淺埋深采空區(qū)自燃危險(xiǎn)因素及防治效果分析

許金鐘

(山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西　忻州　036500)

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淺埋深采空區(qū)自燃危險(xiǎn)因素及防治效果分析

許金鐘

(山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西忻州036500)

基于淺埋深工作面自燃防治需要，通過(guò)實(shí)驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)等技術(shù)手段，針對(duì)磁窯溝10202工作面10-2煤層的自燃特征屬性，對(duì)井下遺煤分布、漏風(fēng)及氧化區(qū)域?qū)挾冗M(jìn)行了分析，識(shí)別了淺埋深工作面的自燃危險(xiǎn)因素，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)注氮及封堵技術(shù)進(jìn)行了效果檢驗(yàn)。結(jié)果表明：1) 淺埋深工作面漏風(fēng)相對(duì)嚴(yán)重，漏風(fēng)率為4.52%. 2) 在實(shí)施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%.實(shí)踐證明，注氮及封堵技術(shù)措施對(duì)采空區(qū)煤自燃防治效果顯著。

淺埋深；采空區(qū)；自燃特征屬性；漏風(fēng)；氧化帶；注氮；封堵

我國(guó)煤礦自然發(fā)火非常嚴(yán)重，有56%的煤礦存在自然發(fā)火問(wèn)題，國(guó)有重點(diǎn)煤礦和國(guó)有地方煤礦中煤炭自燃火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總次數(shù)的94%，尤其是采空區(qū)煤自燃火災(zāi)，其發(fā)生的次數(shù)占總自燃火災(zāi)次數(shù)的60%以上[1]. 而淺埋藏煤層其工作面具有地面漏風(fēng)嚴(yán)重、煤層自燃危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)。伊茂森、張杰等[2,3]進(jìn)行了淺埋煤層采場(chǎng)礦山壓力的工程實(shí)測(cè)研究和實(shí)驗(yàn)室的相似材料模擬試驗(yàn)等研究，取得了相關(guān)的研究成果，揭示了淺埋藏單一煤層長(zhǎng)壁開(kāi)采上覆基巖整體切落及壓架機(jī)理。楊治林等[4]針對(duì)淺埋藏煤層頂板關(guān)鍵層破斷后的不平衡特性和運(yùn)動(dòng)特征，應(yīng)用初始后屈曲理論和突變理論研究了覆巖層結(jié)構(gòu)特征與不穩(wěn)定性。張鎮(zhèn)[5]結(jié)合上覆松散層載荷特征及傳遞規(guī)律，按照基巖厚度的不同，研究了開(kāi)采煤層上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，指出隨著上覆基巖厚度的增加，頂板垮落與地表下沉將越緩和，裂隙發(fā)育與地表貫通程度越低。邵小平等[6]模擬再現(xiàn)了采動(dòng)區(qū)覆巖裂隙萌生、擴(kuò)展和貫通的過(guò)程，從而形成由地表至工作面上方采空區(qū)靠頂板側(cè)的漏風(fēng)供氧通道。在采空區(qū)漏風(fēng)與自燃方面，徐會(huì)軍等[7]針對(duì)淺埋薄基巖厚煤層綜放工作面采空區(qū)的漏風(fēng)問(wèn)題，利用數(shù)值模擬及實(shí)測(cè)的方法分析了采空區(qū)流場(chǎng)與漏風(fēng)的狀況。褚廷湘等[8]基于煤巖裂隙發(fā)育，結(jié)合工作面巷道布置形式，指出隨著工作面采動(dòng)，上覆煤巖體的變形及裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，誘導(dǎo)采空區(qū)漏風(fēng)。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面[9-12]，利用能位測(cè)定及示蹤氣體，得到漏風(fēng)壓能的分布以及漏風(fēng)通道存在的模式。

本文基于磁窯溝煤礦淺埋深的特點(diǎn)，著眼于采空區(qū)遺煤自燃的防治，分析了磁窯溝采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)因素，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的防滅火技術(shù)措施，通過(guò)效果檢驗(yàn)，分析了防滅火技術(shù)的可靠性。

1　工作面概況

磁窯溝10202工作面主采10-2煤層，煤層平均厚度5.86 m，局部煤層厚度達(dá)8～10 m，一次采全高，頂板直接冒落法，工作面傾向160 m，煤層平均埋深在150 m左右。工作面平均推進(jìn)度在4.8 m/d，工作面通風(fēng)量在1 500 m3/min. 煤層自然發(fā)火期為3～6個(gè)月，煤的自燃傾向等級(jí)為自燃煤層。同時(shí)采后由于采空區(qū)冒落高度大，埋深淺，地表高低起伏嚴(yán)重，造成地表沉陷，形成大、中、小裂隙，促使井下工作面采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，上隅角一氧化碳時(shí)有涌出，影響工作面的安全回采。

磁窯溝10202工作面存在著自然發(fā)火威脅，具體體現(xiàn)在：1) 工作面所采煤層為自然發(fā)火煤層。2) 工作面特厚煤層一次采全高，平均采高5.86 m，采空區(qū)空間大，浮煤多，浮煤易達(dá)到其自燃發(fā)火期而自燃。3) 10-2煤層頂板堅(jiān)硬，容易支護(hù)，不易垮落，且垮落不嚴(yán)實(shí)，盡管開(kāi)采時(shí)通過(guò)對(duì)兩巷頂板進(jìn)行弱化處理來(lái)強(qiáng)迫放頂，但工作面中部懸頂面積仍很大，存在垂直裂隙，形成漏風(fēng)通道，使采空區(qū)漏風(fēng)大，氧化帶寬，氧化帶浮煤易氧化自燃。

2　自燃危險(xiǎn)因素分析

煤自燃是由于煤與氧接觸氧化放出熱量，在一定的蓄熱條件下，氧化升溫，當(dāng)熱量的積聚能夠滿足煤自燃發(fā)展的需要時(shí)，煤體溫度才能不斷上升，最終導(dǎo)致自燃，其過(guò)程的發(fā)展是一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，受煤層內(nèi)在及外在因素的共同作用[12].

為了分析其自燃危險(xiǎn)性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試及現(xiàn)場(chǎng)漏風(fēng)、氧氣濃度測(cè)試，分析了10202采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)因素。

2.1煤自燃屬性

通過(guò)煤的吸氧量、熱分析測(cè)試分析了遺煤的自燃氧化屬性。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用ZRJ-1型煤自燃傾向性測(cè)定儀，分析了10-2煤層的吸氧量情況，見(jiàn)表1.

表1　10-2煤層的物理吸氧量及自燃等級(jí)表

從表1可以看出，實(shí)驗(yàn)煤樣的吸氧量隨煤樣溫度的增加而增大，在30 ℃時(shí)，吸氧量為0.64 cm3g-1；在70 ℃時(shí)，吸氧量為0.89 cm3g-1. 這是因?yàn)槊簶訌某氐竭_(dá)臨界溫度(約70 ℃)是由物理吸附向化學(xué)吸附過(guò)渡階段。隨煤樣溫度增加，煤表面活性分子增加，煤與氧結(jié)合機(jī)會(huì)多，使煤表面活性分子部分發(fā)生化學(xué)吸附和化學(xué)反應(yīng)，吸氧量增大。

同時(shí)，為了識(shí)別煤在氧化升溫過(guò)程中的特征溫度及歸屬特征，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)采用STA449C熱分析儀，得出煤樣的失重曲線圖(TG曲線)，而后對(duì)失重曲線求微分可以得到失重速率曲線圖(DTG曲線)。對(duì)煤的特征溫度歸屬行為進(jìn)行了分析，見(jiàn)表2.

表2　10-2煤層特征溫度及歸屬特征表

通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)溫度上升到臨界溫度76.3 ℃時(shí)，物理吸附逐漸減弱，化學(xué)吸附增強(qiáng)，并伴隨有化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)色譜可以明顯的檢測(cè)到CO產(chǎn)生。當(dāng)煤體溫度在361.0 ℃時(shí)煤樣進(jìn)入燃燒狀態(tài)，可見(jiàn)煤層的臨界溫度及燃點(diǎn)溫度歸屬相對(duì)較低，從煤自燃來(lái)說(shuō)，煤層一旦氧化，若沒(méi)有外在因素干預(yù)易向高溫氧化發(fā)展。

2.2采空區(qū)遺煤分布

遺煤是煤體自燃的必要條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)10202工作面實(shí)際開(kāi)采情況可得出采空區(qū)的平均浮煤厚度分布情況。

1) 進(jìn)回風(fēng)巷及兩端頭支架處浮煤厚度。

(5.6-4.6)÷(1-30%)=1.42 m

2) 工作面中部回采率約為85%的平均浮煤厚度。

(5.6-4.6)×(1-85%)÷(1-30%)=0.21 m

則綜放面采空區(qū)浮煤厚度等值線圖分布見(jiàn)圖1.

圖1　采空區(qū)浮煤厚度等值線圖

根據(jù)工作面煤層厚度及回采率，計(jì)算了采空區(qū)遺煤厚度分布的情況，從圖1來(lái)看，10202采空區(qū)兩巷遺煤量較大，對(duì)采空區(qū)的自燃防治不利。

2.3采空區(qū)漏風(fēng)

淺埋深工作面對(duì)采空區(qū)自燃的影響還表現(xiàn)在漏風(fēng)。由于煤巖采動(dòng)，覆巖冒落，易于形成地面裂隙，從而形成地表通達(dá)井下采空區(qū)的漏風(fēng)通道，加之工作面兩端的壓差，使得采空區(qū)漏風(fēng)相對(duì)比較復(fù)雜，因此，為了識(shí)別工作面的漏風(fēng)情況，通過(guò)示蹤氣體，測(cè)試了工作面的漏風(fēng)情況。

根據(jù)10202工作面通風(fēng)系統(tǒng)及巷道布置情況，共設(shè)置5個(gè)SF6采樣點(diǎn)、1個(gè)SF6釋放點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖2.

圖2　工作面漏風(fēng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

SF6連續(xù)釋放流量為200 mL/min，釋放地點(diǎn)在進(jìn)風(fēng)巷距工作面60 m；采樣點(diǎn)有5處，分別在回采工作面從釋放點(diǎn)下風(fēng)流50 m處每隔30 m測(cè)定一個(gè)數(shù)據(jù)，共4個(gè)測(cè)點(diǎn)；另外在回風(fēng)巷距工作面30 m處測(cè)定一個(gè)數(shù)據(jù)。釋放點(diǎn)與1測(cè)點(diǎn)相距為50 m；30 min后測(cè)點(diǎn)按照順序可依次檢測(cè)。測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3.

表3　測(cè)定結(jié)果表

從表3中可以看到，由工作面漏入采空區(qū)又流出的風(fēng)量為65.02 m3/min，占進(jìn)風(fēng)總量的4.52%.

2.4采空區(qū)氧化帶寬度測(cè)試

通過(guò)在井下鋪設(shè)束管觀測(cè)系統(tǒng)，抽取氣體，結(jié)合氣相色譜技術(shù)，以采空區(qū)氧氣濃度為指標(biāo)[13]，識(shí)別了采空區(qū)易于自燃氧化區(qū)域分布，見(jiàn)圖3,圖4.

圖3　1#測(cè)點(diǎn)氧氣濃度及一氧化碳濃度變化特征曲線圖

圖4　2#測(cè)點(diǎn)采空區(qū)氧氣和一氧化碳濃度變化特征曲線圖

測(cè)點(diǎn)1在推進(jìn)距離為50 m時(shí)，氧氣濃度小于18%，說(shuō)明此時(shí)已進(jìn)入氧化階段；到120 m時(shí)氧氣濃度降到10%；在120～190 m保持在6%，說(shuō)明采空區(qū)氧化階段階段已經(jīng)結(jié)束，進(jìn)入窒息階段。測(cè)點(diǎn)2氧氣濃度變化趨勢(shì)幾乎與測(cè)點(diǎn)1相似。測(cè)點(diǎn)2在70 m左右，氧氣濃度降低到18%，到110 m時(shí)氧氣濃度降到10%；在150～190 m保持在6%左右。

根據(jù)氧氣濃度指標(biāo)，結(jié)合測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)2數(shù)據(jù)分析，采空區(qū)氧化帶處于50～120 m，氧化帶寬度為70 m左右，氧化帶前邊界滯后工作面50 m左右。

3　防滅火技術(shù)措施

通過(guò)實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析了10202工作面采空區(qū)遺煤自燃的主要內(nèi)在因素及外在因素，發(fā)現(xiàn)10202采空區(qū)遺煤在回采過(guò)程中存在漏風(fēng)，采空區(qū)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，因此，為了保障工作面的安全回采，根據(jù)自燃的危險(xiǎn)因素，制定了以注氮、封堵為主的防滅火技術(shù)措施。

3.1注氮防滅火技術(shù)

工作面采用埋管注氮工藝，由于采空區(qū)自燃“三帶”散熱帶寬度為工作面深入采空區(qū)50 m左右，所以，注氮釋放口確定為50～60 m. 在注氮管路每間隔50 m，設(shè)置氮?dú)忉尫湃?，定期打開(kāi)三通管閥進(jìn)行注氮?，F(xiàn)場(chǎng)也可根據(jù)實(shí)際需要選擇間歇埋管注氮進(jìn)行防滅火處理，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)釋放口埋入采空區(qū)50 m后，打開(kāi)注氮管路開(kāi)關(guān)，實(shí)施注氮，當(dāng)工作面推進(jìn)50 m后，關(guān)閉第一趟壓入管路。當(dāng)?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)50 m后向采空區(qū)注氮，并又重新埋設(shè)注氮管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。注氮管埋設(shè)及釋放口位置示意圖見(jiàn)圖5.

1—注氮主管路　2—變徑裝置　3—可彎曲軟管　4—采空區(qū)注氮管路1　5—采空區(qū)注氮管路2圖5　注氮管埋設(shè)及釋放口位置示意圖

3.2工作面堵漏技術(shù)

為防止工作面推過(guò)后采空區(qū)后方橫川漏風(fēng)，采用高強(qiáng)復(fù)合發(fā)泡封堵系統(tǒng)，以袋墻為框架填充高強(qiáng)度發(fā)泡混凝土。對(duì)采空區(qū)上下隅角、橫川填充封閉從而有效地隔絕采空區(qū)的漏風(fēng)，縮短氧化帶。同時(shí)，定期對(duì)開(kāi)采工作面地表塌陷區(qū)進(jìn)行檢查，建立地表塌陷區(qū)檢查、回填記錄，并保留現(xiàn)場(chǎng)照片。對(duì)人工難以填堵的大裂縫采用機(jī)械進(jìn)行回填，防止因地表塌陷造成采空區(qū)漏風(fēng)。

4　防滅火效果檢驗(yàn)

磁窯溝礦對(duì)工作面主要采取了注氮、噴灑阻化劑、封堵的防滅火措施，為了檢驗(yàn)防滅火措施實(shí)施后的效果，以采空區(qū)氧化帶寬度為指標(biāo)，進(jìn)行了效果分析。采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)曲線圖見(jiàn)圖6.

圖6　采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)曲線圖

根據(jù)氧氣濃度判斷，在采取防滅火技術(shù)措施后，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃“三帶”范圍是：散熱帶0～26 m；氧化帶26～74 m；窒息帶74 m以內(nèi)。氧化帶寬度為48 m. 防滅火措施之前，測(cè)試采空區(qū)的氧化帶范圍為50～120 m，采空區(qū)氧化帶寬度為70 m左右。通過(guò)對(duì)比分析可知，在實(shí)施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%.

5　結(jié)　論

通過(guò)對(duì)淺埋深10202采空區(qū)遺煤自燃的分析，得到以下結(jié)論：

1) 通過(guò)實(shí)驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)地分析了煤層自燃特征屬性，并基于示蹤氣體、采空區(qū)氣體檢測(cè)，分析了工作面的漏風(fēng)特征及采空區(qū)氧化區(qū)域的分布，識(shí)別了10202采空區(qū)遺煤自燃相關(guān)危險(xiǎn)因素。

2) 根據(jù)采空區(qū)氧化帶寬度在防滅火措施實(shí)施前后的變化，對(duì)采空區(qū)注氮及堵漏技術(shù)進(jìn)行了效果分析，通過(guò)實(shí)測(cè)在實(shí)施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%，說(shuō)明注氮及封堵技術(shù)措施對(duì)采空區(qū)煤自燃防治效果顯著。

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Analysis on Risk Factors and Prevention Effects of Spontaneous Combustion in Shallow Coal Seam Mining Goaf

XU Jinzhong

Based on the needs of spontaneous combustion prevention in shallow seam mining goaf working face, through experiment and field measurement techniques, aiming at spontaneous combustion characteristics of 10-2coal seam in Ciyaogou coal mine 10202 working face, analyzes the left coal distribution, air leakage and the oxidation zone width. Recognizes the risk factors of spontaneous combustion in shallow seam working face. And on the basis, tests the effects of nitrogen injection and blocking technology. The results show that 1) the air leakage of shallow seam working face is relatively serious, the air leakage rate is 4.52%. 2) after the implementation of nitrogen injection and blocking technology for fire prevention, the oxidation zone width of goaf is from the previous 70 m down to 48 m, the oxidation zone width decreases 31.4%. Practice proves the effectiveness of nitrogen injection and blocking technology for coal spontaneous combustion prevention.

Shallow coal seam mining; Goaf; Spontaneous combustion characteristics; Air leakage; Oxidation zone; Nitrogen injection; Plugging

2016-04-11

許金鐘(1985—)，男，河北懷來(lái)人，2013年畢業(yè)于山西大同大學(xué)，助理工程師，主要從事礦井通風(fēng)安全等工作

(E-mail)475061552@qq.com

TD75+2

B

1672-0652(2016)05-0039-05