瓦斯抽放條件下綜放面采空區(qū)易自燃區(qū)的判定

寧洪進(jìn) 李偉民 魏海亮 時(shí)國(guó)慶

(1.肥城礦業(yè)集團(tuán)梁寶寺能源有限責(zé)任公司；2.山東煤礦安全監(jiān)察局魯西分局；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全學(xué)院)

瓦斯抽放條件下綜放面采空區(qū)易自燃區(qū)的判定

寧洪進(jìn)1李偉民1魏海亮2時(shí)國(guó)慶3

(1.肥城礦業(yè)集團(tuán)梁寶寺能源有限責(zé)任公司；2.山東煤礦安全監(jiān)察局魯西分局；3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全學(xué)院)

為了掌握梁寶寺煤礦3418綜放面采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布特征，在采空區(qū)瓦斯抽放的條件下，采用全面布點(diǎn)法對(duì)采空區(qū)氣體和溫度變化規(guī)律進(jìn)行了觀測(cè)，利用Matlab數(shù)據(jù)分析工具，擬合得出了該工作面采空區(qū)氧氣等各主要?dú)怏w濃度和溫度的等值線圖，并對(duì)采空區(qū)各氣體濃度、溫度和浮煤分布數(shù)據(jù)進(jìn)行疊加，得出瓦斯抽放條件下綜放面采空區(qū)易自燃區(qū)域分布范圍，為采空區(qū)易自燃區(qū)域的定向防治設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

綜放面采空區(qū) 易自燃區(qū)域 瓦斯抽放 自燃“三帶”

Shandong Coal Mine Safety Supervision;3.School of Safety Engineering,China University of Ming and Technology)

根據(jù)煤自燃的煤氧復(fù)合作用學(xué)說(shuō)，煤炭自燃必須同時(shí)具備以下幾個(gè)條件[1-2]：①煤層具有自燃傾向性且呈破碎狀態(tài)堆積；②連續(xù)通風(fēng)供氧；③持續(xù)的蓄熱環(huán)境；④足夠的氧化時(shí)間。波蘭學(xué)者從自然發(fā)火的角度出發(fā)，將采空區(qū)劃分為3個(gè)區(qū)域，依次稱作為“不自燃帶”、“自燃帶”和“窒息帶”。依據(jù)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定理論，位于采空區(qū)自燃帶內(nèi)，同時(shí)又滿足浮煤堆積厚度和溫度聚集條件的范圍就可以判定為采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域，而掌握采空區(qū)易自燃危險(xiǎn)區(qū)域的分布范圍是有效防控綜放面自然發(fā)火的基礎(chǔ)[3-4]。

梁寶寺煤礦西翼3418綜放工作面是3400采區(qū)第6個(gè)3煤層綜采放頂煤工作面,開(kāi)采煤層屬Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期20～30 d，處于瓦斯異常區(qū)域。為保證上隅角及工作面不出現(xiàn)局部瓦斯超限，在距工作面切眼50 m利用軌皮順鉆機(jī)硐室設(shè)計(jì)首組高位鉆孔，此后在綜放段每隔50 m設(shè)計(jì)一組高位鉆孔，每組2個(gè)通過(guò)高位鉆孔對(duì)工作面實(shí)施瓦斯抽放，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)增加，自然發(fā)火和自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律異常。為了防止采空區(qū)煤炭自燃，有必要在不停止瓦斯抽放的條件下，開(kāi)展采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布規(guī)律的測(cè)試研究工作。

1 采空區(qū)氣體和溫度場(chǎng)的測(cè)定

采空區(qū)自燃“三帶”的正確劃分能夠?yàn)槊鹤匀挤乐喂ぷ鞯拈_(kāi)展提供重要參考，但如何劃分目前尚無(wú)統(tǒng)一指標(biāo)。當(dāng)前煤礦現(xiàn)場(chǎng)常依據(jù)氧氣濃度進(jìn)行劃分[1]：散熱帶的氧氣濃度大于18%；自燃帶的氧氣濃度為8%～18%；窒息帶的氧氣濃度小于8%。相比于溫度和漏風(fēng)速度，采空區(qū)氧濃度易于觀測(cè)，且基本上能夠反映煤炭自燃的環(huán)境，再輔以其他主要?dú)怏w的分析，綜合判斷抽采條件下采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的分布規(guī)律，是十分可行的。

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

對(duì)于綜放工作面，由于放煤的回收率稍低，除兩道位置以外采空區(qū)中部的浮煤也較多，造成采空區(qū)中部也易自然發(fā)火[5-6]。因此，必須對(duì)采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律進(jìn)行較為全面的研究，故本次選擇全面布點(diǎn)法，即沿工作面傾向埋設(shè)4個(gè)測(cè)氣和測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。測(cè)點(diǎn)間距約33 m，氣體通過(guò)采空區(qū)埋設(shè)的束管和與之相連接的抽氣泵進(jìn)行抽取。采用AD590傳感器、導(dǎo)線和萬(wàn)用表組成測(cè)試系統(tǒng)，防止測(cè)點(diǎn)和測(cè)溫導(dǎo)線被采空區(qū)冒落的巖石破壞，傳感器、束管和測(cè)溫導(dǎo)線全部采用鋼管保護(hù)，長(zhǎng)度約200 m，即觀測(cè)距離初步確定為沿工作面走向200 m。為防止束管抽取套管內(nèi)的氣體，在氣樣采集點(diǎn)位置用錨固劑對(duì)束管和傳感器進(jìn)行密封固定。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置示意

1.2 觀測(cè)結(jié)果

通過(guò)近一個(gè)月的觀測(cè)，3418綜放面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)數(shù)據(jù)和推進(jìn)度、時(shí)間之間的關(guān)系見(jiàn)圖2～圖4所示。

圖2 氧氣濃度隨回采距離的變化

2 數(shù)據(jù)分析與自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定

2.1 氣體變化規(guī)律的分析

通過(guò)實(shí)測(cè)不可能得到3418綜放面瓦斯抽放條件下整個(gè)采空區(qū)內(nèi)部氣體、溫度場(chǎng)的連續(xù)分布。為了更全面地探討該工作面采空區(qū)內(nèi)部氣體和溫度的連續(xù)變化規(guī)律，利用Matlab中的meshgrid、griddata函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平面差分，然后用mesh和contour函數(shù)，繪制O2，N2，CO濃度，CH4濃度和溫度數(shù)據(jù)的立體分布和等值線圖，如圖5～圖8，其中，走向距離x為測(cè)點(diǎn)到工作面的距離，m；y為測(cè)點(diǎn)距軌順的傾向距離，m。

圖3 一氧化碳濃度隨回采距離的變化

圖4 溫度隨工作面回采距離的變化

2.1.1 O2濃度變化規(guī)律分析

從圖5可以看出，3418采空區(qū)內(nèi)部氧濃度隨走向距離的增加不斷降低，且工作面中部氧濃度降低較快，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面140 m左右時(shí)，氧濃度降到2.2%左右;在走向上，采空區(qū)氧濃度經(jīng)歷一個(gè)快速降低、緩慢降低的過(guò)程，尤其對(duì)于傾向中部測(cè)點(diǎn)來(lái)說(shuō)，初始階段氧濃度降低較快，后期緩慢降低，這是由于距工作面較近時(shí)，煤氧化和瓦斯涌出;后期氧濃度較低，氧化速度變慢，氧濃度的降低主要受甲烷涌出影響;順槽處的氧濃度較高是由于漏風(fēng)造成的。另外，由于采空區(qū)上覆巖石冒落“O”型圈的作用，采空區(qū)中部容易壓實(shí)，造成該區(qū)域漏風(fēng)較小，且甲烷不易被風(fēng)流帶走，使得該區(qū)域氧濃度下降較快。

2.1.2 N2濃度變化規(guī)律分析

從圖6可知，隨著走向距離增大，氮?dú)鉂舛炔粩嘣黾?，且傾向中部區(qū)域氮?dú)鉂舛仍黾铀俣瓤?，最終濃度較高。這是由于隨著走向距離增加，漏風(fēng)減小，且采空區(qū)浮煤氧化使得內(nèi)部氧濃度降低，氮?dú)鉂舛认鄬?duì)升高，由于傾向中部一方面氧化較快，容易壓實(shí)，因此氮?dú)鉂舛仍黾虞^快，導(dǎo)致最終氮?dú)鉂舛容^高;在傾向中部當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面80多m時(shí)，氮?dú)鉂舛融呌诜€(wěn)定，這是由于當(dāng)測(cè)點(diǎn)到達(dá)這個(gè)區(qū)域后，浮煤氧化速度已經(jīng)很慢，瓦斯涌出也趨于穩(wěn)定，從而使得氮?dú)鉂舛融呌诜€(wěn)定。從等值線圖可以看出，在走向同樣距離處，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氮?dú)鉂舛鹊陀诨仫L(fēng)側(cè)的氮?dú)鉂舛龋f(shuō)明漏風(fēng)對(duì)氮?dú)獾臐舛扔绊戄^大。

圖5 采空區(qū)內(nèi)部O2濃度變化規(guī)律

圖6 采空區(qū)內(nèi)部N2濃度變化規(guī)律

2.1.3 CO濃度變化規(guī)律分析

圖7為采空區(qū)內(nèi)部CO濃度變化規(guī)律。從圖中可以看出，走向上，一氧化碳先增大后減小，且在同樣走向距離的采空區(qū)，回風(fēng)側(cè)的一氧化碳濃度高于進(jìn)風(fēng)側(cè)一氧化碳濃度;一氧化碳有兩個(gè)峰值，說(shuō)明該采空區(qū)有兩個(gè)快速氧化區(qū)域，分別位于1#測(cè)點(diǎn)和3#測(cè)點(diǎn)處，且3#測(cè)點(diǎn)的一氧化碳濃度峰值高于1#測(cè)點(diǎn),3#測(cè)點(diǎn)距工作面的距離較近。3#測(cè)點(diǎn)氧化速度較快是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)區(qū)域漏風(fēng)風(fēng)速較大，氧化生成的一氧化碳隨風(fēng)流帶到回風(fēng)側(cè)；3#測(cè)點(diǎn)區(qū)域由于漏風(fēng)風(fēng)速適于氧化，一氧化碳濃度較高；回風(fēng)側(cè)一方面由于上風(fēng)側(cè)一氧化碳在此區(qū)域匯聚，另一方面由于采空區(qū)瓦斯抽放使得回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)增大，適于氧化，這造成回風(fēng)側(cè)一氧化碳出現(xiàn)峰值。

圖7 采空區(qū)內(nèi)部CO濃度變化規(guī)律

2.1.4 CH4濃度變化規(guī)律分析

由圖8中可知，隨著走向距離增加，甲烷濃度不斷增加，且甲烷最大濃度出現(xiàn)在回風(fēng)側(cè)，當(dāng)走向距離為140 m左右時(shí)，甲烷濃度大于6.6%，說(shuō)明此區(qū)域受漏風(fēng)的影響較小。

圖8 采空區(qū)內(nèi)部CH4濃度變化規(guī)律

2.1.5 溫度變化規(guī)律分析

圖9為該工作面內(nèi)部溫度變化規(guī)律，從中可以看出，該采空區(qū)存在兩個(gè)溫度異常區(qū)，分別位于1#和3#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域。在3#測(cè)點(diǎn)區(qū)域最高溫度達(dá)到了72 ℃，需要加強(qiáng)監(jiān)控，防止引發(fā)自燃火災(zāi)；回風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域最高溫度也達(dá)到了60 ℃，也需要加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，防止回風(fēng)側(cè)發(fā)生自燃火災(zāi)。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果分析

為了很好的顯示采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，依據(jù)氧濃度對(duì)3418綜放面的自燃“三帶”范圍進(jìn)行了劃分，如圖10所示，準(zhǔn)確范圍見(jiàn)表1。

整體來(lái)說(shuō)進(jìn)風(fēng)側(cè)的散熱帶較長(zhǎng)，中部散熱帶較短，回風(fēng)側(cè)的氧化帶最長(zhǎng)。需要說(shuō)明的是，3#測(cè)點(diǎn)區(qū)域的實(shí)際氧化距離比圖中顯示的要長(zhǎng)，由于煤的氧化消耗了氧氣，使得采空區(qū)深部氧濃度降低。由于該礦屬于Ⅱ類易自燃煤層，自然發(fā)火期3～6個(gè)月，最短自然發(fā)火期33 d，因此得出各測(cè)點(diǎn)的最小安全推進(jìn)速度(表1)?？梢钥闯觯?#測(cè)點(diǎn)氧化帶長(zhǎng)度最短，且距離工作面最近，增大了該區(qū)域的危險(xiǎn)性；1#測(cè)點(diǎn)氧化帶最長(zhǎng)，需要的安全推進(jìn)速度最小為 2.2 m/d，在觀測(cè)階段，該工作面平均推進(jìn)速度為5.4 m/d，遠(yuǎn)大于最小安全推進(jìn)速度，可以保證該工作面的順利回采。

圖9 采空區(qū)內(nèi)部溫度變化規(guī)律

圖10 3418綜放面自燃“三帶”分布

測(cè)點(diǎn)散熱帶/m氧化帶/m窒息帶/m氧化帶長(zhǎng)度/m安全推進(jìn)速度/(m/d)1#0～1313～83.5>83.570.5>2.22#0～11.511.5～75.5>75.564>2.03#0～66～53.5>53.547.5>1.54#0～2323～80.5>80.557.5>1.8

2.3 3418綜放面易自燃區(qū)域的判定結(jié)果

梁寶寺礦主采3#煤層具有Ⅱ級(jí)自燃傾向，最短自然發(fā)火期為33 d，如果滿足一定漏風(fēng)、厚度浮煤，且氣體和溫度觀測(cè)顯示存在煤的氧化加速，則該區(qū)域即可定義為自燃危險(xiǎn)區(qū)域，當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于危險(xiǎn)區(qū)域的安全推進(jìn)速度時(shí)，該區(qū)域就可能自燃。3418工作面為綜放面，煤層平均厚度為 6.35 m，回采率約90%，采空區(qū)各處的浮煤普遍滿足煤自燃對(duì)遺煤厚度的要求。根據(jù)以上觀測(cè)數(shù)據(jù)，疊加O2濃度、CO濃度、溫度數(shù)據(jù)以及浮煤分布，得出該工作面比較容易自然發(fā)火的區(qū)域如圖11所示。其中，氧濃度上下限分別為18%和8%；CO下限此處選擇為100×10-6，溫度選擇40 ℃以上，浮煤厚度選擇 0.4 m 以上。

圖11 3418綜放面易自燃區(qū)域判定結(jié)果

從圖11可以看出，3418綜放面采空區(qū)有兩個(gè)易自燃區(qū)域，一個(gè)位于走向6～55 m和傾向15～ 55 m，另一個(gè)位于走向25～45 m和傾向80～100 m，由于第一個(gè)易自燃區(qū)域距離工作面較近且范圍較大，加上該區(qū)域處于進(jìn)風(fēng)側(cè)不易被直接監(jiān)測(cè)，因此這些位置是采空區(qū)防火工作的重點(diǎn)區(qū)域。

3 結(jié) 論

為獲取采空區(qū)內(nèi)部自燃“三帶”范圍，針對(duì)梁寶寺煤礦3418工作面沿傾向上布置了4個(gè)氣體和溫度測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行了自燃“三帶”觀測(cè)，利用Matlab對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了采空區(qū)內(nèi)部O2、N2、CO濃度和溫度的變化規(guī)律，劃分了采空區(qū)自燃“三帶”范圍，得出了從防滅火角度該工作面的最小安全推進(jìn)速度，主要結(jié)論如下：

(1)隨采空區(qū)深度的不斷增加，3418綜放面采空區(qū)內(nèi)部的氧氣濃度不斷降低，工作面中部氧濃度降低較快，當(dāng)測(cè)點(diǎn)距離工作面140 m左右時(shí)，氧濃度降到2.2%左右，難以支撐浮煤氧化。

(2)采空區(qū)一氧化碳的濃度有兩個(gè)峰值，分別位于1#測(cè)點(diǎn)和3#測(cè)點(diǎn)處，且3#測(cè)點(diǎn)的一氧化碳濃度峰值高于1#測(cè)點(diǎn)，且峰值距工作面較近。

(3)采空區(qū)內(nèi)部溫度有兩個(gè)異常區(qū)域，同一氧化碳的分布規(guī)律相對(duì)應(yīng)，也分別位于1#和3#測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域，3#測(cè)點(diǎn)區(qū)域最高溫度達(dá)到了72 ℃，而對(duì)于回風(fēng)側(cè)的高溫區(qū)域，最高溫度也達(dá)到了60 ℃。

(4)該綜放面采空區(qū)有兩個(gè)易自燃區(qū)域，一個(gè)位于走向6～55 m和傾向15～55 m，另一個(gè)位于走向25～45 m和傾向80～100 m，氧化帶最大寬度值為70.5 m，結(jié)合煤自然發(fā)火期，計(jì)算得出防止煤炭自然發(fā)火的最低回采速度應(yīng)為2.2 m。

[1] 王德明.礦井火災(zāi)防治[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[2] 秦書(shū)玉,趙書(shū)田.煤礦井下內(nèi)因火災(zāi)防治技術(shù)[M].沈陽(yáng)：東北大學(xué)出版社,1993.

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Distribution of Spontaneous Combustion Area in Fully Mechanized Gob under the Conditions of Gas Drainage

Ning Hongjing1Li Weimin1Wei Hailiang2Shi Guoqin3

(1.Shandong Energy Feicheng Mining Group Co.,Ltd.;2.West of Shandong Province Suboffice,Bureau of

In order to study the Distribution of spontaneous combustion area in fully mechanized gob under the conditions of gas drainage, the float coal depositstatus in the goaf is analyzed based on the spontaneous combustion characteristic parameters using self ignition experiment oven and the actual observational data of Liangbaosi 3418 working face, the intensity of oxygen of air leakage can be obtained. By analyzing the dynamic distributing regularity of oxygen concentration and leakage intensity when the gas drainage, the dynamic tendency of spontaneous combustion-zone in the gob can be judged, which can provide guidance for early spontaneous combust ion prediction and f ire prevent ion of high gas coal mine.

Goaf of fully mechanized top coal caving mining face,Three room spontaneous combustion zones,Spontaneous combustion,Gob gas drainage

2014-07-25)

寧洪進(jìn)(1965—)，男，科長(zhǎng)，272404 山東省濟(jì)寧市。