色連煤礦采空區(qū)自燃“三帶”劃分與火災(zāi)防治

許宏

0 引言

色連一礦位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯市東勝區(qū)罕臺鎮(zhèn)附近，具有典型的沖溝發(fā)育地貌，該地質(zhì)特征縮短了工作面周期來壓步距，進(jìn)而影響了采空區(qū)自燃“三帶”的范圍。煤層的吸氧量在0.46 cm3/g～0.95 cm3/g，自然發(fā)火期為40天～60天，屬易自燃煤層，在開采過程中存在采空區(qū)遺煤自然發(fā)火問題。為了保證礦井安全高效回采，防止采空區(qū)遺煤自燃，對2-2上煤層8101工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分很有必要。

目前，采空區(qū)自燃“三帶”的劃分一般有三種。其中基于氧體積分?jǐn)?shù)的標(biāo)準(zhǔn)最為常用，一般以18%作為劃分散熱帶和氧化帶的標(biāo)準(zhǔn)，以7%作為劃分氧化帶和窒息帶的標(biāo)準(zhǔn)[1]。因此，確定采空區(qū)自燃“三帶”的范圍和選擇合適的防滅火方案，對于防止采空區(qū)遺煤自燃具有重要意義。

1 工作面概況

2-2上煤層8101工作面為我礦首采工作面，傾斜長度280 m，走向長度2 008 m，煤層埋深135 m，平均厚度3.84 m，傾角1°～3°，煤層賦存穩(wěn)定。工作面頂板巖性主要為粉砂巖和細(xì)粒砂巖，底板巖性主要為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖。煤層灰分14.38%，揮發(fā)分34.73%，干基硫0.49%，具有爆炸危險(xiǎn)性。工作面采用U型通風(fēng)方式，工作面設(shè)計(jì)風(fēng)量2 364 m3/min；采用單一傾向長壁后退式大采高綜合機(jī)械化采煤方法，依據(jù)頂板類型選擇自然垮落法結(jié)合人工強(qiáng)制放頂管理采空區(qū)頂板。

2 監(jiān)測束管布置方式

工作面采用束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)氣體進(jìn)行監(jiān)測，以CO、C2H4、C2H2三種氣體作為自然發(fā)火的預(yù)報(bào)指標(biāo)氣體[2]。根據(jù)8101工作面的具體情況，分別在進(jìn)、回風(fēng)順槽下幫、上幫，從工作面煤壁位置開始每隔50 m布置一根監(jiān)測束管，隨工作面開采進(jìn)入采空區(qū)，可測定采空區(qū)范圍大約距工作面150 m左右，進(jìn)、回風(fēng)順槽同時(shí)觀測。采空區(qū)布置測點(diǎn)隨工作面推進(jìn)進(jìn)入采空區(qū)，當(dāng)測點(diǎn)采空區(qū)氧濃度降到5%后，斷開該測點(diǎn)，重新布置采樣探頭。埋入采空區(qū)的束管要用DN25—50的鋼管加以保護(hù)，防止損壞束管。具體布置方案見圖1。

圖1 8101工作面束管監(jiān)測系統(tǒng)布置

3 束管測定結(jié)果分析

監(jiān)測束管的取氣口與真空泵連接，通過真空泵將現(xiàn)場抽取到的各個(gè)測點(diǎn)氣樣收集到集氣袋內(nèi)，氣樣送至檢測實(shí)驗(yàn)室，采用GC4085型氣相色譜儀進(jìn)行化驗(yàn)分析。本文將根據(jù)工作面采空區(qū)布置的束管監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測的氧氣濃度數(shù)據(jù)來進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，利用Origin軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理與分析。具體的氧氣濃度見表1。

（1）采空區(qū)O2濃度變化分析

通過分析表1可以得出：在推進(jìn)距離工作面切頂線24 m范圍內(nèi)，O2濃度在18%以上，濃度較高，這是由于色連一礦屬于沖溝發(fā)育地貌，采空區(qū)隨采隨冒，因此8101工作面采空區(qū)長度較短，漏風(fēng)對其貫通能力較強(qiáng)，散熱充分，此時(shí)測點(diǎn)處于散熱帶。隨著推進(jìn)距離不斷增加，O2濃度呈現(xiàn)下降趨勢，這是因?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)垮落的矸石逐漸被壓實(shí)，漏風(fēng)減小。伴隨著煤與O2的氧化反應(yīng)，O2濃度不斷下降，測點(diǎn)逐漸進(jìn)入氧化升溫帶。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)至60 m左右，垮落矸石壓實(shí)程度加強(qiáng)，這一區(qū)域的漏風(fēng)量更小，煤與O2會繼續(xù)發(fā)生氧化反應(yīng)，消耗一定量的O2，此時(shí)的O2濃度更低，測點(diǎn)進(jìn)入窒息帶?？傮w上來看，對8101大采高工作面O2濃度的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果較為準(zhǔn)確顯示采空區(qū)氧氣分布狀況，可作為工作面采空區(qū)“三帶”劃分的主要依據(jù)。

表1 束管監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)測O2和CO濃度數(shù)據(jù)表

（2）采空區(qū)CO濃度變化分布

各測點(diǎn)的CO濃度和采空區(qū)深度的關(guān)系如圖2所示：

圖2 CO濃度和采空區(qū)深度關(guān)系

對各測點(diǎn)所測得的CO體積分?jǐn)?shù)匯總后可知：①隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)由外向內(nèi)CO濃度逐漸增大；②進(jìn)風(fēng)側(cè)的體積分?jǐn)?shù)低于回風(fēng)側(cè)；③由回風(fēng)側(cè)各測點(diǎn)的CO體積分?jǐn)?shù)可知，在距工作面20 m左右，CO體積分?jǐn)?shù)較低且變化緩慢，說明這個(gè)范圍漏風(fēng)大，采空區(qū)處于散熱帶；在距工作面切頂線20 m～60 m采空區(qū)范圍內(nèi)，隨著距離的增大，CO體積分?jǐn)?shù)增長較快，說明采空區(qū)遺煤逐漸氧化，進(jìn)入氧化帶，當(dāng)距離工作面切頂線60 m采空區(qū)范圍后，CO濃度隨著向采空區(qū)深度的增加而變緩，說明采空區(qū)進(jìn)入窒息帶。

4 采空區(qū)“三帶”劃分

為了得到各個(gè)束管測點(diǎn)在某個(gè)氧濃度時(shí)的確切的位置，本文利用Origin軟件將各個(gè)束管測點(diǎn)監(jiān)測到的氧氣濃度實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)值擬合[3]，詳見圖3。通過擬合曲線方程可以確定束管在采空區(qū)其它氧濃度距工作面的距離。

圖3 2101巷和5101巷測點(diǎn)擬合圖形以及方程

2101巷、5101巷測點(diǎn)擬合曲線的擬合度[4]分別為0.9677，0.9778，曲線擬合度高。

根據(jù)上圖各測點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合曲線以及方程可以得到采空區(qū)內(nèi)部各點(diǎn)的氧氣濃度值，分別取了四個(gè)氧氣濃度值，分別為18%、15%、11%、7%。詳見19頁表2。

表2 采空區(qū)內(nèi)束管監(jiān)測系統(tǒng)中各測點(diǎn)氧濃度分布表

空區(qū)自燃“三帶”中劃分散熱帶和氧化帶的指標(biāo)一般認(rèn)為是氧濃度為18%，劃分氧化帶和窒息帶的指標(biāo)為氧濃度7%，在表2中還取到了氧濃度為15%和11%兩個(gè)值[5]，可以更加清楚地了解氧化帶內(nèi)的氧濃度的分布。依據(jù)表2的數(shù)據(jù)和采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，可以得到四條不同氧氣濃度的等值線，如圖4。

圖4 8101工作面采空區(qū)氧濃度等值線

由采空區(qū)內(nèi)部各點(diǎn)的氧氣濃度值可以得出8101采空區(qū)自燃“三帶”的劃分，散熱帶為進(jìn)風(fēng)順槽距切頂線22.29 m，回風(fēng)順槽距切頂線18.14 m，范圍大致在工作面切頂線后0 m～22 m；氧化帶的寬度大約為40 m，室息帶為進(jìn)風(fēng)順槽距切頂線63.66 m，回風(fēng)順槽距切頂線58.78 m，范圍大致在距工作面切頂線63 m以后。

5 工作面滅火方案的確定

根據(jù)以上實(shí)測的采空區(qū)氧氣濃度情況和對工作面采空區(qū)自燃“三帶”的劃分可知，當(dāng)采空區(qū)距工作面切頂線63 m左右，即可進(jìn)入窒息帶。采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度下降緩慢，氧化帶寬度大約為40 m,不利于防止采空區(qū)煤炭自燃。為了降低氧氣濃度，抑制遺煤自燃，采用埋管注氮防滅火技術(shù)[6]。

結(jié)合我礦的實(shí)際情況，安排生產(chǎn)班連續(xù)注氮16 h，檢修班停止注氮。選用3套FDA-1500/97型井上固定變壓吸附式制氮裝置，2套工作，1套備用，注氮量為800 m3/h,濃度97%，供氮壓力為0.85 MPa，氮?dú)廨斔凸苈犯晒転棣?45×9 mm無縫鋼管。在順槽埋入注氮管，隨著工作面的推進(jìn)，注氮管路逐漸進(jìn)入采空區(qū)。在管路進(jìn)入“三帶”中的窒息帶時(shí)可以停止注氮[7]，即連續(xù)地向采空區(qū)20 m～60 m范圍內(nèi)注入氮?dú)狻?/p>

經(jīng)過埋管注氮后，經(jīng)實(shí)測采空區(qū)散熱帶范圍為0 m～8 m，氧化帶的寬度大約為17 m，室息帶的范圍大致在25 m以后，自燃“三帶”中氧化帶寬度明顯減小，有效抑制了采空區(qū)內(nèi)煤的氧化反應(yīng)，使得遺煤自然發(fā)火的危險(xiǎn)性降低，取得了很好的實(shí)踐效果。

6 結(jié)論

（1）8101工作面采空區(qū)“三帶”范圍相對較小，這是由8101工作面特定的煤層開采條件決定的，即煤層及頂板松軟，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，煤層較破碎，開采后頂板迅速垮落壓實(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)較少。

（2）對采空區(qū)O2濃度及CO體積分?jǐn)?shù)的分析和數(shù)值擬合，繪制出氧濃度分別18%、15%、11%和7%的等值線圖，并且與實(shí)際情況相符，進(jìn)而確定了采空區(qū)“三帶”的范圍。從工作面切頂線向采空區(qū)深部0 m～22 m為散熱帶，22 m～63 m為氧化帶，大于63 m為窒息帶。

（3）根據(jù)劃分的采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，結(jié)合礦井實(shí)際情況，提出了埋管注氮現(xiàn)場防滅火方案。確定注氮量為800 m3/h，濃度97%，供氮壓力為0.85 MPa。有效地防止了采空區(qū)遺煤自燃，保證了工作面的安全回采。