楊根發(fā),史東瑞,呂永強

(華亭煤業(yè)集團有限責任公司東峽煤礦,甘肅 華亭市 744100)

0 引言

采空區(qū)遺留煤體與浮煤氣體在滿足一定供氧、蓄熱條件下,自發(fā)產(chǎn)生物理與化學變化,從而導致火災(zāi)的發(fā)生。采空區(qū)自燃的發(fā)生地點難以確定,且火災(zāi)導致的高溫分布區(qū)域較大,簡單的防滅火措施難以起到良好的控制效果[1-2]。采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律為當前防滅火重點區(qū)域提供了重要的理論依據(jù),國內(nèi)學者對自燃“三帶”測定方法進行梳理,以升溫速度、氧氣濃度、漏風風速三類指標作為判定標準[3-4]。同時專家學者們對不同條件下采空區(qū)自燃“三帶”的測定及其分布規(guī)律進行了大量研究。白銘波、付田田、桂小紅、張清清等針對采煤工作面U 型與Y 型通風條件下采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律進行研究[5-8];趙建波針對采空區(qū)自燃“三帶”測定情況,提出安全推進速度與相關(guān)防火技術(shù)措施。除此之外,眾多學者也對滅火措施、“三帶”測定方法等進行了相關(guān)研究[9-14]。

因煤層賦存條件有所差異,其自燃“三帶”分布規(guī)律也會隨之變化,本文以甘肅某礦11091工作面為研究背景,對采空區(qū)自燃“三帶”進行了現(xiàn)場測試,采用現(xiàn)場埋管的方式,現(xiàn)場抽取采空區(qū)內(nèi)氣體樣品,并通過理論分析以及數(shù)據(jù)整理分析得出了工作面采空區(qū)的自然發(fā)火規(guī)律,為制定具有針對性的防滅火技術(shù)方案提供了理論依據(jù)。

1 工程概況

礦區(qū)地形迭宕起伏、切割強烈,屬于構(gòu)造侵蝕的低中山地貌。含煤地層一般出露標高為+900 m 至+1100 m,呈較開闊的縱向谷或緩坡地形。礦井可采煤層共有7層,自上而下分別是1,3,4,5,7,9,15號煤層,均存在煤與瓦斯突出風險。當前開采工作面為11091工作面,位于9號煤層,通風方式為Y 型通風,煤層吸氧量為0.62 cm3/g,自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃煤層。工作面走向長度約400 m,傾向長度約120 m,因其采空區(qū)漏風通道更加復(fù)雜多變,無法掌握采空區(qū)漏風量對自然發(fā)火規(guī)律的影響。相鄰煤層4號、9號、15號煤層特征情況見表1。

表1 相鄰煤層煤層4號、9號、15號煤層特征

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)

采空區(qū)煤自燃“三帶”分為散熱帶、氧化帶和窒息帶,其分布范圍與分布狀態(tài)的精準預(yù)測是采空區(qū)自燃防治的重要基礎(chǔ)。采空區(qū)氧氣濃度可作為自燃“三帶”劃分的重要依據(jù),其濃度的變化直觀反映采空區(qū)的漏風情況或遺留煤體的氧化環(huán)境。采空區(qū)自燃“三帶”以氧氣濃度劃分的標準是:散熱帶漏風充分,其氧氣濃度大于18%;自燃帶的氧氣濃度在8%～18%之間;窒息帶的氧氣濃度小于8%。自燃“三帶”劃分見圖1。

圖1 工作面自燃“三帶”劃分

3 測定方案與結(jié)果

3.1 采樣點布置

本次觀測先采用自動負壓采樣器對采空區(qū)內(nèi)氣樣進行獲取,抽取的氣樣由取樣球膽承載送至地面進行色譜分析測試。測試分析的氣體成分為:甲烷(CH4)、氧氣(O2)二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)。根據(jù)束管長度、孔徑及自動負壓采集器流量,對每根束管進行排氣,10 min后再進行取樣,待采空區(qū)完全進入窒息帶后,開始取樣?，F(xiàn)場采用局部布點法,于11091運輸巷與回風巷內(nèi)各布2個監(jiān)測點,其中測點1、測點2為運輸巷監(jiān)測點,測點3、測點4為回風巷測點,后進行每日取樣觀測,為期48 d,記錄在冊。此次分析主要以1號、3號監(jiān)測點數(shù)據(jù)進行分析,測點布置見圖2。

圖2 11091工作面采空區(qū)測點布置

3.2 測試結(jié)果

圖3為運輸巷觀測期間工作面推進情況與各氣體組分濃度變化。由圖3可以看出,工作面推進距離為0.8～3.2 m,平均約為2.2 m,總體推進度為104.3 m。由于推進度在發(fā)生變化,采空區(qū)氣體樣品也在不斷變化。運輸巷與回風巷所采的氣樣中CO2與CH4濃度變化呈同步增長趨勢,其中二氧化碳濃度較低,且隨著時間的增長,其濃度基本沒有任何變化,維持在0.04%～0.29%。甲烷濃度隨天數(shù)的增加呈小幅度增長,其中前10 d變化不明顯,15 d開始明顯增長,20 d時甲烷濃度占比趨于穩(wěn)定,最終穩(wěn)定在2.7%～3.7%,較測點1來看,測點3整體氣體濃度占比變化幅度較大。隨著時間的增長,氧氣濃度變化幅度較大,呈明顯的下降趨勢,測點1在23 d、43 d時氧氣濃度分別降至18%與8%,而測點3在34 d、47 d時氧氣濃度分別降至18%與8%,顯然測點3下降趨勢滯后于測點1,說明隨著工作面的推進,采空區(qū)逐漸壓實,氧氣濃度逐漸降低,同時由于回風巷距離抽采管較近,加大了巷內(nèi)漏風量,導致氧氣濃度下降緩慢。

圖3 運輸巷觀測期間工作面推進情況與各氣體組分濃度變化

圖4為氧氣濃度隨工作面推進的變化情況。由圖4可以看出,運輸巷氧氣濃度隨工作面的推進下降幅度較快,測點1氣樣中氧氣濃度降幅最快區(qū)間在工作面推進60～75 m 范圍,而測點2氣樣中氧氣濃度降幅最快區(qū)間在工作面推進65～82 m 范圍。當工作面推進至46.4 m 時,測點1 氧氣濃度已經(jīng)降至18%;當工作面推進至64.8 m 時,測點3氧氣濃度降至17.05%;當工作面推進至91 m 時,測點1氧氣濃度已經(jīng)降至8%;當工作面推進至100 m 時,測點3氧氣濃度已經(jīng)降至8%。綜合分析可以看出:運輸巷道中距測點1深46.4～91 m 為自燃帶區(qū)域,回風巷中距測點3深64.8～100 m 為自燃帶區(qū)域,回風巷中負壓抽采增大了后方采空區(qū)的漏風現(xiàn)象,導致自燃帶出現(xiàn)滯后現(xiàn)象。

圖4 氧氣濃度隨工作面推進的變化情況

圖5為一氧化碳濃度隨工作面推進的變化情況。由圖5可以看出,運輸巷中一氧化碳濃度變化總體呈先升后降的趨勢,測點1進入到46.4 m 左右時,開始迅速增加,最高達39.7%,進入到91 m后,開始迅速降低,最終降低至5.3%?；仫L巷中由于受抽采管的影響,整體一氧化碳濃度較低,在進入到100 m 前呈現(xiàn)整體緩慢上升趨勢,最高濃度達28%,當超過100 m 后,一氧化碳濃度迅速降低,最終濃度達5%。綜合各氣體組分濃度變化可以看出:氧氣濃度與一氧化碳濃度對采空區(qū)自燃“三帶”的劃分有一定的數(shù)據(jù)支撐,自燃帶氧氣濃度范圍在8%～18%,在此區(qū)間浮煤氧化速度較快,導致一氧化碳濃度迅速增加。依據(jù)該礦11091工作面測點所測數(shù)據(jù),分析得到采空區(qū)自燃“三帶”范圍,見表2。

圖5 一氧化碳濃度隨工作面推進的變化情況

表2 實測條件下的采空區(qū)自燃“三帶”的范圍

顯然,回風巷的瓦斯抽采措施增加了回風巷側(cè)后方采空區(qū)的漏風現(xiàn)象,停止抽采時,后方采空區(qū)難以進入窒息帶,從而導致自燃“三帶”的拖尾現(xiàn)象,影響防治措施的制定。因此在避免瓦斯防突的前提下,應(yīng)合理布置抽采管的抽采范圍,進而保證自燃“三帶”穩(wěn)定性。11091工作面自燃“三帶”分布情況見圖6。

圖6 11091工作面自燃“三帶”分布情況

4 采空區(qū)自燃預(yù)控措施

4.1 安全推進速度

工作面的安全推進速度對采空區(qū)氧氣濃度的變化有所影響,從而影響自燃帶范圍內(nèi)浮煤的燃燒。依據(jù)自燃帶最大寬度及其氣體組分動態(tài)變化,確定工作面的安全推進速度。9號煤層最短發(fā)火期為70 d,自燃帶最大寬度為36.2～44.6 m,正常條件下的工作面安全推進速度,即:

式中,Vmin為工作面最小推進速度,m/d;Lmax為煤自燃帶最大寬度,36.2～44.6 m;τmin為浮煤最短自然發(fā)火期,70 d。理論計算得出安全推進速度為0.52～0.64 m/d。正常條件下,工作面的推進速度大于臨界值0.52 m/d時存在自然發(fā)火的風險;當前11091工作面推進速度在0.8～3.2 m/d,遠大于臨界值,存在自然發(fā)火的風險,需加強監(jiān)測并開展防滅火措施,同時控制推進速度低于0.52 m/d。

4.2 防滅火系統(tǒng)

在現(xiàn)有的防滅火措施與總體推進度的條件下,采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃的可能性相對較低,但日常仍需加強對工作面采空區(qū)自然發(fā)火標志性氣體的監(jiān)測預(yù)報工作,防患于未然。目前國內(nèi)煤礦防滅火主要包含注氮、灌漿、注凝膠防滅火三類[15-16],大致細分如下。

(1) 氮氣可用于滅火和預(yù)防環(huán)節(jié)。國內(nèi)煤礦常用井下固定式、移動式與地面固定式、移動式四類,井下相對更具機動性,且成本較低,氮氣輸入效率更高,因此設(shè)計常采用井下移動式制氮裝置。

(2) 灌漿也可用于滅火和預(yù)防環(huán)節(jié)。其常用于正?；夭善陂g的預(yù)防性灌漿。部分煤礦安裝地面固定式灌漿防滅火系統(tǒng),系統(tǒng)包含螺桿輸送、膠體制備、儲存?zhèn)}、輸漿管網(wǎng)等部分。

(3) 凝膠材料具有冷卻、堵塞、耐化學性能的特點,可解決注水泄漏、灌漿泄漏等問題,相關(guān)設(shè)備與材料放置較為方便,適用于具有有限空間的井下條件。

5 結(jié)論

(1) 采取以氧氣濃度作為采空區(qū)自燃“三帶”的劃分標準。由于推進度的變化,采空區(qū)氣體樣品中氧氣濃度也在不斷變化,測點1 位置分別于23 d、43 d開始進入自燃帶、窒息帶,測點3 位置分別于34 d、47 d開始進入自燃帶、窒息帶。

(2) 隨著工作面的不斷推進,二氧化碳濃度維持在0.04%～0.29%,甲烷濃度最終穩(wěn)定在2.7%～3.7%,氧氣的變化幅度較大,隨著工作面的推進呈下降趨勢。當測點1、測點3在工作面分別推進至46.4 m、64.8 m 時,氧氣濃度依次降至18%,此時采空區(qū)進入自燃帶;當工作面分別推進至91 m、100 m 時,測點1、測點3氧氣濃度依次降至8%,顯然回風巷負壓抽采增加了測點3后方采空區(qū)漏風,出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象,最大自燃寬度在36.2～44.6 m。

(3) 工作面的安全推進速度對采空區(qū)氧氣濃度的變化有所影響,通過理論計算得出工作面安全推進速度應(yīng)低于0.52 m/d。在現(xiàn)有的防滅火措施與總體推進度的條件下,采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃的可能性相對較低,但日常仍需加強對工作面采空區(qū)自然發(fā)火標志性氣體的監(jiān)測預(yù)報工作。