鄭立永，田中華，朱紅金，連 鵬，樊 超，楊政軍

(北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013)

我國厚煤層產(chǎn)量占煤炭總產(chǎn)量的40%左右[1]，厚煤層綜放開采回收率低一直是我國煤炭開采面臨的重大難題[2，3]。厚煤層綜合放頂開采會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)遺留大量浮煤[4]，特別是開采淺埋的特厚煤層，采空區(qū)容易出現(xiàn)大規(guī)模漏風(fēng)[5-7]，采空區(qū)頂部容易聚集氧氣，這進(jìn)一步增加了采空區(qū)立體空間的煤自然發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)。

研究特厚煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分對(duì)防治采空區(qū)遺煤自燃具有重大意義。趙亞杰[8]研究了地表漏風(fēng)影響下淺埋特厚煤層綜放工作面采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律、采空區(qū)氣體分布規(guī)律以及采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍；孫珍平[9]通過在鄰空巷道向鄰近采空區(qū)鉆孔抽氣對(duì)特厚煤層均壓綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了研究，得到了均壓與負(fù)壓通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律；柳東明[10]通過對(duì)某工作面采空區(qū)自燃“三帶”的觀測，得到了淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)遺煤氧化情況及其危險(xiǎn)區(qū)域；葛學(xué)瑋[11]、李崇茂等[12]采用綜合現(xiàn)場和數(shù)值模擬方法，基于氧濃度劃分了特厚煤層綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍。

以上研究對(duì)于劃分淺埋特厚煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”具有重要參考價(jià)值，但是基于淺埋特厚煤層工作面采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重和丟煤較多的特點(diǎn)，采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律發(fā)生了較大變化[5]，不僅需要考慮水平方向，也需要考慮垂直方向。此外，近些年的研究中，很少涉及淺埋特厚煤層工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的立體分布。鑒于此，筆者采用理論分析、實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場相結(jié)合的方法，以五家溝煤業(yè)15304特厚工作面為背景，進(jìn)行采空區(qū)水平自燃“三帶”和垂直自燃“三帶”的劃分，研究結(jié)果對(duì)于提高采空區(qū)自燃“三帶”的準(zhǔn)確度和指導(dǎo)淺埋特厚煤層的煤自燃防治具有重要意義。

1 工作面概況

山西朔州山陰金海洋五家溝煤業(yè)開采的5-1煤層為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為69 d，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)。5-1煤層的瓦斯絕對(duì)涌出量為3.57 m3/min，相對(duì)涌出量為0.53 m3/t，回采最大絕對(duì)涌出量為0.75 m3/min，掘進(jìn)最大絕對(duì)涌出量0.21 m3/min，屬低瓦斯煤層。5-1煤層厚10.0～14.05 m，平均厚12.0 m，厚度變化大，煤層傾角0°～4°，傾角平均2°，平均埋深120 m，屬淺埋特厚近水平煤層。目前正在回采的15304工作面采用傾斜長壁后退式綜合機(jī)械化放頂煤開采工藝。

2 理論分析與觀測方法

采用氧氣濃度劃分采空區(qū)“自燃”三帶是現(xiàn)場的常用方法[8-12]。采空區(qū)內(nèi)存在維持浮煤氧化的最低氧濃度，即極限氧濃度Cmin。當(dāng)周圍環(huán)境氧濃度低于Cmin時(shí)，煤因缺氧而不能自燃，Cmin可通過煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)測定。采空區(qū)漏風(fēng)會(huì)使煤自熱產(chǎn)生的熱量不斷耗散，即使氧氣充足，也難以自燃。因此還存在一個(gè)使煤體自燃的上限氧濃度Cmax。于是采空區(qū)自燃“三帶”可劃分為：散熱帶氧濃度大于Cmax；氧化帶氧濃度處在Cmin與Cmax之間；窒息帶氧濃度小于Cmin。

2.1 煤自燃氧濃度閾值的確定

煤在低溫下的氧化反應(yīng)十分復(fù)雜，煤自燃時(shí)的氧化升溫速度需滿足[13]：

ρccc(?T/?τ)=q(Tc)+div[λcgrad(Tc)]-

div(ρgcgTc)≥0

(1)

式中，ρc為松散煤體的密度，kg/m3；cc為松散煤體的比熱容，J/(g·℃)；q(Tc)為實(shí)驗(yàn)測定的放熱強(qiáng)度，J/(m3·s)；Tc為煤的平均溫度，℃；λc為松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)，J/(s·m·℃)；ρg為工作面風(fēng)流密度，kg/m3；cg為工作面風(fēng)流比熱容，J/(g·℃)。

其中，煤的氧化放熱強(qiáng)度與氧濃度的關(guān)系為[13]：

在煤氧化過程中，假設(shè)氧氣除了參與生成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)外，其余部分均被化學(xué)吸附[14]，其反應(yīng)過程可為：

煤+O2→CO+CO2+熱量

(3)

在不考慮煤氧化反應(yīng)過程中的其他中間反應(yīng)時(shí)，放熱強(qiáng)度q0(Tc)可采鍵能平衡法估算[14，15]：

式(4)中的CO和CO2在溫度T時(shí)的焓差可根據(jù)基爾霍夫定律求解[16]：

(5)

式中，T為系統(tǒng)溫度，K；λA為化學(xué)方程式中物質(zhì)A的系數(shù)，反應(yīng)物系數(shù)取正值，產(chǎn)物系數(shù)取負(fù)值；Δh(A)為在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下物質(zhì)A的摩爾熱容，J/(mol·K)。

于是：

式中，Δh(C)為C的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容，取8.52 J/mol；Δh(O2)為O2的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容，取29.38 J/mol；Δh(CO)為CO的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容，取29.14 J/mol；Δh(CO2)為CO2的標(biāo)準(zhǔn)摩爾熱容，取37.13 J/mol。

將式(2)帶入式(1)得：

將采空區(qū)傳熱簡化為無限大平板的一維傳熱，則煤自燃的上、下限氧濃度為[18]：

因此，可根據(jù)式(4)—式(10)計(jì)算出煤的氧化放熱強(qiáng)度，從而進(jìn)一步求解出煤發(fā)生自燃的上、下限氧濃度。

2.2 煤自燃程序升溫實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)煤樣取自五家溝煤業(yè)15304工作面輔運(yùn)巷，取樣方法依據(jù)《煤層煤樣采取方法》(GB 482—1995)執(zhí)行。新鮮煤樣由保鮮膜包裹被運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室，依據(jù)《煤樣的制備方法》(GB 474—2008)制成0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm的4種煤粒共計(jì)1 kg，密封保存。選用4種粒徑等比例混合的煤樣進(jìn)行自然發(fā)火模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。

圖1 煤樣低溫氧化升溫裝置

在煤樣升溫之前，將煤樣罐中的煤樣注入流量為120 mL/min的N2氣氛(99.99%)中干燥9 h，干燥溫度設(shè)定為105 ℃。煤樣干燥程序結(jié)束后，待煤樣完全冷卻至室溫(20 ℃)，便開始注入干空氣(120 mL/min)進(jìn)行升溫實(shí)驗(yàn)，升溫速率為1 ℃/min，直到溫度升至200 ℃。每升高10 ℃恒定溫度3 min，再收集出口氣樣，采用氣相色譜儀分析氣體成分。

2.3 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度推算

采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度受到風(fēng)壓、風(fēng)速、采空區(qū)孔隙等影響，在現(xiàn)場測量過程中一般采用氧濃度測算法[13]，即在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)各布置一對(duì)間距為10 m的固定測點(diǎn)，通過隨著工作面的推移實(shí)測采空區(qū)測點(diǎn)的氧濃度和實(shí)驗(yàn)煤樣的耗氧速度，來推算出采空區(qū)松散煤體的漏風(fēng)強(qiáng)度，其計(jì)算式為[13]：

2.4 采空區(qū)立體自燃 “三帶”觀測方案

在15304工作面進(jìn)、回風(fēng)巷水平方向上設(shè)置煤自燃“三帶”觀測點(diǎn)各3個(gè)，水平間距為20 m。氣體監(jiān)測束管沿著兩幫鋪設(shè)，采用4寸鋼管作為套管進(jìn)行保護(hù)。測點(diǎn)布置如圖2所示。

圖2 15304工作面采空區(qū)水平方向布置的測點(diǎn)

在采空區(qū)垂直方向上，煤巖狀態(tài)從下至上可劃分為垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，其中垮落帶為煤炭發(fā)生自燃的區(qū)域。因此，設(shè)計(jì)垂直方向上自燃“三帶”測定的鉆孔高度首先需計(jì)算垮落帶高度?？迓鋷У墓浪闶綖閇19]：

式中，M為煤層平均開采厚度，取12 m；kp為巖石碎脹系數(shù)，一般取1.2～1.4[20]；α為煤層傾角，取0°～4°。

經(jīng)估算，五家溝煤礦15304工作面采空區(qū)的平均垮落帶高度為30～60 m。

根據(jù)現(xiàn)場情況，分別在15304工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷的一處硬幫巷道，各設(shè)計(jì)1個(gè)2 m×2 m×2 m的鉆場；然后在鉆場面對(duì)工作面各施工5個(gè)?100 mm的觀測孔，并安裝內(nèi)部含有束管的DN60 mm×5 mm無縫鋼管。同時(shí)，在上、下隅角附近的支架向采空區(qū)布置水平含有束管的鋼管(DN60 mm×5 mm)，觀測位置與進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷布置的鉆孔處于同一垂面。當(dāng)工作面推進(jìn)到離鉆場50 m時(shí)開始取樣分析，直到工作面推到鉆場為止。依據(jù)垮落帶高度，鉆孔布置參數(shù)見表1。

3 自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布

3.1 煤樣程序升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果

煤樣升溫過程中，O2、CO、CO2濃度隨溫度的變化如圖3所示，耗氧和放熱速率如圖4所示。O2濃度隨著煤溫的升高而逐漸降低，CO和CO2濃度、耗氧速率和放熱速率則與之相反。煤樣溫度在約120 ℃之后，氣體釋放量增大，耗氧速率和放熱速率快速增大，表明煤樣進(jìn)入了劇烈氧化階段。

圖3 氣體濃度與溫度的關(guān)系

圖4 耗氧速率、放熱速率與溫度的關(guān)系

3.2 采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)

通過現(xiàn)場觀測和實(shí)驗(yàn)測試，采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度如圖5所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度隨著與工作面距離越遠(yuǎn)而逐漸降低，漏風(fēng)強(qiáng)度最大之處靠近工作面，在同一采空區(qū)深度，回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度比進(jìn)風(fēng)側(cè)的小。通過煤樣放熱強(qiáng)度、氣體變化情況和采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度，采空區(qū)煤自燃的上、下限氧濃度如圖6所示。由圖6可知，煤自燃上、下限氧濃度呈拋物線型，即隨著煤溫的升高呈現(xiàn)先升高后逐漸減少的趨勢(shì)，當(dāng)煤樣溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，達(dá)到了相應(yīng)的上限氧濃度(18.05%)和下限氧濃度(5.95%)。這意味著維持煤樣氧化的上、下限氧濃度需要煤樣的溫度為70 ℃，如果氧氣沒有達(dá)到相應(yīng)的濃度，煤釋放的熱量就會(huì)被耗散或難以發(fā)生氧化反應(yīng)。

圖5 采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度

圖6 極限氧濃度與溫度的關(guān)系

3.3 采空區(qū)氧濃度分布

通過現(xiàn)場觀測，采空區(qū)水平方向和垂直方向的氧濃度分布結(jié)果如圖7、圖8所示。在圖7中，采空區(qū)水平方向的氧濃度隨著測點(diǎn)埋深的增加而減少；在距離工作面30 m左右，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧濃度就開始下降，到45 m左右，氧濃度更是進(jìn)一步降低，這是采空區(qū)內(nèi)的垮落帶逐漸被壓實(shí)，采空區(qū)的漏風(fēng)減少造成的；在回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)氧氣濃度下降的幅度比進(jìn)風(fēng)側(cè)更大，這是因?yàn)楣ぷ髅骘L(fēng)阻的存在，導(dǎo)致了回風(fēng)側(cè)的風(fēng)壓較進(jìn)風(fēng)側(cè)的低，從而出現(xiàn)了進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)流更容易流入采空區(qū)，這意味著進(jìn)風(fēng)側(cè)的煤自燃危險(xiǎn)性更大。在圖8中，采空區(qū)垂直方向上氧濃度的變化規(guī)律和水平方向的氧濃度變化類似，但前者氧濃度隨著高度的增加，其降低幅度更加大，這種差異可能是風(fēng)流在垂直方向的速度比水平方向的速度小引起的。

圖7 采空區(qū)水平方向氧濃度的變化規(guī)律

圖8 采空區(qū)垂直測點(diǎn)氧濃度的變化規(guī)律

3.4 采空區(qū)立體自燃“三帶”范圍

結(jié)合前述分析，15304工作面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍見表2。由表2可知，15304工作面采空區(qū)氧化帶在傾向上是不對(duì)稱的，水平與豎直方向的氧化帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)距離工作面下隅角較遠(yuǎn)，在回風(fēng)側(cè)距離工作面上隅較近，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬于回風(fēng)側(cè)氧化帶，進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)煤自燃風(fēng)險(xiǎn)較回風(fēng)側(cè)的大。根據(jù)氧化帶和煤自燃最短發(fā)火期，工作面最小安全推進(jìn)速度為1.64 m/d。

表2 15304工作面采空區(qū)立體自燃“三帶”劃分結(jié)果

在現(xiàn)場觀測期間，15304工作面的平均推進(jìn)速度為2.4 m/d，盡管該推進(jìn)速度大于最小安全推進(jìn)速度，但仍存在煤自然發(fā)火危險(xiǎn)，因此，在采取注漿、注氮等防滅火措施時(shí)，應(yīng)提高灌注高度，并擴(kuò)大灌注范圍，確保防滅火措施的可靠性。

4 結(jié) 論

1)通過煤樣低溫氧化升溫實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場觀測，五家溝煤業(yè)5-1號(hào)煤層的煤自燃上、下限氧濃度分別為18.05%、5.95%，該結(jié)果為15304工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”的劃分提供了依據(jù)。

2)15304工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”具有立體分布特征。在水平方向上，采空區(qū)自燃“三帶”回風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶，0～14 m；氧化升溫帶，14～75 m；窒息帶，大于75 m；進(jìn)風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶，0～45 m；氧化升溫帶，45～158 m；窒息帶，大于158 m；在豎直方向上，采空區(qū)自燃“三帶”回風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶，0～4 m；氧化升溫帶，4～37 m；窒息帶，大于37 m；進(jìn)風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶，0～6 m；氧化升溫帶，6～42 m；窒息帶，大于42 m。

3)依據(jù)采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果，五家溝煤業(yè)15304工作面的最小安全推進(jìn)速度為1.64 m/d，當(dāng)工作面推進(jìn)速度低于最小安全推進(jìn)速度時(shí)，應(yīng)該進(jìn)一步采取防滅火措施，確保防滅火工作的可靠性。