孤島綜放工作面回采過(guò)程中防火技術(shù)研究

張雪峰

(同煤國(guó)電 同忻煤礦有限公司，山西 大同 037000)

某礦1302工作面采用綜放放頂煤工藝開(kāi)采，北鄰1301采空區(qū)，南鄰1303采空區(qū)，屬孤島工作面。開(kāi)采煤層屬易自燃煤層，自然發(fā)火期為1～3個(gè)月。工作面距離地表約500 m，在回采過(guò)程中，極易與鄰近采空區(qū)形成漏風(fēng)通道，煤炭自燃條件極易滿足。在這一過(guò)程中，防火工作尤為重要。

1 回采過(guò)程中自然發(fā)火狀況分析

1)周邊發(fā)火率高，中部發(fā)火率低。

綜放工作面在回采過(guò)程中，受采動(dòng)影響，進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、開(kāi)切眼和停采線(兩道兩線)等采空區(qū)周邊位置的矸石遺煤密實(shí)性較采空區(qū)中部小?；诖颂攸c(diǎn)，采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)阻和漏風(fēng)分布有所不同，表現(xiàn)為采空區(qū)周邊風(fēng)阻小，漏風(fēng)強(qiáng)度大，采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)阻大，漏風(fēng)強(qiáng)度小，進(jìn)而導(dǎo)致采空區(qū)周邊自然發(fā)火率高，中部自然發(fā)火率低[1]。

2)本工作面采空區(qū)發(fā)火率低，相鄰采空區(qū)發(fā)火率高。

在回采過(guò)程中，本工作面采空區(qū)內(nèi)的遺煤屬于初次氧化，而臨近采空區(qū)的遺煤屬二次氧化。二次氧化的遺煤氧化升溫速度比初次氧化的遺煤自燃升溫的速度快，火區(qū)復(fù)燃的速度也比自然發(fā)火速度快，使得防滅火工作更加困難[2]。對(duì)于自然發(fā)火的難易程度，相鄰采空區(qū)的自然發(fā)火率比本工作面采空區(qū)的自然發(fā)火率高[3]。

3)兩道兩線發(fā)火率高。

綜采放頂煤工藝的進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽支架處頂煤放出率低，在采動(dòng)影響下，頂煤受壓而發(fā)生破碎、壓酥、離層等現(xiàn)象，且巷道頂煤已經(jīng)經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的氧化升溫，在進(jìn)入采空區(qū)后兩巷的遺煤溫度較其他地點(diǎn)高，極易發(fā)生自然發(fā)火。

綜放工作面開(kāi)切眼處斷面積大，積存遺煤多，初期工作面推進(jìn)速度慢，開(kāi)切眼處遺煤氧化時(shí)間長(zhǎng)，煤體溫度較高，在一定的漏風(fēng)條件下，極易發(fā)生煤炭自燃。停采前20～30 m，工作面不放頂煤，采空區(qū)遺煤較多，停采后若不能及時(shí)撤面、封閉采空區(qū)，將導(dǎo)致自燃危險(xiǎn)性的增加。

2 采區(qū)通風(fēng)壓能測(cè)量及漏風(fēng)量測(cè)定

2.1 各測(cè)點(diǎn)壓能的測(cè)算

首先，在礦井通風(fēng)系統(tǒng)圖上確定各壓能測(cè)點(diǎn)的位置。壓能的測(cè)點(diǎn)一般選在各個(gè)風(fēng)流的分、合點(diǎn)，斜立巷和水平巷的各交點(diǎn)(見(jiàn)圖1)，輔扇、風(fēng)門、調(diào)節(jié)門和主要防火墻的前后各點(diǎn)。測(cè)壓前要在采掘工程平面圖上查清或測(cè)定各測(cè)點(diǎn)精確標(biāo)高。采用基點(diǎn)法對(duì)各點(diǎn)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定氣壓計(jì)讀數(shù)、干溫度、濕溫度和風(fēng)速，風(fēng)速要連續(xù)測(cè)3次取其平均值，其余可測(cè)1次，然后再測(cè)量測(cè)風(fēng)處斷面積，計(jì)算出風(fēng)量，以計(jì)算風(fēng)量平差和校正風(fēng)速[4]。

分別計(jì)算各點(diǎn)的絕對(duì)靜壓、動(dòng)壓、絕對(duì)全壓、位壓、相鄰采空區(qū)的靜壓和阻力，見(jiàn)表1。

圖1 1302工作面通風(fēng)系統(tǒng)圖

表1各測(cè)點(diǎn)壓能值及阻力計(jì)算表

2.2 進(jìn)回風(fēng)巷壓力坡度線與漏風(fēng)量關(guān)系圖

1302工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意圖見(jiàn)圖2。進(jìn)回風(fēng)巷與相鄰采空區(qū)絕對(duì)靜壓差與漏風(fēng)量關(guān)系圖見(jiàn)圖3，圖4。

圖2 1302工作面通風(fēng)系統(tǒng)示意

P1—采空區(qū)絕對(duì)靜壓 P2—進(jìn)風(fēng)巷絕對(duì)靜壓

P1—相鄰采空區(qū)絕對(duì)靜壓 P2—進(jìn)風(fēng)巷絕對(duì)靜壓

2.3 工作面漏風(fēng)量計(jì)算

由單元格法在工作面布置測(cè)點(diǎn)，見(jiàn)圖5。

圖5 工作面測(cè)點(diǎn)布置圖

工作面各測(cè)點(diǎn)的漏風(fēng)情況見(jiàn)表2。

表2 工作面各測(cè)點(diǎn)測(cè)量值分析表

由表2可知，從工作面1～4點(diǎn)流入采空區(qū)的總風(fēng)量為201 m3/s ，從采空區(qū)流出工作面4～7點(diǎn)的總風(fēng)量為200.1 m3/s，可見(jiàn)，流入和流出采空區(qū)的風(fēng)量基本相等。

3 采空區(qū)“三帶”參數(shù)測(cè)定

測(cè)定的主要途徑是利用檢測(cè)裝置在試驗(yàn)工作面建立一氧化碳、氧氣以及乙烯觀測(cè)系統(tǒng)，裝置的主要由傳感器、傳感器引線、數(shù)字測(cè)試儀表、保護(hù)鐵管和測(cè)采站等部分組成，見(jiàn)圖6。

圖6 測(cè)試觀測(cè)系統(tǒng)示意圖

通過(guò)對(duì)5個(gè)測(cè)點(diǎn)在距工作面不同距離的采空區(qū)內(nèi)的氣樣分析，分別得出CH4、CO2、C2H6、O2等參數(shù)，根據(jù)5個(gè)測(cè)點(diǎn)的不同參數(shù)，繪制出隨工作面推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)O2濃度的變化曲線，以便直觀探尋采空區(qū)的三帶分布規(guī)律。通過(guò)分析數(shù)據(jù)得出：

1)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后20 m左右，CO氣體出現(xiàn)，判定不自燃帶位于采空區(qū)后20 m范圍內(nèi)[5]。

2)氣體濃度變化和溫度變化較大的區(qū)域?yàn)?0～55 m。頂板垮落規(guī)律和通風(fēng)狀態(tài)變化規(guī)律決定了其遺煤氧化升溫規(guī)律。當(dāng)頂板出現(xiàn)周期性來(lái)壓時(shí)，通風(fēng)狀態(tài)發(fā)生變化，區(qū)域漏風(fēng)量增大，遺煤氧化速度加大，遺煤溫度上升，隨之出現(xiàn)CO氣體。隨后頂板逐漸壓實(shí)，漏風(fēng)量減小，氧化速度減弱，遺煤溫度下降，此區(qū)域?yàn)樽匀紟6]。

3)進(jìn)入采空區(qū)55 m后，測(cè)點(diǎn)氣體和溫度濃度呈下降趨勢(shì)并穩(wěn)定在一定狀態(tài)，可以斷定超過(guò)55 m后的區(qū)域基本為壓實(shí)區(qū)，其氧氣濃度也不受外界通風(fēng)系統(tǒng)變化的影響，該區(qū)域可以定義為窒息帶。

4 工作面最小推進(jìn)速度的確定

通過(guò)采空區(qū)漏風(fēng)流場(chǎng)的速度分布和氧氣濃度分布，結(jié)合采空區(qū)三帶的劃分方法，確定采空區(qū)“三帶”具體范圍，并與現(xiàn)場(chǎng)溫度取樣相互驗(yàn)證，進(jìn)而確定工作面最小推進(jìn)速度V：

V=L自/T

式中:

V—工作面最小推進(jìn)速度，m/d；

L自—自燃帶寬度，m；

T—煤層煤樣的最短自然發(fā)火期，d。

自燃帶寬度取決于頂板巖性、工作面推進(jìn)速度、漏風(fēng)通風(fēng)壓差，本煤層自燃帶的距離為50 m。自燃發(fā)火煤層，發(fā)火期一般為3～6個(gè)月。

代入上式可得：V=0.56 m/d。

即月推進(jìn)量為16.7 m，在實(shí)際生產(chǎn)中該煤層月推進(jìn)量能達(dá)到70～80 m，因此,1302工作面采空區(qū)自然發(fā)火的可能性極低。

5 結(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，總結(jié)工作面開(kāi)采過(guò)程中自然發(fā)火規(guī)律為：采空區(qū)周邊發(fā)火率高，中部發(fā)火率低；本工作面采空區(qū)發(fā)火率低，相鄰采空區(qū)發(fā)火率高；兩道兩線發(fā)火率高。

從工作面壓能分布的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，1302工作面的進(jìn)回風(fēng)巷與相鄰1301和1303采空區(qū)，靜壓能差均較小，進(jìn)風(fēng)巷與1301采空區(qū)的最大漏風(fēng)量只有11 m3/min，回風(fēng)巷與1303采空區(qū)的最大漏風(fēng)量只有49.1 m3/min，不足以引起相鄰采空區(qū)的自然發(fā)火，基本上實(shí)現(xiàn)了1302工作面的進(jìn)回風(fēng)巷與相鄰1301和1303采空區(qū)之間的均壓通風(fēng)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)溫和取樣分析數(shù)據(jù)得出，采空區(qū)20 m范圍為不自燃帶。各測(cè)點(diǎn)溫度變化和氧氣濃度較大的區(qū)域是20～55 m，該區(qū)間可以被稱為自燃帶。超過(guò)55 m后的區(qū)域基本為壓實(shí)區(qū)，其溫度和氧氣濃度也不受外界通風(fēng)系統(tǒng)的變化影響，該區(qū)域可以定義為窒息帶。

1302工作面的最小推進(jìn)速度為16.7 m，實(shí)際推進(jìn)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最小推進(jìn)速度，因此,采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的可能性極低。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]陳士軍，劉憲明.孤島工作面綜放開(kāi)采過(guò)程中自然發(fā)火狀況分析[J].山東煤炭科技，2010(2)：13-14.

[2]孟祥軍，程衛(wèi)民.深井近距離開(kāi)采易燃厚煤層二次氧化自燃發(fā)火的預(yù)控技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2010:17-18

[3]張傳勝，潘傳連，朱啟寬.厚煤層分層開(kāi)采煤層自燃發(fā)火的綜合防治[J].山東煤炭科技，2002(6)：5-6.

[4]樊海燕.大面積采空區(qū)煤炭自燃區(qū)域防治技術(shù)[D].青島:山東科技大學(xué)，2008:37-41.

[5]楊 炎.孤島綜放面采空區(qū)“三帶”數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)研究[J].煤炭技術(shù)，2009,28(10)：41-43.

[6]王 雷，楊勝?gòu)?qiáng).采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律及其數(shù)值模擬研究[J].能源技術(shù)與管理，2006(3)：12-15.