淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)自燃立體“三帶”觀測

柳東明

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

綜放開采因其效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)，近年來得到廣泛應(yīng)用。但綜放開采存在遺煤多、易發(fā)火、發(fā)火后難以控制的缺點(diǎn)，尤其是淺埋藏易燃煤層綜放開采時自燃災(zāi)害問題尤為突出[1]。國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火防治進(jìn)行了研究。其中，趙亞杰研究得出了地表漏風(fēng)影響下，淺埋特厚煤層綜放工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場的分布規(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[2]；孫珍平對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[3]。目前，大多數(shù)學(xué)者只針對傳統(tǒng)的采空區(qū)水平自燃“三帶”進(jìn)行了相關(guān)研究，未考慮垂直方向是否也存在自燃“三帶”。

東辰公司605 綜放工作面所采6#煤層為特厚的自燃煤層，煤層埋藏淺，距地表最近距離僅為80 m，在采動影響下，工作面與地表存在不同程度的裂隙；本工作面由于采用綜采放頂煤工藝，導(dǎo)致采空區(qū)遺煤量大，且浮煤呈立體分布，加大了工作面自然發(fā)火危險，對采空區(qū)防火工作提出了更高挑戰(zhàn)。

1 工作面概況

東辰煤炭公司為1 座現(xiàn)代化大型礦井，礦井座落在內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，礦井生產(chǎn)能力為320 Mt/a。

605 工作面走向長1 131 m，傾斜長238 m，開采6#煤層。該煤層厚度為11～15.5 m，平均為13.6 m，煤種為長焰煤，自燃傾向性為II 類自燃煤層，最短自然發(fā)火期47 d。605 工作面井下標(biāo)高為+1 044.2～+1 058.06 m，地面標(biāo)高為+1 140～+1 240 m，煤層距地表最近距離約為80 m。工作面采用走向長壁式綜采放頂煤采煤法，“U”型巷道布置，運(yùn)、回風(fēng)巷均沿煤層底板布置。工作面采用“U”型通風(fēng)，風(fēng)量為1 000 m3/min。605 工作面巷道布置平面圖如圖1。

圖1 605 工作面巷道布置平面圖Fig.1 The roadway layout plan of 605 working face

2 工作面煤層自然發(fā)火主要影響因素

1）根據(jù)實(shí)驗(yàn)室對本工作面所取煤樣的測試分析結(jié)果，煤層自燃傾向性為Ⅱ類屬自燃煤層，但吸氧量達(dá)到了0.69 cm3/g，接近Ⅰ類易自燃煤層吸氧量0.71 cm3/g 的數(shù)值。

2）煤種揮發(fā)分高，含氧量高，化學(xué)活性高，燃點(diǎn)低，自燃傾向性強(qiáng)。

3）煤層普氏系數(shù)f 為1～2，屬中硬、軟煤層，煤層易碎，易碎煤越多，其氧化性越強(qiáng)。

4）煤層賦存條件為淺埋藏特厚煤層，工作面漏風(fēng)通道較發(fā)育。

5）采煤方法為比普通綜采更易發(fā)火的綜放開采。

6）掘進(jìn)方式為極易引起煤層冒頂?shù)难睾衩簩拥撞烤蜻M(jìn)，掘進(jìn)期間會造成頂部煤體產(chǎn)生裂隙，具備自然氧化和蓄熱條件。

3 采空區(qū)自燃立體“三帶”

采空區(qū)氧含量分布最能反映采空區(qū)浮煤氧化狀況，因此采空區(qū)自燃“三帶”劃分應(yīng)以氧含量的分布為主，其它為輔。參考國內(nèi)外按氧含量劃分采空區(qū)自燃“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)[4-6]：氧氣體積分?jǐn)?shù)＞18%為“散熱帶”，18%＞氧氣體積分?jǐn)?shù)＞7%為“氧化帶”，氧氣體積分?jǐn)?shù)＜7%為“窒息帶”[7-8]。

3.1 采空區(qū)水平“三帶”

3.1.1 進(jìn)風(fēng)側(cè)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)

用地面束管監(jiān)測系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測采空區(qū)埋入的測點(diǎn)O2含量，以此劃分采空區(qū)自燃“三帶”范圍。進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)變化如圖2。

圖2 進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2 體積分?jǐn)?shù)變化示意圖Fig.2 Schematic diagram of O2 concentration change in goaf at air inlet side

由圖2 可得出，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)呈明顯下降趨勢，在采空區(qū)以里38 m 和170 m 處測得的氧含量分別為18%和7%，表明工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度為132 m。

3.1.2 回風(fēng)側(cè)束管監(jiān)測數(shù)據(jù)

回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)變化如圖3。

由圖3 可以看出，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)也呈現(xiàn)顯著下降趨勢，在采空區(qū)以里30 m 和150 m處測得的氧含量分別為18%和7%，表明工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度為120 m。

圖3 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2 體積分?jǐn)?shù)變化示意圖Fig.3 Diagram of O2 concentration change in goaf at return air side

3.1.3 采空區(qū)水平“三帶”觀測結(jié)果

采空區(qū)自燃水平“三帶”分布示意圖如圖4，工作面采空區(qū)自燃水平“三帶”分布范圍見表1。

圖4 采空區(qū)自燃水平“三帶”分布示意圖Fig.4 Distribution diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf

表1 工作面采空區(qū)自燃水平“三帶”分布范圍Table 1 Distribution range of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf of working face

3.1.4 淺埋藏工作面采空區(qū)水平“三帶”分布特點(diǎn)

為了比較淺埋藏煤層（煤層距地表垂高250 m以內(nèi)）采空區(qū)水平“三帶”與中、深埋藏煤層采空區(qū)“三帶”的區(qū)別，將605 工作面淺埋藏煤層空區(qū)“三帶”與其它煤礦中、深埋藏煤層采空區(qū)“三帶”進(jìn)行對比分析。影響采空區(qū)“三帶”寬度的因素較多，為了科學(xué)的分析，需與工作面風(fēng)量、長度、煤層厚度、采高和采煤方法大致相同的工作面進(jìn)行比較。寧夏煤業(yè)集團(tuán)烏蘭煤礦5347 工作面長度210 m，煤厚10 m，距地表垂高350 m，采高3 m，風(fēng)量為1 100 m3/min，工作面采用U 型通風(fēng)，綜采放頂煤開采，該工作面各項(xiàng)參數(shù)與605 工作面基本相同，僅煤層埋藏深度大于605 工作面200 m 左右，故將2 個工作面的采空區(qū)自燃水平“三帶”進(jìn)行比較。烏蘭煤礦5347工作面采空區(qū)自然水平“三帶”范圍如圖5。淺埋藏煤層與中、深埋藏煤層采空區(qū)自燃水平“三帶”范圍對比示意圖如圖6。

圖5 烏蘭煤礦5347 工作面采空區(qū)自燃水平“三帶”分布示意圖Fig.5 Distribution diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in gob of 5347 working face in Wulan Coal Mine

圖6 淺埋藏煤層與中、深埋藏煤層采空區(qū)自燃水平“三帶”范圍對比示意圖Fig.6 Comparison diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf of shallow coal seam and medium and deep coal seam

從圖6 可看出，淺埋藏煤層采空區(qū)氧化帶寬度比中、深埋藏煤層采空區(qū)氧化帶寬度要寬25%左右，其原因?yàn)椋簻\埋藏煤層工作面盡管進(jìn)行了井上、下堵漏風(fēng)，但比中、深埋藏煤層采空區(qū)漏風(fēng)還是要大，因此其氧化帶范圍自然要大得多。為此，對淺埋藏煤層工作面除了要進(jìn)行井上下堵漏風(fēng)外，還必須針對煤層的自然發(fā)火期科學(xué)注氮，加快推進(jìn)度，才能有效防止采空區(qū)自然發(fā)火。

3.2 采空區(qū)垂直“三帶”

根據(jù)近年來國內(nèi)對工作面自然發(fā)火統(tǒng)計(jì)，工作面自然發(fā)火有60%是發(fā)生在液壓支架上部，因此推斷在采空區(qū)垂直空間也存在自燃“三帶”，使支架上部浮煤氧化自燃[9-10]。為證實(shí)這一推斷，需進(jìn)行采空區(qū)垂直“三帶”監(jiān)測，為工作面防火提供依據(jù)。

3.2.1 垂直“三帶”測定布置

分別在605 工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷選擇一段壓力比較小的巷道，在巷道硬幫（面對工作面）掘1 個2.1 m×2.1 m×2.1 m 的鉆場，在運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷鉆場各施工5 個取氣鉆孔，運(yùn)輸巷鉆場支架上部鉆孔參數(shù)表見表2，回風(fēng)巷鉆場支架上部鉆孔參數(shù)表見表3。當(dāng)工作面推進(jìn)到離鉆場50 m 時開始將束管系統(tǒng)與束管單管相連，并記錄取氣數(shù)據(jù)，直到工作面推到鉆場為止。由于支架尾梁后不容易打鉆，為了測試支架后的氣體含量，向支架尾梁后插入φ20 mm 鋼管，鋼管內(nèi)穿入束管單管，再與束管系統(tǒng)相連。

表2 運(yùn)輸巷鉆場支架上部鉆孔參數(shù)表Table 2 Table of drilling parameters for the upper part of support in the drilling field of transportation roadway

表3 回風(fēng)巷鉆場支架上部鉆孔參數(shù)表Table 3 Table of drilling parameters for upper part ofsupport in return air tunnel

3.2.2 垂直“三帶”監(jiān)測結(jié)果

運(yùn)輸巷側(cè)支架上部鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)變化示意圖如圖7?；仫L(fēng)巷側(cè)支架上部鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)變化示意圖如圖8。采空區(qū)自燃垂直“三帶”分布示意圖如圖9。

圖7 運(yùn)輸巷側(cè)支架上部鉆孔O2 體積分?jǐn)?shù)變化示意圖Fig.7 Schematic diagram of O2 concentration in upper borehole of side support of transport roadway

圖8 回風(fēng)巷側(cè)支架上部鉆孔O2 體積分?jǐn)?shù)變化示意圖Fig.8 Schematic diagram of O2 concentration change in upper borehole of side support of return air lane

圖9 采空區(qū)自燃垂直“三帶”分布示意圖Fig.9 Distribution diagram of vertical“three zones”of spontaneous combustion in goaf

由圖7 可看出，運(yùn)輸巷側(cè)距煤層底板52 m 以上高度的氧含量為6.9%，這個高度以上的空間為窒息帶；距煤層底板6 m（支架上方3 m）的氧含量為18.0%，這個高度以下的空間為散熱帶，煤層不會氧化自燃；煤層底板以上6～52 m 空間的氧含量為18.0%～6.9%，這個空間為氧化帶，垂高落差為46 m。

由圖8 可看出，回風(fēng)巷側(cè)距煤層底板46 m 以上高度的氧含量為6.7%，這個高度以上的空間為窒息帶；距煤層底板4 m（支架上方1 m）的氧含量為17.8%，這個高度以下的空間為散熱帶；煤層底板以上4～46 m 空間氧含量為17.8%～6.7%，此空間為氧化帶，垂高落差為42 m。

4 結(jié) 論

1）605 淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”呈立體狀態(tài)分布，既存在傳統(tǒng)的自燃水平“三帶”，也存在垂直方向的自燃“三帶”。

2）淺埋藏煤層采空區(qū)氧化帶寬度比中、深埋藏煤層采空區(qū)氧化帶寬度要寬25%左右。

3）通過對605 工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測，能較為準(zhǔn)確地反映淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)遺煤氧化情況和自燃危險區(qū)域分布范圍，提高了采空區(qū)自然發(fā)火預(yù)測預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，為采取科學(xué)、合理的防滅火技術(shù)措施提供理論依據(jù)。