曹乃夫

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國煤礦的自然發(fā)火問題是十分嚴重的。據(jù)統(tǒng)計，具有自然發(fā)火危險的礦井約占47%，礦井自然發(fā)火又占總發(fā)火次數(shù)的94%，其中采空區(qū)自然占內(nèi)因火災的60%[1-2]。這種火災造成工作面封閉，凍結(jié)大量煤炭資源和昂貴生產(chǎn)設備，造成工作面、采空區(qū)風流紊亂，影響礦井正常生產(chǎn)接續(xù)，并造成人員傷亡[3]。而神府東勝煤田大多具有淺埋深、（極）近距離煤層群賦存、（特）厚（易）自燃等特點，礦井安全生產(chǎn)面臨著火災的嚴重威脅[4]。通過對采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律及范圍確定的研究，揭示出其與頂板垮落規(guī)律和采空區(qū)漏風流流場的關系；準確的確定出采空區(qū)“三帶”的范圍及分布位置；根據(jù)劃分的“三帶”范圍，準確地計算出預防采空區(qū)自然發(fā)火的工作面最低推進速度，合理組織生產(chǎn)；最終針對研究結(jié)果制定出針對采空區(qū)自燃“三帶”的有效地防滅火措施[5]。以三道溝煤礦35106綜采工作面作為研究背景，對其采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”進行合理劃分，確定其35106綜采工作面的安全回采速度。并對采空區(qū)漏風進行測定，測定出漏風風速以掌握其漏風規(guī)律進而提出封堵漏風措施，避免采空區(qū)遺煤自燃。

1 礦井概況

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣西北，距縣城約25 km，行政區(qū)劃隸屬府谷縣廟溝門鎮(zhèn)管轄。礦井可采儲量為926.95 Mt，礦井生產(chǎn)能力為9.00 Mt/a時，服務年限為76.3年。其中首采區(qū)服務年限30.2年，預留區(qū)服務年限46.1年。35106工作面是三道溝煤礦5-2上煤層三盤區(qū)第6個綜采工作面，采面呈東西向布置，上部為東風聯(lián)辦煤礦，北鄰35105采空區(qū)，東鄰三采區(qū)集中輔運巷，南鄰35107工作面（實體煤），西部為切眼（切眼呈南北向），切眼向西為5-2上煤與5-2煤合層位置。35106工作面設計走向長度2 803 m，傾向長度294.5 m，地面標高為1 179.6～1 281.5 m，煤層底板標高 1 091.4～1 114.9 m，設計采高2.1 m。回采工藝為長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

2 現(xiàn)場布置及監(jiān)測氣體分析

2.1 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

沿工作面回風巷外幫預埋φ50 mm鋼管300 m，間隔50 m布置4個測點，沿運輸巷外幫預埋埋φ50 mm鋼管150 m，間隔50 m布置4個測點，鋼管內(nèi)敷設單芯束管和溫度補償線，回風巷側(cè)取氣點位置距最近測點150 m，運輸巷側(cè)取氣點通過其最近的聯(lián)巷引出，以便長期觀測采空區(qū)氣體及溫度變化。工作面監(jiān)測點布置示意圖如圖1。

圖1 監(jiān)測點布置示意圖

每個監(jiān)測點內(nèi)均布置有采樣束管和溫度傳感器，隨著工作面的推進，監(jiān)測點依次進入“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，觀測采空區(qū)浮煤各個氧化階段的氣體濃度和溫度的變化。監(jiān)測點探頭布置方式如圖2。

三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測，共歷時37 d，工作面累計推進287.5 m。

圖2 監(jiān)測點探頭布置方式

2.2 監(jiān)測氣體分析

測點進入采空區(qū)后即開始取氣分析及溫度測定，從而得出隨工作面推進采空區(qū)各測點的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等氣體的濃度變化規(guī)律，直至測點取樣分析結(jié)果表明該位置已經(jīng)進入窒息帶為止。記錄每日工作面的推進度，以便推算測點距工作面的距離。正常情況下按工作面每推進6 m測取1次溫度和氣體成份數(shù)據(jù)。若有異常，則根據(jù)具體情況而定，可在異常測點每日測取3次數(shù)據(jù)。每日對兩巷及架后位置浮煤厚度進行實地觀測并作記錄。

2.2.1 氧氣濃度變化規(guī)律

35106工作面運輸巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)92.8 m左右時，氧氣濃度降至17.84%。隨著工作面的推進，除部分區(qū)域受采空區(qū)漏風影響，氧氣濃度間歇上升以外，總體呈持續(xù)下降的趨勢。當運輸巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)241.5 m左右時，氧氣濃度降至7%以下。35106工作面回風巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)69.8 m左右時，氧氣濃度降至18%以下。當回風巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)203.9 m左右時，氧氣濃度下降至7%以下。氧氣濃度變化規(guī)律如圖3。

圖3 氧氣濃度變化規(guī)律

2.2.2 一氧化碳濃度變化規(guī)律

35106工作面運輸巷側(cè)監(jiān)測點未檢測到CO。隨著回風巷1#監(jiān)測點逐漸進入采空區(qū)，CO濃度呈現(xiàn)規(guī)律性的先上升后下降的趨勢。35106工作面回風巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)8 m左右時，CO濃度約為22×10-6。當回風巷1#監(jiān)測點進入采空區(qū)99 m左右時，CO濃度達到32×10-6，此時氧氣濃度為16%～17%，表明此處漏風適宜，煤氧復合反應熱量得到積蓄，CO產(chǎn)生量增加，符合煤自然發(fā)火規(guī)律。此后，隨著供氧不足，煤氧復合反應減弱，CO濃度在7.5×10-6～21×10-6之間上下波動，但總體呈下降趨勢。35106工作面回風巷1#監(jiān)測點CO濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線如圖4。

圖4 1#監(jiān)測點CO濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線

2.2.3 二氧化碳濃度變化規(guī)律

隨著監(jiān)測點逐漸進入采空區(qū)，35106工作面運輸巷1#監(jiān)測點、回風巷側(cè)1#監(jiān)測點CO2濃度總體呈上升趨勢，運輸巷1#監(jiān)測點CO2濃度最高為1.32%，回風巷側(cè) 1#監(jiān)測點CO2濃度最高為 2.86%。35106工作面運輸巷1#監(jiān)測點、回風巷1#監(jiān)測點CO2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線如圖5。

圖5 1#監(jiān)測點CO2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線

3 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍及安全推進速度

3.1 35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標測試結(jié)果，以氧氣濃度7%～18%作為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分的依據(jù)。35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍見表1。采空區(qū)“三帶”剖面圖如圖6[6]。三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)運輸巷側(cè)氧化升溫帶較寬，為148.7 m；回風巷側(cè)較窄，為134.1 m。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”范圍 m

圖6 采空區(qū)自燃“三帶”分布剖面

3.2 35106工作面安全推進速度

根據(jù)三道溝煤礦5-2上煤層最短自然發(fā)火期τ和35106工作面采空區(qū)氧化帶寬度Lmax，可推算出35106工作面的最小安全推進速度Vmin為4.65 m/d。

當工作面推進速度大于4.65 m/d時，采空區(qū)沒有自然發(fā)火的危險；若工作面連續(xù)超過32 d平均推進速度小于4.65 m/d時，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險。

根據(jù)35106工作面正常日平均推進速度v=8.09 m/d，大于工作面的最小安全推進速度，因此在正?；夭蛇^程中，采空區(qū)不會發(fā)生遺煤自然發(fā)火。

4 堵漏防滅火措施封堵漏風

基于上述對采空區(qū)自燃“三帶”分布情況研究及工作面安全推進速度，應采用綜合防滅火措施，如加快回采速度，進行實時監(jiān)測監(jiān)控，注漿，注氮等。采空區(qū)自燃帶分布隨著風量、采空區(qū)頂板垮落、垮落帶破碎煤巖體的性質(zhì)和周邊的漏風情況等因素有關[7]。又因神府東勝煤田淺埋深的特殊地質(zhì)條件，采空區(qū)漏風嚴重也為采空區(qū)自燃提供充足氧氣。因此，對采空區(qū)進行有效地封堵漏風減少空氣進入可有效避免采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生。為了進一步判定31506工作面采空區(qū)與地表之間的裂隙溝通情況，掌握礦井上下漏風規(guī)律，為科學制定防滅火方案提供依據(jù)。因此，實施了以SF6示蹤氣體為檢測手段的漏風通道測定試驗。

4.1 井上下漏風測定原理及材料

4.1.1 SF6示蹤氣體測漏風原理

SF6在常溫下具有高穩(wěn)定性，是一種無色、無味、無毒、無腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，在地面及井下的環(huán)境中含量極低，化學穩(wěn)定性好，檢測靈敏度高，擴散性強，是常用的示蹤氣體之一。用SF6示蹤氣體定性測定漏風的測試方法為：根據(jù)礦井基礎資料分析可能的漏風通道、漏風源、漏風匯；在漏風源中釋放SF6氣體，在漏風匯每隔一定時間用球膽采集氣樣；將采集的氣樣送達實驗室分析，由氣相色譜儀（電子捕獲器）測定SF6氣體濃度；根據(jù)氣樣分析結(jié)果確定漏風通道[8]。

4.1.2 漏風測定儀器及工具材料

1）SF6釋放裝置。SF6氣體、鋼瓶、減壓閥（包括穩(wěn)壓閥和穩(wěn)流閥）和流量計等。

2）SF6分析儀器。TIF xp-1a鹵素檢漏儀和SF6色譜分析儀，用于對采集的氣樣進行定性和定量分析。

3）工具材料。SF6氣體釋放鋼管、軟管、負壓采樣器、球膽、扎帶、標簽紙，用于氣樣采集、存儲、時間節(jié)點標注等[9-10]。

4.2 井上下漏風測定

4.2.1 釋放點與接收點

結(jié)合礦井通風方式以及35106工作面現(xiàn)場實際，選取工作面切眼對應地表處一標志性裂隙作為示蹤氣體SF6釋放點，工作面回風隅角作為示蹤氣體SF6接收點，釋放點與接收點高程差為110 m，釋放點與接收點直線距離約為440 m。SF6釋放點與接收點平面示意圖如圖7。

圖7 SF6釋放點與接收點平面示意圖

4.2.2 釋放 SF6氣體

在地表裂隙插入SF6氣體釋放鋼管（圖8），連接好SF6氣體釋放裝置，使用SF6釋放器將SF6氣體通過軟管釋放，記錄釋放的開始和結(jié)束時間。將SF6氣體以壓力3 MPa、流量5 L/min釋放，從13：30開始至14：30結(jié)束持續(xù)釋放60 min，共釋放SF6氣體約1.848 kg。

圖8 SF6氣體釋放鋼管

4.2.3 氣樣采集

借助TIF xp-1a型鹵素檢漏儀綜合確定開始采樣的時間，采樣共持續(xù)65 min，合計采樣7次，氣體采樣順序表見表2。

表2 氣樣采集順序表

4.2.4 氣樣檢測與分析

氣樣檢測結(jié)果見表3。從表3可以看出，采集的1號氣樣即分析出示蹤氣體SF6，說明SF6氣體隨地面漏風流到達到35106工作面回風隅角的時間可能要早于13：50，進一步結(jié)合鹵素檢漏儀第1次接收到微弱信號分析，把SF6氣體于13：45左右到達工作面回風隅角的時間作為參考值。分析結(jié)果顯示，隨時間變化7個氣樣的SF6濃度變化不大，地表停止釋放后，示蹤氣體在一定時間段內(nèi)保持較穩(wěn)定的逸出，說明地表漏風通道較通暢、具有一定的漏風量且較穩(wěn)定。以釋放點與接收點間的直線距離（約440 m）作為最短的漏風路線長度計算，35106工作面地表可能的漏風風速約為22～30 m/min。

表3 氣樣檢測結(jié)果

4.2.5 封堵漏風措施

1）地面裂隙封堵。對回采工作面地表的裂隙進行排查，重點對“兩道兩線”采動裂隙“O”形圈區(qū)域進行排查，及時回填地表裂隙，保證回填質(zhì)量，減少地表與采空區(qū)之間漏風通道，避免地表向采空區(qū)漏風。地表裂隙隨采隨填，回填進度不得滯后工作面回采100 m。由于采動后地表裂隙不穩(wěn)定時間較長，需定期對已回填的裂隙進行勘查再回填。

2）加強密閉的施工質(zhì)量。嚴格按設計施工，對密閉及周圍巷道圍巖進行全面噴漿堵漏，防止漏風，同時還要監(jiān)測密閉漏風，定期進行壓差測定工作。

3）工作面上下端頭封堵。工作面兩巷及時退錨，使頂板充分垮落；進風隅角懸掛擋風簾，回風隅角采取增阻措施，設置擋風簾導風，或每推進50 m砌筑絲袋墻或采用無機材料充填，減少采空區(qū)漏風量。

5 結(jié)論

1）根據(jù)5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標，氧化升溫帶寬度運輸巷為148.7 m，回風巷為134.1 m。35106工作面最小安全推進速度為4.65 m/d,當工作面推進速度大于4.65 m/d時，采空區(qū)沒有自然發(fā)火的危險；若工作面連續(xù)超過32 d平均推進速度小于4.65 m/d時，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險。

2）現(xiàn)場考察表明，35106工作面地表出現(xiàn)了不同程度的裂縫。通過對地表裂縫漏風的定性分析，表明這些裂縫存在漏風，漏風風速約22～30 m/min。

3）通過對35106工作面采空區(qū)漏風的定性測定表明，只要地表出現(xiàn)了較寬的裂縫，就一定存在漏風，因此，在采空區(qū)地表發(fā)現(xiàn)沉陷和裂縫時應及時采取堵漏措施。

4）對地面裂隙進行排查并及時封堵。地表裂隙隨采隨填，回填進度不得滯后工作面回采100 m。由于采動后地表裂隙不穩(wěn)定時間較長，需定期對已回填的裂隙進行勘查再回填

5）加強巷道密閉施工質(zhì)量，對工作面上下端頭進行封堵以便減少采空區(qū)漏風。