陜西彬長(zhǎng)文家坡礦4105工作面采空區(qū)自燃“三帶”規(guī)律分布研究

陳慶剛

(陜西咸陽(yáng)彬州市小章鎮(zhèn)文家坡礦業(yè)公司，陜西 彬州 713500)

眾所周知，煤炭資源約占我國(guó)一次性能源消費(fèi)量比例的70%，而礦井火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國(guó)重點(diǎn)煤礦中有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井約占47%，其中60%的煤礦自然發(fā)火都與采空區(qū)有關(guān)[1-3]。通過對(duì)工作面采空區(qū)自燃“三帶”的觀測(cè)，可以較為準(zhǔn)確地反映陜西彬長(zhǎng)文家坡礦綜放工作面采空區(qū)遺煤氧化情況和自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和理論分析，采用溫度、氣樣成分(氧氣，一氧化碳)變化情況來(lái)準(zhǔn)確劃分采空區(qū)自燃“三帶”[4-6]。

本文通過對(duì)陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)有限公司4105綜放工作面自燃“三帶”進(jìn)行研究，為確定采空區(qū)防滅火工藝各類參數(shù)提供依據(jù)，指導(dǎo)了工作面安全生產(chǎn)，為煤層防滅火工作提供了借鑒。

1 工程概況

4105綜放工作面位于41盤區(qū)，是陜西彬長(zhǎng)文家坡礦業(yè)公司第二個(gè)綜放工作面，東臨4104采空區(qū)，西接4106準(zhǔn)備工作面，南依41盤區(qū)開拓大巷，北靠42盤區(qū)開拓大巷。該工作面坐標(biāo)范圍為X：3 888 272～3 891 145；Y：36 505 840～36 506 040；工作面煤層埋深536.4～778.9 m，運(yùn)順標(biāo)高+471～+377 m，回順標(biāo)高+459～+378 m，走向長(zhǎng)度2 873 m，傾向長(zhǎng)度200 m。工作面兩巷布置分別為4105回風(fēng)巷道、4105運(yùn)輸巷道。

4105工作面回采煤層為4號(hào)煤， 呈黑色，半暗淡型，瀝青光澤，褐黑色條痕，參差狀、階梯狀斷口，條帶狀結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造。該工作面具有簡(jiǎn)單的煤層結(jié)構(gòu)，其煤層中含有4層夾矸，從下到上排序：第一層夾矸厚度0.2～0.3 m，第二層夾矸厚度為0.2～0.5 m，第三層夾矸厚度為0.3～2.5 m，第四層夾矸厚度為0.1～0.3 m。夾矸巖性為泥巖、中砂巖。該工作面回采期間的絕對(duì)瓦斯涌出量為2.91 m3/min，但在通過斷層等構(gòu)造時(shí)，瓦斯涌出量會(huì)增大。

2 “三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)及其分析

2.1 劃分標(biāo)準(zhǔn)

煤的自發(fā)燃燒會(huì)影響采礦作業(yè)安全并會(huì)對(duì)環(huán)境、經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和巖土工程產(chǎn)生影響[7]。而采空區(qū)自燃“三帶”的分布狀態(tài)、范圍對(duì)礦井防滅火起決定性作用。根據(jù)氧化帶的長(zhǎng)度確定月最小推進(jìn)距離，可以指導(dǎo)礦井的安全生產(chǎn)。目前，傳統(tǒng)的采空區(qū)自燃三帶劃分有 3 個(gè)指標(biāo): 氧氣濃度、漏風(fēng)風(fēng)速、溫升[8-9]。

1) 根據(jù)氧氣濃度劃分。根據(jù)氧氣濃度來(lái)劃分采空區(qū)自燃“三帶”是最適用的方法，相應(yīng)的參數(shù)如下：

不自燃帶：O2濃度>15%；自燃帶：15%≥O2濃度≥5%；窒息帶：O2濃度<5%.

2) 據(jù)根漏風(fēng)強(qiáng)度劃分。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)采場(chǎng)漏風(fēng)的研究，采空區(qū)“三帶”的范圍根據(jù)漏風(fēng)流速一般可分為：①不自燃帶：流速>0.24 m/min；②自燃帶：0.1 m/min ≤流速≤0.24 m/min；③窒息帶：流速< 0.1 m/min。

3) 溫度法。目前，溫升速率法主要是通過在采空區(qū)埋設(shè)熱電偶探頭，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)溫，以了解采空區(qū)遺煤的溫度變化清況。如果K值大，則反映采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性大，通常認(rèn)為K≥1 ℃/d的區(qū)域就是氧化帶。

2.2 實(shí)測(cè)分析

在該礦，溫度不適合作為自燃“三帶”劃分的主要指標(biāo)，主要原因是采空區(qū)內(nèi)并非所有位置的溫度都會(huì)在同一時(shí)間內(nèi)上升到該固定值。而且該工作面采用了注漿防滅火和注氮防滅火措施，因此該工作面采空區(qū)的溫度不具備指導(dǎo)意義。但是，如果當(dāng)采空區(qū)溫度有明顯變化時(shí)，以采空區(qū)溫度上升速率劃分最好，因?yàn)闇囟鹊纳仙俾首兓苤苯诱f明采空區(qū)煤炭氧化的情況。因此本次測(cè)試結(jié)果根據(jù)氧氣濃度、一氧化碳濃度來(lái)劃分4105工作面采空區(qū)的自燃“三帶”分布。

3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分規(guī)律

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

在井下實(shí)際測(cè)量采空區(qū)自燃“三帶”時(shí)，應(yīng)根據(jù)煤層地質(zhì)情況和采掘工藝來(lái)選取相應(yīng)合理的測(cè)試設(shè)備和最佳的測(cè)點(diǎn)布置情況。因此本方案采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和氣相色譜儀分析測(cè)試系統(tǒng)相結(jié)合的方式，準(zhǔn)確地對(duì)采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度等煤層自然發(fā)火的基礎(chǔ)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定。根據(jù)氣體濃度的變化規(guī)律，找出煤層采空區(qū)遺煤自燃的變化規(guī)律。

束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由三部分組成，分別為采樣點(diǎn)、測(cè)試鋼管與保護(hù)套管、氣泵。其中設(shè)置采樣點(diǎn)在工作面支架第60號(hào)、第90號(hào)、第105號(hào)架及上隅角。由于采樣束管在伸入采空區(qū)以后容易被上方冒落的巖石砸斷，因此將直徑為DN40的鋼管作為其保護(hù)套管。測(cè)試中，抽氣束管和2寸保護(hù)套管的鋪設(shè)長(zhǎng)度均為150 m左右。在束管端頭安設(shè)之前所述的抽氣泵作為氣體采集的工具。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，在工作面支架第60號(hào)、第90號(hào)、第105號(hào)及上隅角共設(shè)4個(gè)測(cè)點(diǎn)，各測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置如圖1所示：1號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在第60號(hào)支架，待該點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)時(shí)進(jìn)行采氣觀察；2號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在第90號(hào)支架；3號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在第105號(hào)支架；4號(hào)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在工作面上隅角，且這4個(gè)檢測(cè)點(diǎn)觀察時(shí)間一樣。4個(gè)取樣點(diǎn)，隨工作面推移，持續(xù)觀察125 m，一共27 d。

圖1 工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝圖

3.2 觀察數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)的采集工作是在測(cè)點(diǎn)安裝完畢后隨即開始的，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)4105工作面進(jìn)回風(fēng)兩條巷道采空區(qū) O2與CO含量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，經(jīng)過27 d的束管采集，并將采集到的氣樣在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，確定井下采空區(qū)氣體成分及濃度，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 各取樣點(diǎn)CO濃度隨推采度變化曲線

由4105綜放工作面采空區(qū)各取樣點(diǎn)CO濃度分布圖可以得到，4號(hào)測(cè)點(diǎn)，即第60號(hào)支架處CO濃度隨采空區(qū)深度慢慢遞增，濃度呈現(xiàn)一條先升后降然后又升的光滑的曲線，并且在采空區(qū)125 m時(shí)達(dá)到CO濃度的最大值4 700×10-6。在采空區(qū)2號(hào)、3號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，CO濃度變化的曲線相似，其濃度變化曲線都是隨著工作面的掘進(jìn)逐漸上升，并且在采空區(qū)46.8 m時(shí)達(dá)到濃度的巔峰，分別是122×10-6，167×10-6。在采空區(qū)1號(hào)測(cè)點(diǎn)CO濃度呈現(xiàn)先降低，然后又升高，最后再降低的變化曲線。隨著工作面從3.2推進(jìn)至17.6 m時(shí)，濃度從最開始的178×10-6降至129×10-6；當(dāng)采空區(qū)繼續(xù)從17.6 m推進(jìn)至27.8 m時(shí)，CO的濃度又從129×10-6上升至最高點(diǎn)238×10-6，但是隨著工作面繼續(xù)從27.8推進(jìn)至125 m時(shí)，CO的濃度又波動(dòng)似地下降至最低點(diǎn)4 900×10-6。

由圖3可知，工作面推進(jìn)以后，O2濃度變化表現(xiàn)為一條趨減的曲線，在22.6～67 m這個(gè)區(qū)間驟減，這是因?yàn)榇藚^(qū)間段頂板容易垮落，工作面孔隙率變大，漏風(fēng)率變大，導(dǎo)致新鮮空氣無(wú)法進(jìn)入后部采空區(qū)，從而O2的濃度大幅度降低。而后隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)，沒有新的頂板斷裂，進(jìn)回風(fēng)巷的漏風(fēng)率與孔隙率變化不大，從而O2的濃度沒有太大的變化，且處于一個(gè)相對(duì)平穩(wěn)的狀態(tài)。

圖3 各取樣點(diǎn)O2濃度隨推采度變化曲線

4105綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分，見表1。

表1 4105工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布 m

1) 回風(fēng)巷道測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度隨著工作面的推進(jìn)而迅速降低。當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)深度約3.2 m后，氧氣濃度已降至15%；當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)的深度達(dá)到41.6 m時(shí)，氧氣濃度降低至5%以下并進(jìn)入窒息帶。這主要`是由于回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度低，再加上采空區(qū)中間的頂板塌陷、壓實(shí)度較高，風(fēng)流擴(kuò)散難度大，導(dǎo)致迅速降低了該區(qū)域的氧氣濃度。

2) 運(yùn)輸側(cè)的漏氣強(qiáng)度較大。當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到52 m時(shí)，氧氣濃度下降至15%.當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到120 m時(shí)，氧氣濃度下降至5%進(jìn)入窒息區(qū)。

3.3 自燃“三帶”的劃分

采空區(qū)自燃“三帶”分布，如圖4所示。

圖4 采空區(qū)自燃“三帶”的分布圖

由圖4可得，4105工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”分布范圍為：進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶為0～52 m;氧化自燃帶為52～120 m；大于120 m為窒息帶?；仫L(fēng)側(cè)散熱帶為0～3.2 m;氧化自燃帶為3.2～41.6 m；大于41.6 m為窒息帶。4105運(yùn)輸巷道氧化自燃帶的寬度為52～120 m，回風(fēng)巷道的寬度為3.2～41.6 m。在上述寬度范圍內(nèi)，氧氣濃度為5%～15%，屬于煤炭易自燃區(qū)域。因?yàn)橛谐渥愕难鯕?，漏風(fēng)量小，因此具有良好的儲(chǔ)熱環(huán)境。這一結(jié)果說明該礦的4105工作面的采空區(qū)頂板為易冒落的堅(jiān)硬巖層，頂板冒落后采空區(qū)很難壓實(shí)，使得采空區(qū)漏風(fēng)增大，氧氣濃度下降緩慢。自燃帶寬度較長(zhǎng)，使煤炭自燃的防治工作變得困難。

3.4 工作面極限推進(jìn)速度的確定

工作面的極限推進(jìn)速度為：

(1)

式中：Vmin為工作面最小推進(jìn)速度，m/d；Lmax為煤自燃帶最大寬度，m；Tmin浮煤最短自燃發(fā)火期，d。

工作面最小推進(jìn)速度V=3.5 m/d，當(dāng)推進(jìn)速度小于該速度時(shí)，就存在自燃發(fā)火的可能，因此4105工作面的最低推進(jìn)速度為3.5 m/d，每月的最低推進(jìn)距離為105 m。當(dāng)工作面每天推采大于3.5 m時(shí)，采空區(qū)遺煤一般不會(huì)發(fā)生自燃，當(dāng)采面每天推進(jìn)度小于3.5 m時(shí)，采空區(qū)將會(huì)有自然發(fā)火的危險(xiǎn)。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 4105工作面采空區(qū)遺煤氧化“三帶”分布為：①進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶為0～52 m;氧化自燃帶為52～120 m；大于120 m為窒息帶。②回風(fēng)側(cè)散熱帶為0～3.2 m;氧化自燃帶為3.2～41.6 m；大于41.6 m為窒息帶。

2) 工作面最小推進(jìn)速度V=3.5 m/d，當(dāng)推進(jìn)速度小于該速度時(shí)，就存在自燃發(fā)火的可能，因此4105工作面的最低推進(jìn)速度為3.5 m/d，每月的最低推進(jìn)距離為105 m。當(dāng)工作面每天推采大于3.5 m時(shí)，采空區(qū)遺煤一般不會(huì)發(fā)生自燃。