基于溫度和O2濃度的采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律研究①

楊忠東

(開(kāi)灤(集團(tuán))有限責(zé)任公司，河北唐山 063018)

1 礦井及工作面概況

崔家寨礦井位于河北省蔚縣礦區(qū)的北部，為開(kāi)灤集團(tuán)蔚州礦業(yè)公司下屬生產(chǎn)礦井，煤種主要為褐煤、長(zhǎng)焰煤。各煤層均屬于易自燃煤層。由于煤質(zhì)容易自燃、井下采空區(qū)和小煤窯溝通復(fù)雜等情況的存在，崔家寨礦井下煤層自然發(fā)火情況非常嚴(yán)重，嚴(yán)重影響礦井的安全生產(chǎn)。為掌握井田采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，為預(yù)防煤層自然發(fā)火工作提供理論依據(jù)，決定在E12604工作面進(jìn)行采空區(qū)“三帶”觀測(cè)。E12604工作面走向長(zhǎng)度570 m，傾斜平均長(zhǎng)度135m，東鄰已回采的E12606工作面，西鄰 E12602工作面回風(fēng)巷。采煤方法為綜采傾斜長(zhǎng)壁、一次采全高采煤方法。煤層平均厚度為3～3.2 m，采高為2.8～3 m。

2 E12604工作面采空區(qū)“三帶”觀測(cè)方法與觀測(cè)數(shù)據(jù)

采空區(qū)“三帶”觀測(cè)方法分為溫度觀測(cè)方法和O2濃度觀測(cè)方法，本次研究?jī)煞N方法綜合應(yīng)用。在與 E12604回風(fēng)巷相鄰的已掘出的E12602回風(fēng)巷內(nèi)，打了5個(gè)通向 E12604面回風(fēng)巷的觀測(cè)鉆孔，其中1#～3#觀測(cè)鉆孔中布置了熱電偶測(cè)溫線(xiàn)，1#～5#觀測(cè)鉆孔中均布置了束管，E12604工作面采空區(qū)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 E12602工作面回風(fēng)巷觀測(cè)鉆孔布置示意圖

2.1 采空區(qū)溫度觀測(cè)

根據(jù)在E12602回風(fēng)巷內(nèi)鉆孔內(nèi)的3個(gè)熱電偶觀測(cè)E12604采空區(qū)內(nèi)溫度變化情況如圖2所示。

2.2 采空區(qū)氣體變化分析

在E12602回風(fēng)巷的5個(gè)觀測(cè)鉆孔中預(yù)先布設(shè)好束管，利用SG－2003型礦井火災(zāi)束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣體變化情況進(jìn)行了連續(xù)監(jiān)測(cè)，對(duì)采空區(qū)氣體連續(xù)進(jìn)行取樣化驗(yàn)分析，得到了相應(yīng)的O2濃度與工作面推進(jìn)度的觀測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)結(jié)果如圖3～圖7所示。

圖2 E12604工作面推進(jìn)期間采空區(qū)溫度變化(從E12602工作面鉆孔觀測(cè))

圖3 1號(hào)鉆孔測(cè)量的采空區(qū)氧氣濃度變化

圖4 2號(hào)鉆孔測(cè)量的采空區(qū)氧氣濃度變化

圖5 3號(hào)鉆孔測(cè)量的采空區(qū)氧氣濃度變化

圖6 4號(hào)鉆孔測(cè)量的采空區(qū)氧氣濃度變化

圖7 5號(hào)鉆孔測(cè)量的采空區(qū)氧氣濃度變化

3 E12604工作面采空區(qū)“三帶”劃分

3.1 采空區(qū)溫度變化分析

由于3#鉆孔觀測(cè)距離太短，這里僅就1#、2#兩個(gè)鉆孔測(cè)量的溫度變化進(jìn)行分析。

1號(hào)鉆孔:冷卻帶大約23 m左右，工作面推進(jìn)到75 m左右時(shí)，出現(xiàn)了44℃左右的高溫點(diǎn)，當(dāng)工作面推進(jìn)到170 m左右時(shí)，采空區(qū)溫度趨于穩(wěn)定。

2號(hào)鉆孔:冷卻帶大約23 m左右，工作面推進(jìn)到122 m左右時(shí)，采空區(qū)溫度趨于穩(wěn)定。

3.2 采空區(qū)O2濃度變化分析

按照采空區(qū)氧氣濃度來(lái)劃分的“三帶”范圍一般是:擴(kuò)散帶的O2濃度:大于18%;氧化帶的O2濃度:8% ～18%;窒息帶的O2濃度:小于8%。

分析由束管觀測(cè)數(shù)據(jù)得到采空區(qū)O2濃度與工作面推進(jìn)度關(guān)系，可以得出:

1)1號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果:工作面推過(guò)19 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了14.389%。工作面在推過(guò)80.6 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了7.9144%。

2)2號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果:工作面推過(guò)30.5 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了18.2082%。工作面在87 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了6.4512%。

3)3號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果:工作面推過(guò)34.4 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了17.0665%。工作面在推過(guò) 97.5 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi) O2含量降到了7.7182%。由于10月4日至6日束管被堵，7日重新在3號(hào)、4號(hào)孔更換安裝一條束管進(jìn)行取樣，由此推測(cè)3號(hào)孔實(shí)際進(jìn)入窒息帶的距離應(yīng)該大約在89.5 m左右。

4)4號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果:工作面推過(guò)98 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了6.4369%。

5)5號(hào)鉆孔觀測(cè)結(jié)果:工作面在推過(guò)76.1 m時(shí)，采空區(qū)內(nèi)O2含量降到了7.8245%。

3.3 采空區(qū)“三帶”劃分

根據(jù)采空區(qū)溫度和O2濃度的變化，綜合以上測(cè)定分析數(shù)據(jù)，E12604工作面的擴(kuò)散帶寬度為23 m左右，氧化帶的寬度大約為70～100 m，其后為工作面的窒息帶。

4 采空區(qū)溫度分布的數(shù)值模擬研究

根據(jù)E12604工作面的具體條件，分別取回采工作面推進(jìn)速度為0.6 m/d、3.6m/d、5.9m/d、8 m/d及10 m/d進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火模擬。數(shù)值模擬結(jié)果表明，當(dāng)其它條件相同時(shí)，隨著推進(jìn)速度的降低，采空區(qū)內(nèi)最高溫度越來(lái)越高，當(dāng)每天割一刀煤(即0.6 m/d)時(shí)采空區(qū)的最高溫度可以達(dá)到80℃以上，如果工作面正常推進(jìn)3.6m/d時(shí)，采空區(qū)的最高溫度也不超過(guò)42℃，當(dāng)工作面推進(jìn)速度達(dá)到5.9 m/d，時(shí)，則采空區(qū)的最高溫度也不超過(guò)35℃。煤樣實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，30～60℃是崔家寨礦采空區(qū)煤炭氧化自熱前期，此階段氧化速率緩慢，不會(huì)自然發(fā)火。這證實(shí)了推進(jìn)速度是影響采空區(qū)自然發(fā)火的主要原因，所以加快回采工作面推進(jìn)速度是防止采空區(qū)自燃的最好措施之一。崔家寨礦井下實(shí)際統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)工作面月推進(jìn)度達(dá)到75 m以上時(shí)，未出現(xiàn)過(guò)自然發(fā)火隱患。

圖9 推進(jìn)速度為3.6m/d時(shí)E12604工作面采空區(qū)溫度分布圖

5 結(jié)論

1)根據(jù)采空區(qū)溫度和O2濃度的變化，綜合以上測(cè)定分析數(shù)據(jù)，E12604工作面的擴(kuò)散帶寬度為23 m左右，氧化帶的寬度大約為70～100 m，其后為工作面的窒息帶。采用兩種方法研究采空區(qū)的“三帶”分布，使得結(jié)論更為可靠。

2)數(shù)值模擬研究表明，當(dāng)工作面正常推進(jìn)時(shí)，采空區(qū)不會(huì)自燃發(fā)火。因此，加快回采工作面推進(jìn)速度是防止采空區(qū)自燃的最好措施之一。崔家寨礦井下實(shí)際統(tǒng)計(jì)表明，當(dāng)工作面月推進(jìn)度達(dá)到75 m以上時(shí)，未出現(xiàn)過(guò)自然發(fā)火隱患。

［1］ 張國(guó)樞，戴廣龍.煤炭自燃理論與防治實(shí)踐［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2002

［2］ 孫勇，張人偉，等.綜放開(kāi)采采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律實(shí)測(cè)分析研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2008，(5):52－55

［3］ 管維生，張顯峰.熱電偶測(cè)溫技術(shù)在礦井防滅火中的應(yīng)用［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，(3):31－33