小莊煤礦采空區(qū)自燃“三帶”分布特征研究

尚瑋煒，張 飛，羅華貴，王 寧，李 斌

(1.山西晉煤集團(tuán)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司 通風(fēng)安全技術(shù)服務(wù)分公司，山西 晉城 048006；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動(dòng)力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 葫蘆島 125105)

近年來，為提高礦井開采效率，我國(guó)煤礦開展了高產(chǎn)高效礦井建設(shè)，這也使得大多數(shù)礦井安全問題愈加突出[1-2]。采空區(qū)遺煤自燃是誘發(fā)煤礦事故的主要災(zāi)害之一，而自燃“三帶”劃分是防止采空區(qū)自然發(fā)火的基礎(chǔ)[3]，一直都是眾多科技人員研究的重點(diǎn)，也取得了豐碩的成果。

郝宇等[4]以新集一礦為研究對(duì)象，分析了在不同風(fēng)量和瓦斯?jié)舛葪l件下的采空區(qū)自燃“三帶”分布特征，研究結(jié)果表明采空區(qū)內(nèi)氧化帶寬度隨著進(jìn)風(fēng)量的增大而增大，隨著瓦斯涌出量的增大而減小；石政鋒[5]通過井下現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了大采高工作面在不同高度下的采空區(qū)自燃“三帶”分布情況，結(jié)果表明隨著采空區(qū)垂直高度的上升，自燃“三帶”的分布越來越寬，危險(xiǎn)區(qū)域的范圍越來越大；DENG等[6]在試驗(yàn)工作面采空區(qū)“三帶”劃分的基礎(chǔ)上，計(jì)算出工作面極限推進(jìn)速度為4.8 m/d，并建立了預(yù)測(cè)煤層自燃溫度的PSO-SVR模型，可以對(duì)采空區(qū)煤自燃溫度進(jìn)行預(yù)測(cè)；徐國(guó)華[7]利用數(shù)值模擬軟件研究了公烏素礦1604工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，并分析了工作面風(fēng)量對(duì)推進(jìn)速度的影響；楊?yuàn)Z等[8]以蘇家溝礦為背景，在漏風(fēng)極限條件下，利用軟件對(duì)采空區(qū)風(fēng)量流場(chǎng)進(jìn)行分析，得出采空區(qū)自燃“三帶”分布特征；李宗翔等[9]利用高O2濃度區(qū)域和高溫度區(qū)域疊加的方法確定了采空區(qū)內(nèi)氧化帶的范圍，從而為采空區(qū)自然發(fā)火提供了判定條件。

雖然諸多科研工作者在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬分析等方面對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布開展了大量的研究，但借助于MATLAB軟件來反映采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍的研究鮮有報(bào)道?；诖?，以小莊煤礦40201工作面采空區(qū)為研究對(duì)象，利用MATLAB軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到采空區(qū)自燃“三帶”的分布特征；將O2和CO濃度相疊加，確定出采空區(qū)自然發(fā)火的高危險(xiǎn)區(qū)域。該研究方法在反映采空區(qū)自燃“三帶”分布和危險(xiǎn)區(qū)域判定方面可視化效果更佳，越是在較為復(fù)雜的礦井地質(zhì)條件下，越能體現(xiàn)出該方法的實(shí)用性，從而為制訂采空區(qū)防滅火技術(shù)方案提供更加科學(xué)、有效的指導(dǎo)。

1 試驗(yàn)工作面概況和自燃“三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)

1.1 試驗(yàn)工作面概況

小莊煤礦40201工作面走向長(zhǎng)1 237 m，傾向長(zhǎng)179.55 m，煤層賦存較穩(wěn)定，瓦斯壓力為0.31～0.33 MPa，厚度12～15 m，煤層傾角為5°～7°，瓦斯含量為6.98 m3/t，自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ級(jí)，自然發(fā)火期為22 d，采用后退式走向長(zhǎng)壁機(jī)械化放頂開采法。

1.2 自燃“三帶”的劃分

采空區(qū)自燃“三帶”可以劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶[10]。常用的 “三帶”劃分依據(jù)有3種，分別是根據(jù)漏風(fēng)風(fēng)速劃分、O2濃度劃分和溫度劃分。選取O2濃度劃分方法，原因在于O2濃度是個(gè)標(biāo)量，在數(shù)據(jù)獲取時(shí)，具有測(cè)量設(shè)備操作簡(jiǎn)單，便于測(cè)定、數(shù)據(jù)誤差較小等優(yōu)點(diǎn)?；?0201工作面煤樣在實(shí)驗(yàn)條件下測(cè)得的自然發(fā)火的臨界O2體積分?jǐn)?shù)為6%，考慮到煤貧氧化的存在和現(xiàn)場(chǎng)浮煤厚度分布情況，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)[11-14]，將采空區(qū)自燃“三帶”劃分的O2體積分?jǐn)?shù)限定為：散熱帶O2體積分?jǐn)?shù)>15%；15%≥氧化帶O2體積分?jǐn)?shù)≥5%；窒息帶O2體積分?jǐn)?shù)<5%。

2 測(cè)點(diǎn)布置及實(shí)際測(cè)試結(jié)果

2.1 束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建立

本次數(shù)據(jù)觀測(cè)采用現(xiàn)場(chǎng)埋管方式進(jìn)行氣體動(dòng)態(tài)取樣，選取JSG-8型束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由井上氣體分析系統(tǒng)和井下測(cè)試地點(diǎn)束管氣體取樣系統(tǒng)組成，利用高壓抽氣泵和一束多芯的管纜抽取采空區(qū)測(cè)試地點(diǎn)所含有的多組分氣樣(N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)，再利用GC4085 型氣相色譜儀對(duì)采集到的氣樣進(jìn)行全自動(dòng)分析，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)定各測(cè)點(diǎn)的氣體組分濃度，同時(shí)可以對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)煤自燃過程中標(biāo)志性氣體濃度超過安全指標(biāo)時(shí)發(fā)出警報(bào)[15]。

2.2 測(cè)點(diǎn)布置方式

束管布置地點(diǎn)為小莊煤礦40201工作面，布置方式如圖1所示。從該工作面回風(fēng)側(cè)的隅角沿傾向方向依次布置測(cè)點(diǎn)，共布置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)分別為10#、30#、50#、70#、90#、102#(上隅角)。將外徑60 mm、厚度3.5 mm的鋼管每4 m截成一段，鋼管的兩端焊接快速接頭，將束管的管纜插入套管內(nèi)，用快速接頭將2個(gè)套管連接固定后埋入采空區(qū)。

圖1 井下測(cè)點(diǎn)束管布置圖

2.3 觀測(cè)內(nèi)容與方法

煤自然發(fā)火條件之一是煤炭處于一個(gè)持續(xù)供氧的漏風(fēng)環(huán)境中。采空區(qū)內(nèi)O2濃度的分布可以反映煤能否發(fā)生自燃，其次，O2的分布不僅與漏風(fēng)狀態(tài)有關(guān)，同時(shí)與煤的氧化程度有關(guān)；區(qū)域內(nèi)CO的濃度越高，說明該區(qū)域內(nèi)遺煤的氧化程度越高，CO濃度分布可以反映遺煤氧化狀態(tài)的劇烈程度[11,16]，可為采空區(qū)自然發(fā)火提供判定條件?；诖耍瑥?種氣體中選用O2和CO兩種指標(biāo)氣體進(jìn)行考察分析，具體方法如下：

1)針對(duì)小莊煤礦40201工作面實(shí)際推進(jìn)速度，每天采集1次氣樣；

2)氣樣采集時(shí)，打開束管對(duì)應(yīng)的控制開關(guān), 預(yù)抽10 min左右；

3)氣樣采集結(jié)束時(shí)，記錄下每天工作面的推進(jìn)距離；

4)利用氣體分析系統(tǒng)在3 h內(nèi)完成采集的氣樣分析。

2.4 實(shí)測(cè)結(jié)果分析

通過在采空區(qū)埋設(shè)束管，對(duì)10#、30#、50#、70#、90#及102#采樣點(diǎn)經(jīng)過36 d的井下實(shí)測(cè)，并對(duì)采集到的氣樣在地面上進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，根據(jù)所得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，將小莊煤礦采空區(qū)內(nèi)O2與CO的體積分?jǐn)?shù)繪制成圖，如圖2所示。

(a)10#采樣點(diǎn)的O2和CO體積分?jǐn)?shù)

(d)70#采樣點(diǎn)的O2和CO體積分?jǐn)?shù)

由圖2(a)～(f)O2體積分?jǐn)?shù)變化趨勢(shì)可知，窒息帶的寬度在30～42 m內(nèi)；氧化帶的寬度在進(jìn)風(fēng)口處相比其他地方要寬，根據(jù)10#采樣點(diǎn)(與進(jìn)風(fēng)口水平距離30 m)所得的觀測(cè)數(shù)據(jù)，此處的氧化帶最遠(yuǎn)距工作面100 m，比50#采樣點(diǎn)、70#采樣點(diǎn)處的氧化帶寬20～30 m。在只考慮進(jìn)風(fēng)口流量的情況下，進(jìn)風(fēng)口處風(fēng)速較大，動(dòng)能衰減較小，空氣可以被風(fēng)流送到采空區(qū)中部，甚至更遠(yuǎn)，致使此處氧化帶往采空區(qū)深部推移，范圍擴(kuò)大。通過對(duì)采空區(qū)內(nèi)CO濃度的檢測(cè)，可以對(duì)采空區(qū)內(nèi)遺煤的自然氧化程度做出預(yù)測(cè)。在CO集中區(qū)域，煤體與O2復(fù)合作用劇烈，說明此區(qū)域不但具備煤氧復(fù)合的必要條件，而且周圍風(fēng)速不會(huì)太大，產(chǎn)生的熱量也不容易被帶走。所以在CO濃度高的區(qū)域也是自然氧化劇烈、熱量積聚的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)自然發(fā)火的可能性較大，需要提前做出預(yù)防。

3 基于MATLAB的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了能夠更加直觀地觀測(cè)井下氣體分布特征，通過MATLAB軟件對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖和等值線圖如圖3～4 所示。

圖3 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖4 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)等值線圖

由圖4可以看出，小莊煤礦40201工作面采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)的分布特征(左側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷)，通過觀測(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分布等值線所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)走向和傾向距離可以確定采空區(qū)“三帶”的大致范圍。采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷氧化帶(15%≥φ(O2)≥5%)自 36 m 處開始，一直延伸到采空區(qū)100 m以后；在采空區(qū)傾向方向距進(jìn)風(fēng)巷60 m處O2體積分?jǐn)?shù)曲線(5%)趨于平穩(wěn)，與傾向方向大致平行；在回風(fēng)巷一側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)曲線(5%)再次向采空區(qū)深部延伸，但變化幅度比進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)要小。

采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)如圖5所示。利用MATLAB軟件對(duì)圖5進(jìn)行轉(zhuǎn)化，得到采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖，如圖6所示。

圖5 采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)等值線圖

由圖5可見，CO的集中區(qū)域在采空區(qū)走向 20～65 m內(nèi)，采空區(qū)傾向60～160 m內(nèi)，在此范圍內(nèi)CO的體積分?jǐn)?shù)為0.006%～0.008%。越靠近中間區(qū)域CO體積分?jǐn)?shù)越高，發(fā)生遺煤自燃的可能性也就越大，因此，上述區(qū)域是采空區(qū)需要重點(diǎn)防護(hù)的危險(xiǎn)區(qū)域。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)觀測(cè)結(jié)合MATLAB軟件分析，得到小莊煤礦采空區(qū)的“三帶”分布范圍，如表1所示。

表1 小莊煤礦采空區(qū)“三帶”分布

小莊煤礦采空區(qū)“三帶”分布如圖7所示。

圖7 小莊煤礦采空區(qū)“三帶”分布示意圖

從表1和圖7可以看出， 40201工作面采空區(qū)內(nèi)氧化帶的寬度為：運(yùn)巷約64 m，風(fēng)巷約50 m；采空區(qū)中部區(qū)域約37 m。散熱帶范圍為29～38 m。試驗(yàn)工作面的日推進(jìn)距離約4.3 m，遺煤在散熱帶時(shí)間較長(zhǎng)，風(fēng)巷需9 d后才能進(jìn)入氧化帶。

為了更好地對(duì)小莊煤礦40201工作面采空區(qū)內(nèi)的自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行刻畫，使采空區(qū)自然發(fā)火的防護(hù)做到有的放矢，利用MATLAB圖像處理功能對(duì)上述O2體積分?jǐn)?shù)與CO體積分?jǐn)?shù)的分布狀況進(jìn)行疊加。將采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布及CO體積分?jǐn)?shù)分布圖中分別選取氧化帶(O2體積分?jǐn)?shù)在5%～15%的區(qū)域)與CO體積分?jǐn)?shù)在0.006%～0.008%的區(qū)域進(jìn)行疊加，疊加效果如圖8所示。

圖8 采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域

由圖8可見，在采空區(qū)傾向距離(距進(jìn)風(fēng)巷)57～160 m內(nèi)，采空區(qū)走向距離36～64 m內(nèi)的虛線區(qū)域，存在較高的自然發(fā)火可能性。此區(qū)域選取在氧化帶之內(nèi)，煤體本身就具有較高的氧化自燃的可能性，再加上該區(qū)域是CO的高濃度分布區(qū)域(煤體氧化較為劇烈的區(qū)域)。因此，通過在氧化帶的基礎(chǔ)上疊加CO體積分?jǐn)?shù)較高分布的區(qū)域，可以更好地對(duì)采空區(qū)內(nèi)存在自燃危險(xiǎn)性的區(qū)域進(jìn)行刻畫。由此可知，在圖8中的虛線區(qū)域是煤自燃的重點(diǎn)防護(hù)區(qū)域。

4 工作面推進(jìn)速度與自然發(fā)火的關(guān)系分析

隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)后部處于氧化帶內(nèi)的遺煤進(jìn)入到窒息帶，在沒有充足O2供應(yīng)的情況下，原本具有自燃危險(xiǎn)性的遺煤逐漸喪失自然發(fā)火的可能性[17-19]。通過測(cè)定氧化帶最大寬度Lmax，最短發(fā)火期Tmin，可以推測(cè)出工作面的極限推進(jìn)速度Vmin[20]：

(1)

在井下實(shí)際生產(chǎn)過程當(dāng)中，工作面會(huì)因?yàn)槟承┕r的故障而停止向前推進(jìn)。則推進(jìn)速度V=Lmax/(Tmin-T)。其中，V為實(shí)際推進(jìn)速度，m/d；T為工作面停產(chǎn)的時(shí)間，d。則T可以表示為：

(2)

40201工作面的實(shí)際推進(jìn)速度為4.3 m/d，最短自然發(fā)火期為22 d，氧化帶的最大寬度為61 m。由此可以計(jì)算出工作面允許停頓的時(shí)間T=7.8 d，取整T=7 d。也就是說工作面最大停頓時(shí)間為 7.8 d，在排除其他擾動(dòng)的情況下，工作面以4.3 m/d的推進(jìn)速度向前推進(jìn)，可以在氧化帶中的煤自然發(fā)火之前使之進(jìn)入到窒息帶，因此，氧化帶中的危險(xiǎn)區(qū)域的長(zhǎng)度為L(zhǎng)危=VT=4.3 m/d×7.8 d=33.54 m，取整為 34 m。即從采空區(qū)氧化帶最深處起，向工作面方向延伸34 m的距離內(nèi)都是自然發(fā)火的危險(xiǎn)區(qū)域，如圖9 所示。

圖9 隨工作面推進(jìn)的采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域

在圖9中以采空區(qū)走向長(zhǎng)度57 m為界限，右側(cè)斜實(shí)線表示區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)工作面推進(jìn)過程中所形成的自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域，在此基礎(chǔ)上再與CO體積分?jǐn)?shù)分布較高的區(qū)域疊加(圖9所示的橫虛線區(qū)域)，這樣就確定了采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火的高危險(xiǎn)區(qū)域。該區(qū)域的大致范圍是：采空區(qū)走向長(zhǎng)度在57～67 m，采空區(qū)傾向長(zhǎng)度在100～150 m的區(qū)域，此區(qū)域存在更高的自然發(fā)火的可能性。若工作面停頓時(shí)間較長(zhǎng)，應(yīng)及時(shí)提高工作面的推進(jìn)速度，并向采空區(qū)距工作面 50～70 m內(nèi)注入惰性氣體，防止火災(zāi)的發(fā)生。

5 結(jié)論

1)采用束管采樣分析方法，實(shí)測(cè)了小莊煤礦40201工作面采空區(qū)內(nèi)O2與CO濃度的變化情況，并用MATLAB對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，結(jié)果表明采空區(qū)內(nèi)氧化帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)的寬度約為61 m，在回風(fēng)側(cè)的寬度約為 50 m，在中部區(qū)域的寬度為37 m左右。

2)以O(shè)2濃度作為采空區(qū)自燃“三帶”的劃分指標(biāo)，利用MATLAB軟件獲得自燃“三帶”的分布范圍；并以O(shè)2與CO濃度相疊加，確定了采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火的高危險(xiǎn)區(qū)域，為采空區(qū)自然發(fā)火提供了判定條件。

3)根據(jù)工作面的實(shí)際推進(jìn)速度，得出采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火的高危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)走向長(zhǎng)度 57～67 m，傾向長(zhǎng)度100～150 m內(nèi)的“三角形”區(qū)域，并且計(jì)算出40201工作面的最大停產(chǎn)整頓時(shí)間為7 d。