煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分探討

文/李文軍，淮北礦業(yè)股份有限公司童亭煤礦

1 引言

煤炭自燃火災(zāi)是礦井常見主要災(zāi)害之一。我礦童亭煤礦現(xiàn)在正在回采的工作面有109采區(qū)的1098工作面、1011采區(qū)10112工作面。其中陳樓塊段10煤層的自燃傾向性經(jīng)鑒定均為Ⅱ類，因而工作面采空區(qū)內(nèi)由于遺煤堆積容易成為安全生產(chǎn)的隱患。

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 主要研究?jī)?nèi)容

2.1.1 研究煤層煤氧化過程中生成的氣體與煤溫之間的關(guān)系，篩選預(yù)報(bào)煤層自然發(fā)火的標(biāo)志氣體，確定預(yù)報(bào)臨界參數(shù)，建立指標(biāo)氣體與煤溫的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

2.1.2 測(cè)定工作面采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體濃度隨著工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，確定工作面采空區(qū)自燃“三帶”；

2.2 研究目標(biāo)

2.2.1 確定煤層層自燃早期預(yù)報(bào)的指標(biāo)氣體及其預(yù)報(bào)臨界參數(shù)；

2.2.2 查明工作面采空區(qū)自燃“三帶”寬度；

2.2.3 掌握工作面采空區(qū)自燃規(guī)律。

2.3 技術(shù)路線

2.3.1 通過對(duì)相鄰礦井開采同類煤層的自然發(fā)火規(guī)律調(diào)查，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析煤炭自燃的發(fā)生規(guī)律及其影響因素；

2.3.2 現(xiàn)場(chǎng)采集煤樣，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究，對(duì)煤層的自然發(fā)火危險(xiǎn)性、氧化特性和自燃傾向性進(jìn)行鑒定評(píng)價(jià)；

2.3.3 研究煤層氧化升溫過程中各種氣體的生成規(guī)律，確定工作面煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)標(biāo)志氣體；

2.3.4 進(jìn)行工作面采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定，研究采空區(qū)自燃規(guī)律；

3 研究方法

3.1 “三帶”劃分指標(biāo)及方法的確定

目前，確定劃分“三帶”的指標(biāo)主要有三種：

①采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速V（V>0.24m/min為散熱帶；0.24≥V≥0.1m/min為自燃帶；V＜0.1m/min為自窒息帶）；②采空區(qū)氧濃度（C）分布（認(rèn)為C＜6%為窒息帶，C≥6%為自燃帶或散熱帶）；煤的氧化反應(yīng)順利進(jìn)行的前提條件是的供氧速度大于耗氧速度，否則則氧化過程將受到抑制；③溫度升高速率。在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)采空區(qū)遺煤溫升速度1℃/d，則為自燃帶。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

3.2.1 測(cè)試系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要是通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的方法研究劃分采空區(qū)自燃“三帶”的參數(shù)。系統(tǒng)具有以下功能：

1）測(cè)試采空區(qū)距工作面不同距離處遺煤溫度，研究采空區(qū)中煤溫隨距工作面距離變化規(guī)律；2）采集采空區(qū)距工作面不同距離處氣樣，研究采空區(qū)中氧氣濃度等氣體參數(shù)隨距工作面距離變化規(guī)律；3）通過采空區(qū)中遺煤溫度和氧氣濃度隨距工作面距離變化規(guī)律，確定采空區(qū)三帶形態(tài)和劃分方法。

3.2.2 測(cè)試方法的選擇

采用集成溫度傳感器AD590對(duì)測(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)定。

在采空區(qū)中預(yù)埋束管對(duì)測(cè)點(diǎn)的氣體進(jìn)行定時(shí)采集。氣樣在實(shí)驗(yàn)室用氣相色譜儀進(jìn)行分析。

3.2.3 溫度測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

測(cè)溫系統(tǒng)由溫度傳感器、導(dǎo)線和測(cè)溫儀表組成。其中，選用AD590集成溫度傳感器，其系統(tǒng)工作原理：利用二次儀表電路產(chǎn)生一個(gè)與絕對(duì)溫度成正比的電流輸出，作為溫度電流轉(zhuǎn)換，該轉(zhuǎn)換器能在4～30V電壓范圍內(nèi)工作，相當(dāng)于一個(gè)能產(chǎn)生1μA/K的高阻電流源。

3.2.4 氣體測(cè)試系統(tǒng)簡(jiǎn)介

測(cè)點(diǎn)的氣體通過抽氣泵罐裝在取樣袋中，在井上氣體分析室內(nèi)進(jìn)行氣體成份分析。研究采空區(qū)中測(cè)點(diǎn)的氧氣、瓦斯和CO等氣體濃度隨著工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。

抽氣系統(tǒng)與設(shè)備主要包括：

1）抽氣束管。本次試驗(yàn)所選用的束管為：礦用抗靜電阻燃聚乙烯束管，型號(hào):PE-ZKW-8mm×5，抗靜電等級(jí):≤1060Ω/m，阻燃性能：有焰燃燒單根≤10s，無焰燃燒單根≤20s；適用于煤礦井下。

束管一端為測(cè)點(diǎn)，另一端與抽氣泵相連。

束管有不同的顏色。為便于準(zhǔn)確地區(qū)分測(cè)點(diǎn)，安裝時(shí)將記下通向各測(cè)點(diǎn)束管的顏色。

2）抽氣泵。井下氣樣采集儀器用CFZ22（A）型為煤礦井下專用的防爆型氣體自動(dòng)負(fù)壓采樣器，采樣器距離技術(shù)參數(shù)：

3）氣相色譜儀。本次對(duì)所采集的采空區(qū)氣體分析儀器采用氣相色譜儀。

3.2.5 測(cè)試系統(tǒng)的保護(hù)

為了防止溫度傳感器、測(cè)溫導(dǎo)線及預(yù)設(shè)氣體取樣管被采空區(qū)冒落的煤巖砸壞，需要在回采工作面以及鋪設(shè)導(dǎo)線的順槽內(nèi)設(shè)置保護(hù)套管，將測(cè)溫導(dǎo)線和氣體取樣管設(shè)于保護(hù)套管內(nèi)。

1）順槽保護(hù)套管。順槽保護(hù)套管設(shè)在回風(fēng)順槽內(nèi)，可利用原有4〞注漿管或2吋鋼管作為測(cè)溫導(dǎo)線和氣體采取管的保護(hù)套管。

2）工作面保護(hù)套管。工作面保護(hù)套管采用2吋鋼管，每4m為一節(jié)。套管間的連接采用快速接頭。

3）采樣器及取樣管頭的保護(hù)。為了防止AD590溫度傳感器被采空區(qū)冒落的煤巖砸壞和取樣膠管被壓實(shí)或被粉煤堵塞導(dǎo)致無法抽取氣樣，應(yīng)對(duì)AD590溫度傳感器和預(yù)設(shè)取樣管頭進(jìn)行保護(hù)。

4）保護(hù)管套的位置。為了不干擾正常的工作面生產(chǎn)和運(yùn)輸，保護(hù)套管的鋪設(shè)位置為：

①回風(fēng)順槽的保護(hù)套管，沿回風(fēng)順槽鋪設(shè)在外側(cè)底部；

②回采工作面的保護(hù)套管沿回采工作面鋪設(shè)在液壓支架后部運(yùn)輸溜子靠采空區(qū)側(cè)，在放頂清理浮煤后進(jìn)行鋪設(shè)工作。

3.3 工作面測(cè)點(diǎn)布置

由于液壓支架排列較緊密，才空區(qū)無法鋪設(shè)管路，測(cè)點(diǎn)只能布置在機(jī)風(fēng)巷位置。鋪設(shè)方法：將2吋無縫鋼管截成每根4m長(zhǎng)，兩端焊接快速接頭，套管沿兩部架子之間的空隙放入架后的空間，再將束管管纜和測(cè)溫導(dǎo)線一齊穿入套管內(nèi)，套管之間用快速接頭連接牢固，采樣器探頭部位用坑木加以保護(hù)。

3.4 采空區(qū)“三帶”實(shí)測(cè)與分析

1）測(cè)定時(shí)間。正常情況下每日測(cè)取一次溫度和氣體成份數(shù)據(jù)，早班入井測(cè)定。若有異常，則根據(jù)具體情況而定，可在異常測(cè)點(diǎn)每日測(cè)取2-3次數(shù)據(jù)。通過束管系統(tǒng)直接抽取氣樣送入氣相色譜儀分析并每日測(cè)定溫度一次，從而得出隨工作面推進(jìn)采空區(qū)的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重?zé)N氣體的濃度變化規(guī)律。2）考察內(nèi)容。在煤礦正?；夭赏L(fēng)的條件下，進(jìn)行回采工作面的煤氧化溫度及氣體成份規(guī)律、煤炭氧化自燃“三帶”及煤炭氧化自然規(guī)律考查。3）記錄每日工作面的推進(jìn)速度，以便推算測(cè)點(diǎn)距工作面的距離。

4 結(jié)束語(yǔ)

論文圍繞采空區(qū)自燃“三帶”劃分，簡(jiǎn)單介紹了劃分的方法和內(nèi)容，將對(duì)我礦采空區(qū)自燃“三帶”劃分項(xiàng)目實(shí)施有指導(dǎo)作用。