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        束管監(jiān)測華勝煤礦3203回采工作面采空區(qū)自然發(fā)火情況

        2022-04-07 10:09:02趙基國
        2022年4期
        關鍵詞:束管風量采空區(qū)

        趙基國

        (山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司,山西 臨汾 041206)

        采空區(qū)自燃“三帶”觀測是工作面防火的重要手段之一,當前常用的觀測方法為測溫法和測氣體濃度法兩種[1]。測溫法、測氣體濃度法主要是在采空區(qū)預埋一定數量的熱電偶、抽氣管來實現(xiàn)測試采空區(qū)內各點溫度、氣體(主要是O2、CO等)濃度變化的目的,再根據觀測數據繪制等溫線、氣體濃度等值線,進而劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

        對于測溫法,由于連接信號采集器與熱電偶間的導線較細,在生產過程中很容易被損壞,易導致觀測工作的失敗,故這一方法目前使用較少。而使用測氣體濃度法時,抽氣管的保護較易實現(xiàn),故這一方法得到了較廣泛的應用。為深入研究礦井采空區(qū)不同位置處氣體成份組成、提高采空區(qū)內部監(jiān)測范圍精度、進一步深入分析采空區(qū)“三帶”的變化規(guī)律,本文在華勝礦3203工作面利用多芯束管同時監(jiān)測的方法,對采空區(qū)內部不同位置的情況進行實時監(jiān)控,為工作面防滅火工作提供指導。

        1 3203回采工作面概況

        華勝煤業(yè)位于山西省蒲縣縣城東部20 km處,行政區(qū)劃屬喬家灣鄉(xiāng)管轄。生產規(guī)模90萬t/a,面積8.961 1 km2。工作面北側為3202工作面,已回采,該工作面無地質構造,工作面主要水源為上覆含水層補給,涌水量2 m3/h;工作面西側為實體煤層,南側為3204工作面未開采煤層及小煤窯破壞區(qū),主要水源為上覆含水層補給,東側為3條大巷。傾斜長度199 m,走向可采長度500 m,平均采高2.4 m。采用走向長壁綜采一次采全高后退式回采,全部冒落法管理頂板。最短自然發(fā)火期為51 d。

        2 采空區(qū)自燃“三帶”監(jiān)測

        2.1 束管布置

        2.1.1 束管測點位置布置

        在綜合考慮工作面現(xiàn)狀和礦井現(xiàn)有設施的基礎上,擬準備在工作面上、下隅角區(qū)域布置采樣束管。隨著工作面的推進,束管進入采空區(qū),通過束管采樣,分析采空區(qū)不同位置束管氣體成份[2],確定CO、CH4、O2等氣體濃度,判斷采空區(qū)煤自燃狀態(tài),根據O2濃度的變化規(guī)律,確定采空區(qū)自燃危險區(qū)域和窒息帶的范圍分布[3]。

        束管共有8組,分別設置在進風巷道和回風巷道內,隨著工作面推進,每間隔20 m預埋1個三通(保護管),長10 cm,內置1根束管,能夠監(jiān)測160 m范圍。置入采空區(qū)的束管需放置在2寸保護鐵管中,鐵管沿底板靠外幫一側放置。利用已有束管系統(tǒng)自動采樣(或者采用移動式采樣泵或真空泵逐點人工采樣),通過地面氣相色譜分析采樣氣體成份。多芯束管可監(jiān)測的采空區(qū)范圍為0~300 m,8組同時監(jiān)測的范圍為0~160 m,工作面束管布置示意見圖1。

        2.1.2 束管采樣口布置

        在工作面上、下隅角區(qū)域預先埋設采樣束管,同時每間隔20 m位置留出1個束管取樣口,三通保護及氣體取樣管的設置見圖2。隔離密封材料可采用橡膠塞或者適量黃泥,在完成密封后應檢查各個束管通氣性。

        圖1 工作面束管監(jiān)測測點布置示意

        圖2 三通保護及氣體取樣管示意

        2.1.3 觀測實施方案

        上、下風巷束管布置完畢后,第一個束管進入工作面后開始采樣,采樣主要使用礦井原有的束管系統(tǒng),自動采樣、自動分析。測試主要氣體包括O2、CO、CH4等濃度值,記錄各測點距離工作面位置,以及各個樣本組分的分析結果及時間。將各測點、各組分的分析結果在坐標紙上標注,以掌握各測點、各組分氣體濃度的變化趨勢。整個采樣工作從第一點開始直至工作面回采過第一采樣點300 m。當采空區(qū)內某一測點氣樣中的O2濃度值穩(wěn)定并低于8%時,認為該處已經進入采空區(qū)窒息帶內,隨即停止該點的觀測工作,并將該點至工作面距離作為采空區(qū)危險帶寬度的參考依據。

        2.2 工作面束管監(jiān)測結果分析

        1) 采空區(qū)自燃危險區(qū)域。一般學者認為以氧濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”的標準是:通風散熱帶為C(O2)≥18%;自燃帶為18%>C(O2)>10%;窒息帶為C(O2)<10%[1]。華勝礦3203工作面“三帶”束管觀測結果如圖3和圖4所示。

        束管監(jiān)測期間,工作面配風量2 300 m3/min左右,進風側采空區(qū)0~59 m,C(O2)≥18%,為通風散熱帶;59~105 m,18%>C(O2)>10%,為氧化自燃帶;105 m之后,C(O2)<10%,為窒息帶;回風側采空區(qū)0~40 m,C(O2)≥18%,為通風散熱帶;40~81 m,18%>C(O2)>10%,為自燃帶;81 m之后,C(O2)<10%,為窒息帶。

        圖3 采空區(qū)深部氧氣濃度隨工作面距離變化關系

        由圖3可知,隨著工作面向前推進,采空區(qū)內氧濃度逐漸降低。在同一測點,進風側氧濃度高于回風側,可以認為進風側氧濃度的降低速度更慢。進風側氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關系回歸曲線為:

        y=7×10-8x4-3×10-5x3+0.001 8x2-0.081 3x+21.155

        回風側氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關系回歸曲線為:

        y=3×10-9x4-2×10-5x3+0.004 2x2-0.112 6x+19.267

        工作面壓注液態(tài)CO2期間,采空區(qū)深部O2濃度隨工作面距離變化關系如圖4所示。從圖中可看出,進風側采空區(qū)0~30 m,C(O2)≥18%,為通風散熱帶;30~66 m,18%>C(O2)>10%,為氧化自燃帶;66 m之后,C(O2)<10%,為窒息帶;回風側采空區(qū)0~10 m,C(O2)≥18%,為通風散熱帶;10~32 m,18%>C(O2)>10%,為自燃帶;32 m之后,C(O2)<10%,為窒息帶。

        圖4 壓注CO2后采空區(qū)深部氧濃度隨工作面距離變化曲線圖

        壓注液態(tài)CO2后進風側氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關系回歸曲線為:

        y=5.3×10-7x4-8.8×10-5x3+0.002 9x2-0.127x+20.964

        壓注液態(tài)CO2后回風側氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關系回歸曲線為:

        y=-7×10-7x4+1×10-4x3-0.004 6x2-0.325 6x+21.451

        2) 工作面極限推進速度確定。采空區(qū)的“三帶”隨工作面的推進向前移動,煤自燃發(fā)火期51 d,以自燃帶距工作面最遠105 m計算,工作面月推進速度應大于58 m,可以避免三帶中的遺煤發(fā)生自燃。

        因此,若工作面推進速度高于1.72 m/d,采空區(qū)就不會發(fā)生煤炭自燃事件,否則就有可能自燃發(fā)火。按照工作面實際計劃,3203工作面平均日推進度為5.3 m,速度遠遠超過采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃現(xiàn)象時的臨界推進速度,因此在正常開采條件下,不會引起浮煤自燃。

        如圖5所示,工作面回采期間保持較高的推進速度,月進尺約120 m,工作面采空區(qū)未觀測到CO。束管監(jiān)測區(qū)域(退尺780~970 m),CO濃度得到了很好的控制。工作面正?;夭善陂g上隅角CO濃度為(4~76)×10-6,平均18×10-6,CO峰值出現(xiàn)在工作面停采收作期間。

        圖5 束管監(jiān)測期間工作面上隅角CO濃度變化曲線圖

        圖6為工作面回采期間回風瓦斯?jié)舛扰c工作面風量隨工作面退尺變化關系。工作面配風量基本為2 200~3 000 m3/min,在工作面停產期間配風量下調至680~1 500 m3/min,回風瓦斯?jié)舛然镜陀?.5%.實現(xiàn)了煤層安全高效生產。

        圖6 工作面回風瓦斯?jié)舛扰c風量隨退尺變化關系曲線圖

        3 結 語

        通過在工作面采空區(qū)布置束管監(jiān)測采空區(qū)內部氣體含量變化情況,得到了采空區(qū)內部氣體成分隨時間的變化規(guī)律,能夠較為準確地預測預報采空區(qū)內煤炭自燃情況,掌握采空區(qū)自燃“三帶”發(fā)展動態(tài),及時制定工作面推進速度調整方案或防滅火計劃。

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