綜放工作面防滅火三帶測(cè)定與研究

【摘 要】綜放面在正?；夭善陂g，確定采空區(qū)后浮煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域非常重要。根據(jù)綜放工作面開采后采空區(qū)遺煤自燃特點(diǎn)，采用實(shí)驗(yàn)測(cè)定的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)可測(cè)參數(shù)，推算現(xiàn)場(chǎng)不同條件下引起煤體自燃的極限參數(shù)，判定實(shí)際條件下綜放工作面“三帶”分布規(guī)律，自燃危險(xiǎn)區(qū)域和安全推進(jìn)速度，為綜放面自燃針對(duì)性預(yù)防奠定基礎(chǔ)。

【關(guān)鍵詞】采空區(qū)“三帶” 遺煤自燃 劃分條件 觀測(cè)及分析

1 采空區(qū)“三帶”劃分的理論與分析

1.1 采空區(qū)浮煤自燃極限參數(shù)

根據(jù)能量守恒原理，采空區(qū)浮煤自然氧化放熱量大于頂?shù)装迳岷惋L(fēng)流帶走的熱量之和時(shí)，才可能引煤體自然升溫，即采空區(qū)浮煤氧化放熱能引起升溫必須滿足下式：

式中： 、 分別表示工作面風(fēng)流密度（g.cm-3）和熱容（J.g-1. ℃-1）； 為采空區(qū)內(nèi)部距工作面的距離（cm）； 為實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤的放熱強(qiáng)度（J.cm-3.s-1）； 為浮煤導(dǎo)熱系數(shù)（J.s-1.cm-1）； 為采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)速度（cm/s）。

因此，采空區(qū)遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚；要有足夠的氧濃度使浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風(fēng)強(qiáng)度不能足夠大以致于讓風(fēng)流將產(chǎn)生的熱量帶走。

1.1.1采空區(qū)最小浮煤厚度

若把采空區(qū)浮煤看成是無限大平面通過巖體傳導(dǎo)散熱，漏風(fēng)強(qiáng)度很小。認(rèn)為是一維漏風(fēng)，煤體內(nèi)的溫度近似認(rèn)為均勻，則（1）式化為

即當(dāng)浮煤厚度 時(shí)，松散煤體不能引起自然升溫， 為最小浮煤厚度。從（4）式可以看出： 隨煤溫、漏風(fēng)強(qiáng)度、工作面的距離三個(gè)參數(shù)而變化。根據(jù)（4）式，可計(jì)算出不同煤體溫度和漏風(fēng)量時(shí)的最小浮煤厚度。

1.1.2采空區(qū)極限氧濃度

因氧化放熱強(qiáng)度 與氧濃度成正比，即：

從（7）式可以看出；Cmin隨煤溫、漏風(fēng)強(qiáng)度、工作面距離和浮煤厚度四個(gè)參數(shù)變化。忽略風(fēng)流焓變散熱時(shí)，可得出不同浮煤厚度和煤體溫度時(shí)的下限氧濃度值。

1.1.3采空區(qū)極限漏風(fēng)強(qiáng)度

當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度大于 ，又有足夠的氧濃度，且風(fēng)流為一維流動(dòng)，流速是個(gè)常數(shù)，則（1）式化為：

當(dāng)漏風(fēng)強(qiáng)度 時(shí)，煤體就不可能引起自然升溫，稱 為極限漏風(fēng)強(qiáng)度。從（10）式看出 隨煤溫、工作面距離、浮煤厚度三個(gè)參數(shù)變化。

1.2 采空區(qū)遺煤自燃“三帶”劃分條件

采空區(qū)遺煤自燃大體可劃分為三個(gè)帶，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。這三個(gè)帶在生產(chǎn)工作面呈動(dòng)態(tài)變化，主要受工作面推進(jìn)速度影響。

（1）散熱帶。采空區(qū)散熱帶是指在某一定溫度下，雖然有足夠的氧濃度，煤體能得以充分的氧化放熱，但產(chǎn)生的熱量始終小于或等于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。

散熱帶的判定條件為：

（2）窒息帶。采空區(qū)缺氧窒熄帶是指在某一溫度下，雖有足夠的浮煤厚度和蓄熱條件，但由于氧濃度低，使得產(chǎn)生的熱量小于或等于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。

窒熄帶的判定條件為：

（3）氧化升溫帶。采空區(qū)氧化升溫帶是指在某一溫度下，產(chǎn)生的熱量大于散發(fā)熱量的所有點(diǎn)的集合。

采空區(qū)氧化升溫帶的判定條件為：

綜放面采空區(qū)三帶范圍的靜態(tài)劃分見圖1。

2 綜放工作面采空區(qū)“三帶”觀測(cè)及分析

2.1 測(cè)點(diǎn)的布置

采用埋管抽氣法觀測(cè)采空區(qū)氣體濃度分布，即沿工作面回風(fēng)順槽上幫、進(jìn)風(fēng)順槽下幫各敷設(shè)1根￠75mm長(zhǎng)度150m的鋼管，鋼管內(nèi)各布置單芯束管3條，順槽內(nèi)監(jiān)測(cè)點(diǎn)間隔50m，共埋設(shè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)6個(gè)，沿尾梁間隔30m埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)，總計(jì)11個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在如圖2所示。

預(yù)埋束管外套2英寸鋼管對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，探頭外套3寸鋼管進(jìn)行保護(hù)。為了監(jiān)測(cè)采空區(qū)真實(shí)氣體分布，防止采空區(qū)積水堵塞束管，并便于束管埋設(shè)，采空區(qū)束管進(jìn)氣口距離底板高度為均在1m左右。進(jìn)風(fēng)順槽上幫、回風(fēng)順槽下幫束管及套管布置如圖3所示。

2.2 觀測(cè)過程

觀測(cè)工作是通過采空區(qū)預(yù)埋管路進(jìn)行氣樣分析，掌握采空區(qū)氣體濃度隨工作面推進(jìn)的變化情況；同時(shí)測(cè)定工作面風(fēng)量、氣體濃度等參數(shù)等。各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抽取氣樣，分析的氣體成分為O2、CO、CO2、及CH4等烴類氣體。根據(jù)測(cè)定的結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，得出綜放面采空區(qū)氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度、三帶分布平面圖。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果及分析

根據(jù)工作面推進(jìn)情況、氧氣濃度分布以及漏風(fēng)強(qiáng)度分布情況對(duì)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)進(jìn)行分析與得出結(jié)論。根據(jù)測(cè)定采空區(qū)不同位置氣體濃度。據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，擬合出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷以及尾梁5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)具有典型代表性氧濃度的變化規(guī)律。

采空區(qū)能引起煤自燃的漏風(fēng)強(qiáng)度很小，漏風(fēng)滲入采空區(qū)，風(fēng)流中的氧不斷消耗。假定漏風(fēng)流僅沿一維流動(dòng)，當(dāng)松散煤體內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度恒定不變時(shí)，則漏風(fēng)強(qiáng)度與氧濃度關(guān)系：

式中：C、C0分別為實(shí)際氧濃度和標(biāo)準(zhǔn)氧濃度（取9.375×10-6 （mol.cm-3））； 、 、分別為松散煤體在實(shí)際氧濃度和標(biāo)準(zhǔn)氧濃度中不同溫度下的耗氧速度， 為松散煤體表面漏風(fēng)強(qiáng)度； 、 分別為松散煤體內(nèi)部和表面的坐標(biāo)。

2.4 采空區(qū)浮煤自燃極限參數(shù)確定

采空區(qū)遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚；要有足夠的氧氣濃度能使浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風(fēng)強(qiáng)度不能過大，以免產(chǎn)生的熱量讓風(fēng)流帶走。

3 結(jié)語

根據(jù)自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測(cè)定的煤放熱強(qiáng)度和耗氧速度，工作面的實(shí)際情況和回采率確定出的采空區(qū)浮煤厚度分布；通過向采空區(qū)埋管測(cè)出采空區(qū)的氧氣濃度分布，并由氧濃度分布推算出漏風(fēng)強(qiáng)度分布；運(yùn)用浮煤自燃數(shù)學(xué)模型計(jì)算出采空的極限參數(shù)，劃分砂墩子礦N4002綜放面采空區(qū)自燃“三帶”和危險(xiǎn)區(qū)域，推算出安全推進(jìn)速度，可以得出：

（1）采空區(qū)“三帶”劃分主要依據(jù)是采空區(qū)浮煤厚度、氧濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度的分布，這個(gè)區(qū)域是正常生產(chǎn)煤自燃防治的重點(diǎn)范圍。

（2）為了保障該面在觀測(cè)期間不出現(xiàn)自燃隱患，工作面均采用正常的防滅火技術(shù)措施，如注氮等措施。在這些措施采取的基礎(chǔ)上，采空區(qū)三帶和類似礦井綜放面三帶劃分結(jié)果類似，說明正常推進(jìn)過程中這些防火措施還是對(duì)防止采空區(qū)內(nèi)煤自燃起到了很大的作用。

作者簡(jiǎn)介：李偉（1991—），男，山西朔州人，?？疲喊残陆夯ぜ瘓F(tuán)有限公司，砂墩子礦，助理工程師。研究方向：煤礦工作面防滅火三帶測(cè)定與研究。