涼水井煤礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分實施方法探討

張馳

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.22.027

摘 要：通過分析涼水井煤礦現(xiàn)階段防滅火措施的可行性和不足之處，結(jié)合理論研究方法，提出了使用氧氣濃度為主要指標(biāo)、溫升速率為參考指標(biāo)和敷設(shè)束管線、熱電偶作為測量手段對涼水井煤礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分的實施方法，對礦井后期防滅火工作提供了重要的指導(dǎo)，對預(yù)防采空區(qū)內(nèi)因火災(zāi)、保障礦井安全生產(chǎn)有十分重要的意義。

關(guān)鍵詞：采空區(qū) 三帶 火災(zāi) 自燃

中圖分類號：TD752.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）08（a）-0027-03

作為煤礦五大自然災(zāi)害之一，火災(zāi)的發(fā)生不僅能產(chǎn)生大量的CO造成作業(yè)人員中毒，高溫?zé)熈骺赡軐?dǎo)致巷道風(fēng)流逆轉(zhuǎn)、破壞通風(fēng)系統(tǒng)，而且還會燒毀資源、設(shè)備，甚至引起礦井瓦斯燃燒和爆炸。根據(jù)其成因?qū)⒌V井火災(zāi)分為內(nèi)因火災(zāi)和外因火災(zāi)，內(nèi)因火災(zāi)因其發(fā)生過程緩慢，無明顯火焰，不易察覺，也不能及時找到火源的精準(zhǔn)位置，一旦發(fā)現(xiàn)，大面積自燃發(fā)火很難控制和采取措施處理。據(jù)不完全統(tǒng)計，采空區(qū)自燃火災(zāi)占礦井內(nèi)因火災(zāi)的60%左右，由此可見，礦井內(nèi)因火災(zāi)大多數(shù)都與采空區(qū)有關(guān)，但不是采空區(qū)所有區(qū)域都存在自燃發(fā)火威脅，一般根據(jù)自燃發(fā)火可能性高低將采空區(qū)劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶。氧化帶滿足持續(xù)漏風(fēng)供氧、蓄熱條件，當(dāng)有易自燃或自燃煤層呈破碎狀態(tài)堆積時，即可引起采空區(qū)自燃火災(zāi)。因此，采取正確的研究方法，準(zhǔn)確確定氧化帶范圍并采取措施，是有效預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的關(guān)鍵。

1 礦井防滅火現(xiàn)狀

涼水井煤礦隸屬陜西能源集團(tuán)有限責(zé)任公司，礦井核定生產(chǎn)能力8.0 Mt/a，現(xiàn)階段主采4-2煤層，采用“三進(jìn)兩回”分區(qū)式通風(fēng)方式、抽出式通風(fēng)方法進(jìn)行通風(fēng)，屬于瓦斯礦井。根據(jù)陜西安技裝備檢測有限公司對礦井煤層的煤塵爆炸性、煤自燃傾向性化驗結(jié)果得知，4-2煤層自燃傾向性等級為I級，煤塵爆炸性指數(shù)為35.57%，如表1所示。由西安科技大學(xué)承擔(dān)的《涼水井煤礦矸石山防滅火技術(shù)研究》項目報告中指出，礦井最短自燃發(fā)火期為37 d。由此可見自燃發(fā)火是威脅礦井安全生產(chǎn)的重要因素。

涼水井煤礦已建立起以注漿為主、注氮為輔、束管監(jiān)測系統(tǒng)配套的自燃發(fā)火防治體系，二號工業(yè)廣場設(shè)有黃泥灌漿站，制漿能力為82 m3/h。井下設(shè)有臨時和永久注氮硐室，注氮能力為1 800 m3/h，地面設(shè)有束管監(jiān)測系統(tǒng)，在各封閉采空區(qū)和采煤工作面上隅角、采空區(qū)設(shè)置采樣器，能通過氣體變化情況監(jiān)測采空區(qū)氣體是否存在氧化現(xiàn)象。礦井防滅火系統(tǒng)能滿足防滅火工作需要，但在實際使用過程中存在問題。綜采工作面采空區(qū)注氮方式為預(yù)防性注氮，原理為向氧化帶輸送氮氣達(dá)到降低氧氣濃度，預(yù)防煤體劇烈氧化的目的，束管監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測采空區(qū)氧化帶指標(biāo)性氣體變化情況，以判斷采空區(qū)是否存在自燃跡象。但在實際工作中，因礦井未進(jìn)行采空區(qū)“三帶”劃分方面的研究，氮氣輸送管和束管監(jiān)測取樣器埋管位置僅根據(jù)其他礦井經(jīng)驗設(shè)置在采空區(qū)距工作面30 m的位置，由此可能造成預(yù)防性注氮的失效和束管監(jiān)測系統(tǒng)氣體分析的不準(zhǔn)確。為了確保采空區(qū)注氮取得實效，束管監(jiān)測系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)測到自燃跡象，需要采用正確的方法對采空區(qū)“三帶”進(jìn)行劃分。

2 采空區(qū)“三帶”劃分方法

目前對采空區(qū)“三帶”的劃分方法主要根據(jù)對煤自燃過程產(chǎn)生影響的氧氣濃度、漏風(fēng)流速和溫升速率3個指標(biāo)確定，氧氣濃度、漏風(fēng)流速過大可能導(dǎo)致熱量不能積聚，過小不能提供必需的氧氣支持燃燒。溫升指標(biāo)為不確定因素，不同自燃特性的煤層測定結(jié)果不同，可作為輔助參考指標(biāo)。

（1）根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)流速劃分：散熱帶，流速>0.24 m/min；氧化帶，0.1 m/min≤流速≤0.24 m/min；窒息帶，流速<0.1 m/min。

（2）根據(jù)氧氣濃度劃分：散熱帶，濃度>15%；氧化帶，5%≤濃度≤15%；窒息帶，濃度<5%。

（3）溫升速率：當(dāng)溫升速率>1 ℃/d，一般認(rèn)為該區(qū)域為氧化帶。

3 礦井“三帶”劃分實施方法

（1）試驗位置。

礦井現(xiàn)階段布置31101和42112兩個綜采工作面，其中31101為3-1煤層最后一個回采工作面，測定采空區(qū)“三帶”意義不大，因此將測定地點設(shè)置在42112綜采工作面，通過42112工作面研究，可為4-2煤層其他接續(xù)工作面提供相關(guān)技術(shù)參數(shù)。42112工作面走向長4 375 m，傾向長310 m，煤層平均厚度3.06 m，傾角0°～3°，采用長壁綜合機(jī)械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法處理采空區(qū)。

（2）劃分指標(biāo)。

“三帶”劃分指標(biāo)中，其中采空區(qū)漏風(fēng)流速為矢量，現(xiàn)場不易檢測，常用于實驗室研究。根據(jù)礦井煤層自燃特性研究，試驗周期在20 d以內(nèi)時，煤層每天溫升速率小于1 ℃。42112工作面推采速度快（每天約15 m），使用該指標(biāo)不能劃分“三帶”范圍，僅可以作為輔助指標(biāo)。因此在現(xiàn)場測定中選取氧氣濃度作為“三帶”劃分依據(jù)，溫升速率作為輔助參考指標(biāo)，4-2煤層實驗室溫度升溫曲線如圖1所示。

（3）指標(biāo)測量。

為了不影響礦井正常生產(chǎn)，同時減少移架作業(yè)對測量的影響，確保測得數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，測點設(shè)置在42112膠運巷和回風(fēng)巷。為了增強(qiáng)測量數(shù)據(jù)的可靠性，每條巷道設(shè)置3組測點，每組間距20 m，第一組分別設(shè)在上、下隅角位置，距離第3組測點100 m的位置設(shè)觀測點，以便于數(shù)據(jù)統(tǒng)計。氧氣濃度通過束管埋線，使用多功能鑒定器配套氧氣測定管測量，溫度由熱電偶測量，將束管、熱電偶線纜使用DN25鋼管進(jìn)行保護(hù)，采樣器使用DN50鋼管保護(hù)，測點布置如圖2所示。

（4）數(shù)據(jù)分析。

測點進(jìn)入采空區(qū)后，采煤作業(yè)期間每次移架時對測點溫度和氧氣濃度進(jìn)行一次測量，當(dāng)氧氣濃度小于5%并趨于穩(wěn)定時（繼續(xù)測量5次），停止該點測量，否則須進(jìn)行多點測量。根據(jù)膠運巷1#～3#測點，回風(fēng)巷4#～6#測點測得氧氣濃度按照“三帶”標(biāo)準(zhǔn)分別進(jìn)行劃分，各測點之間、膠運巷和回風(fēng)巷對應(yīng)“三帶”進(jìn)行對比，得出劃分范圍，結(jié)合測得溫度參數(shù)，查看氧氣濃度在5%～15%區(qū)域是否存在明顯溫升，進(jìn)一步確定氧化帶范圍。

4 結(jié)語

氧氣濃度可以作為涼水井煤礦綜采工作面采空區(qū)“三帶”劃分主要指標(biāo)，溫升速率為輔助參考指標(biāo)。采取膠運、回風(fēng)巷向采空區(qū)埋管、多次設(shè)置測點的方式測得相關(guān)數(shù)據(jù)，通過詳細(xì)對比可以準(zhǔn)確劃分“三帶”范圍，為礦井后期采空區(qū)自燃發(fā)火防治提供了重要的借鑒。

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