑制，CO濃度逐漸下降。4號(hào)點(diǎn)CO濃度一直比較低，因?yàn)榭拷崮Ω浇旱难趸m然一直在進(jìn)行，但由于柔膜墻漏風(fēng)或者與高抽巷形成漏風(fēng)通道的關(guān)系，回風(fēng)風(fēng)流帶走了一部分CO，導(dǎo)致濃度一直保持在50×10-6范圍波動(dòng)。

4.1.3 CO2濃度測(cè)定結(jié)果與分析

CO2濃度峰值可以作為判別采空區(qū)是否進(jìn)入窒息帶，也可根據(jù)CO2產(chǎn)生速率，判別遺煤氧化反應(yīng)劇烈程度。各測(cè)點(diǎn)CO2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線如圖7、圖8所示。

圖7 1#、2#、3#點(diǎn)CO2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

圖8 4#、5#、6#、7#點(diǎn)CO2濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

各測(cè)點(diǎn)CO2濃度整體呈不斷增加趨勢(shì)，最后達(dá)到峰值1%，趨于穩(wěn)定。進(jìn)風(fēng)側(cè)在130m左右達(dá)到峰值，回風(fēng)側(cè)在80m左右達(dá)到峰值，之后趨于穩(wěn)定。說明在CO2達(dá)到峰值時(shí)，采空區(qū)上覆頂板已經(jīng)基本垮落，進(jìn)入了窒息帶。CO2趨于穩(wěn)定，說明上覆巖層垮落后壓實(shí)程度好，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)和風(fēng)流速度較小，氧化產(chǎn)生的CO2不易擴(kuò)散到其他區(qū)域。靠近柔膜墻附近CO2濃度一直比較低且有緩慢增加趨勢(shì)，說明回風(fēng)巷附近遺煤也發(fā)生著氧化且速率不斷加快。

4.1.4 CH4濃度測(cè)定結(jié)果與分析

各測(cè)點(diǎn)CH4濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 1#、2#、3#點(diǎn)CH4濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

圖10 4#、5#、6#、7#點(diǎn)CH4濃度隨推進(jìn)距離的變化曲線

如圖所示，回風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛仁冀K高于進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛?，隨著工作面向前推進(jìn)，瓦斯?jié)舛认壬仙傧陆?，局部有瓦斯躍升，說明局部存在瓦斯積聚現(xiàn)象。從6號(hào)點(diǎn)可以分析出，由于漏風(fēng)關(guān)系，瓦斯不斷地被風(fēng)流攜帶走，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛冉档汀?/p>

4.1.5 其他氣體測(cè)定結(jié)果及分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，整個(gè)過程沒有C2H2、C2H4氣體產(chǎn)生。根據(jù)對(duì)W1310工作面實(shí)驗(yàn)煤樣，測(cè)試煤樣程序升溫過程中CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4與C3H8等氣體產(chǎn)生量，實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)煤炭溫度上升到150℃以上，才有釋放C2H2、C2H4氣體。

4.2 采空區(qū)自燃“三帶”的確定

綜合上述分析，最終確定高河煤礦W1310工作面“三帶”范圍，見表2。

4.3 W1310工作面最小推進(jìn)速度確定

回采過程中，防止采空區(qū)煤炭自燃最小推進(jìn)速度不僅與本煤層自然發(fā)火期有關(guān)，還與采空區(qū)進(jìn)入窒息帶與工作面最遠(yuǎn)距離有關(guān)，計(jì)算公式[10]如下：

式中，Vi為工作面月推進(jìn)速度，m/月；Lb為不自燃帶寬度，m；Lz為自燃帶寬度，m；T為最短自然發(fā)火期，月；A為安全系數(shù)，此處取1.4。

據(jù)表2知，不自燃帶寬度Lb為45m，自燃帶寬度Lz為90m，W1310工作面煤層最短自然發(fā)火期為80d，則可以計(jì)算出最小推進(jìn)速度為2.36m/d。

4.4 采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域確定

經(jīng)過分析計(jì)算，工作面向前推進(jìn)速度大于2.36m/d時(shí)，每月按30d計(jì)算，即月推進(jìn)速度大于70.8m/月能防止采空區(qū)遺煤自燃。經(jīng)過對(duì)W1310工作面2017年6月19日至2017年9月19日三個(gè)月進(jìn)尺計(jì)算，日推進(jìn)速度平均2.67m/d，月平均推進(jìn)80.1m/月。因此，在這種條件下工作面采空區(qū)不會(huì)發(fā)生自燃。

5 結(jié) 論

1)高河礦W1310綜放工作面三帶范圍為：進(jìn)風(fēng)側(cè)：散熱帶：0～45m；氧化升溫帶：45～135m；窒息帶：大于135m。回風(fēng)側(cè)：散熱帶：0～20m；氧化升溫帶：20～43m；窒息帶：大于43m。

2)W1310綜放工作面極限推進(jìn)速度2.36m/d，可以避免采空區(qū)著火危險(xiǎn)。

3)回風(fēng)側(cè)靠近柔膜墻，存在漏風(fēng)，為了防止采空區(qū)著火，一方面工作面推進(jìn)速度要大于2.36m/d ，另一方面要加強(qiáng)沿空留巷柔膜墻漏風(fēng)治理。

4)W1310工作面采空區(qū)在氧化升溫帶內(nèi)有瓦斯積聚現(xiàn)象，且瓦斯?jié)舛容^高，有爆炸危險(xiǎn)，應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)瓦斯治理，充分發(fā)揮高抽巷作用，加強(qiáng)對(duì)可能產(chǎn)生明火源的管理。

5)研究證實(shí)了厚煤層綜放工作面Y型通風(fēng)方式下以O(shè)2濃度為劃分“三帶”主指標(biāo)，CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6等氣體濃度變化為輔助指標(biāo)，綜合確定出“三帶”范圍的可行性，為采空區(qū)防滅火提供技術(shù)借鑒。