近距離煤層群開采上覆煤層自燃危險區(qū)域探測技術

邢 震

(1.中煤科工集團 常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

近距離煤層群開采上覆煤層自燃危險區(qū)域探測技術

邢 震1，2

(1.中煤科工集團 常州研究院有限公司，江蘇 常州 213015；2.天地(常州)自動化股份有限公司，江蘇 常州 213015)

針對近距離煤層群采空區(qū)自然發(fā)火隱蔽高溫區(qū)難以識別問題，采用分布式光纖溫度探測技術對火源高溫點監(jiān)測，以及井下近距離抽氣的束管探測技術對氣體異常點監(jiān)測。根據(jù)近距離煤層群開采遺煤分布特征及漏風規(guī)律，布置符合現(xiàn)場實際情況的氣體測點，通過現(xiàn)場觀測結果研究了采空區(qū)內溫度分布及氣體分布規(guī)律。結果表明：光纖測溫結合近距離束管抽氣的方法能較全面地監(jiān)測近距離煤層群開采上覆煤層自燃關鍵參數(shù)變化，同時對類似礦井火區(qū)探測研究具有較好的借鑒意義。

近距離；煤層群；上覆煤層；采空區(qū)；火區(qū)探測

煤層群開采埋深較淺，煤層之間距離小，開采過程中相鄰煤層會相互影響[1-3]。特別是上覆煤層開采完成形成采空區(qū)，開采本煤層時由于負壓作用與上覆煤層的大量層間及地表裂隙形成漏風通道，且由于現(xiàn)有開采方式導致進回風巷道遺留的煤較多，形成了遺煤自燃的物質基礎，一旦熱量積聚足夠，上覆煤層及開采煤層采空區(qū)都容易發(fā)生自然發(fā)火現(xiàn)象，加大了火區(qū)高溫火源點的辨識難度，從而使有毒有害氣體治理難度加大[4-6]。因此采用有效的監(jiān)測手段及時識別出隱蔽高溫區(qū)域，是煤層群開采自然發(fā)火治理的重點[7-8]。

目前對于采空區(qū)煤自燃的監(jiān)測常用的有光纖測溫系統(tǒng)及井上束管監(jiān)測系統(tǒng)，光纖測溫系統(tǒng)能有效監(jiān)測采空區(qū)煤自燃的溫度，解決煤自燃采空區(qū)監(jiān)測的難題，由于其采用特殊的測溫光纜作為傳感器，僅能做到沿線的監(jiān)測，對于采空區(qū)內未能布置光纖的其他區(qū)域，則無法監(jiān)測，容易形成盲區(qū)。而現(xiàn)有井上束管監(jiān)測系統(tǒng)存在管路長、容易漏氣、實時性差、氣體檢測周期長等缺點，實際應用中，無法得到有效數(shù)據(jù)。采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測裝置集成現(xiàn)有光纖測溫系統(tǒng)及井下束管監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)勢，采用以光纖測溫為主，井下束管監(jiān)測為輔的方法，可以有效地解決近距離煤層群開采上覆煤層采空區(qū)自然發(fā)火的監(jiān)測難題。

1 現(xiàn)場概況

試驗礦井主采煤層為1號、2號煤層，煤層平均間距約為50m，均采用綜合機械化開采方式。其中1號煤層工作面傾向長度為200m，預留煤柱18m，該煤層已經開采完畢，現(xiàn)正在開采2號煤層。1號煤層的2個工作面之間的煤柱恰好位于試驗工作面上部，由于1號煤層工作面停采時間較長，大量裂隙已被壓實，透過1號煤層直接頂?shù)穆╋L忽略不計，因此滲流區(qū)域為1號煤層頂板至2號煤層底板之間。

2 煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)概況

隔爆兼本安型煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置(以下簡稱為“監(jiān)測裝置”)置于煤礦井下，可以實現(xiàn)溫度的連續(xù)分布式監(jiān)測和CO，CO2，CH4，O2的實時在線監(jiān)測。其中溫度監(jiān)測采用光纖測溫的原理，以特殊的多模感溫光纖為傳輸通道和感溫介質，通過與監(jiān)測裝置連接，便可以發(fā)射光信號測沿線溫度，每隔1m布設1個測點，對于光纜的另一端無需作任何處理，監(jiān)測裝置最多可以連接20路感溫光纜；對于氣體的監(jiān)測采用井下束管監(jiān)測的原理，通過監(jiān)測裝置內部的抽氣泵獲取動力，將遠端監(jiān)測點的氣體通過布置的束管傳輸?shù)奖O(jiān)測裝置，利用傳感器分析氣體濃度，井下束管不超過2000m，大大縮短了束管長度，解決了束管漏氣等問題，每個監(jiān)測裝置共設計8路氣體管路接入通道。

2.1 系統(tǒng)組成

采空區(qū)煤自燃多參數(shù)監(jiān)測預警系統(tǒng)主要由地面監(jiān)測主機及軟件、傳輸網(wǎng)絡、井下多參數(shù)監(jiān)測裝置、束管(含濾塵器)、束管分路箱(含濾水器)、測溫光纜組成。

2.2 技術指標

(1)運行方式 24 h自動分析或人工設定。

(2)系統(tǒng)容量 每個分站8 路束管。

(3)氣體測量 CO：0～1000×10-6；CO2：0～5%；CH4：0～100%；O2：0～25%。

(4)溫度測量 無源分布式測量。測溫范圍：-20～120℃；通道數(shù)目：4～20可選；單通道最大測量距離：30km；溫度誤差：≤3%(相對于滿量程)；定位精度：≤±2m。

圖1為煤礦火災各參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)架構。

圖1 煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)架構

3 綜放采空區(qū)現(xiàn)場觀測

3.1 測點布置

采空區(qū)溫度測點首先要布置在容易發(fā)生自燃的區(qū)域，采空區(qū)兩巷遺煤較多，容易形成良好的蓄熱環(huán)境，最易發(fā)生煤自燃，因此溫度監(jiān)測點首選布置在采空區(qū)兩巷。

采用束管監(jiān)測方法對采空區(qū)內氣體分布規(guī)律進行研究，對巷道密閉墻進行安裝氣體監(jiān)測測點，密閉墻相距約50m，束管需用50.8mm的鋼管防護。

圖2為溫度及氣體測點布置情況。

圖2 溫度及氣體測點布置情況

3.2 測點防護

為了保護光纜，設計了一種采空區(qū)煤自燃分布式測溫光纖的防護裝置，包括鋼管和與鋼管相連通的軟管，軟管的內徑不小于鋼管的外徑，軟管的端部套設在鋼管端部的外側。在布置分布式測溫光纖時，在一般區(qū)域鋪設鋼管；如在采空區(qū)內部、停采線撤架位置以及密閉墻等特殊位置，則設置與鋼管相連通的軟管。鋼管的導熱性好，便于在管內設置冗余盤，預留光纖，便于施工作業(yè)。軟管在具備良好導熱性能的同時柔韌性好，可以在采空區(qū)、停采線撤架位置以及密閉墻等特殊位置進行彎曲、盤繞，對測溫光纖起到保護作用(圖3)。

圖3 測溫光纜防護裝置

采空區(qū)及回風巷預埋的束管進氣口與底板之間的距離應不小于1.15m，其目的是為了監(jiān)測不同區(qū)域氣體的濃度，避免束管堵塞且方便布置束管，如圖4所示。

圖4 綜放面采空區(qū)埋管觀測探頭布置

4 監(jiān)測結果分析

4.1 溫度監(jiān)測結果

2號光纜位于回風巷，有限監(jiān)測距離為28m，綜采工作面電氣化程度較高，機械、電氣設備等散熱量較大，溫度監(jiān)測結果顯示整體溫度較高。圖5所示為同一條光纜在不同時期的溫度分布情況。

圖5 回風巷溫度監(jiān)測情況

光纜初始埋入回風巷時，其末端著位于回風隅角位置，監(jiān)測的是整個試驗工作面軌道巷的溫度，經過對比可以知道光纖測溫監(jiān)測的結果與現(xiàn)場溫度傳感器監(jiān)測的溫度一致，測量結果可信，可以看出末端溫度略高于巷道溫度，即回風巷內沿風流方向溫度逐步降低，這與實際情況是一致的；隨著工作面的推進，光纖逐步被埋入采空區(qū)，第6d光纖被埋入采空區(qū)約有15m，可以看出溫度有明顯的升高現(xiàn)象，可以判斷采空區(qū)內由于蓄熱環(huán)境良好，出現(xiàn)了氧化，導致溫度升高；工作面推進第9d光纜被埋入采空區(qū)約有27m，此時工作面處于停采狀態(tài)，風量逐漸變小，風流帶入采空區(qū)的熱量顯著變小，采空區(qū)內溫度續(xù)集主要來源于煤的氧化放熱。而漏風通道的存在使得采空區(qū)不同區(qū)域煤的放熱強度有所不同，因而導致溫度差異，呈現(xiàn)先升高后降低的規(guī)律，可以判斷，回風巷內散熱帶范圍是從停采線至采空區(qū)內7m的區(qū)間，氧化升溫帶范圍為8～22m的區(qū)間，窒息帶范圍為采空區(qū)內22m至深部區(qū)域。

4.2 氣體監(jiān)測結果

經過長達2個月的觀測，研究采空區(qū)不同區(qū)域的氣體濃度。氣體測點不動，而工作面在向前推進，記錄了不同時刻固定位置的氣體分布規(guī)律，由于整個工作面推進速度相對于煤自然發(fā)火的過程較快，因此可以看作同一時刻不同位置的氣體分布情況。根據(jù)現(xiàn)場實時觀測數(shù)據(jù)擬合出采空區(qū)O2濃度分布規(guī)律，O2濃度隨著距離工作面距離的加大呈現(xiàn)遞減規(guī)律，且隨著距離工作面距離的增加，背著速度逐步減緩。依據(jù)工作面推進180m的過程中對測點的數(shù)據(jù)所繪制的曲線能夠反映出工作面繼續(xù)推動下，該采空區(qū)的O2濃度分布規(guī)律，見圖6。

圖6 采空區(qū)O2分布規(guī)律

采空區(qū)中測點的O2濃度隨著工作面與測點之間的距離增加而減小。由于采空區(qū)進風處的頂板不垮落，使得該處成為采空區(qū)的漏風通道，觀測過程中進風口位置的濃度變化并不大。在工作面向前推進的過程中，O2濃度隨著采空區(qū)深度的變大而呈現(xiàn)出減小的趨勢。觀測完成時，最終O2濃度降低到5%以下。采空區(qū)回風側測點的O2濃度變化比較大，而且隨著工作面推進，測點的O2濃度在不斷下降。最后到檢測周期結束時O2濃度也減小到了一定程度。因為漏風的位置與進風處的距離比較短，導致雖然位置比較相似，但是回風處觀測點與進風處觀測點相比其O2濃度更小。而且測點處的O2濃度隨著與工作面的距離變大而減弱。當高位巷開始抽采瓦斯，且測點位于采空區(qū)時濃度減小的趨勢變弱，這是由于抽采負壓使得漏風程度增加而導致的。

采空區(qū)的進風處分布的氧化帶較大，所以自燃現(xiàn)象出現(xiàn)的概率較大。進風側CO濃度可以反映整個采空區(qū)的情況，研究煤層自燃的情況可以在現(xiàn)場抽取采空區(qū)進風處的CO濃度進行觀測，隨著工作面的推進呈現(xiàn)出來的趨勢如圖7所示。

圖7 進風側3個測點CO濃度變化規(guī)律

該曲線與自燃的“三帶”分布趨勢相吻合，在工作面推進過程中，3個測點CO的濃度均呈現(xiàn)出從零開始逐步增加的趨勢，當工作面推進9d時3個測點濃度最大，此時1號測點距離工作面約90m，2號測點距離工作面約110m，3號測點距離工作面約130m，3個測點的CO值均達到70×10-6以上，意味著自燃帶里面的遺煤出現(xiàn)了低溫氧化的現(xiàn)象，煤的溫度開始增加，這時該區(qū)域的浮煤或許已經臨近自燃的溫度。

5 結束語

(1)針對淺埋煤層群開采隱蔽火源位置難以識別的特點，采用新研發(fā)的煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)可大范圍、高效率、24h實時監(jiān)測高溫火源點位置，為煤層群開采自然發(fā)火提供先進的監(jiān)測手段。

(2)為避免煤層群開采自然發(fā)火應該防止煤層間及地表漏風，以免引起大面積高溫區(qū)域，一旦有CO等指標氣體異常情況，應該采用煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)，利用分布式光纖測溫及井下就地束管監(jiān)測原理，鎖定高溫火源點，實現(xiàn)高溫火源點的有效治理。

[1]張辛亥，李 昊，等．補連塔煤礦上覆采空區(qū)大面積火區(qū)綜合治理技術研究[J].煤炭工程，2014，46(2)：52-54.

[2]張辛亥，席 光，陳曉坤，等．近距離煤層群開采自燃危險域劃分及自燃預測[J].煤炭學報，2005，30( 6)：733-736.

[3]韓春曉．高瓦斯煤層群煤柱綜采工作面立體抽采技術研究與實踐[J].煤礦開采，2015，20 (4)：118-119，129.

[4]馬 曙，楊明濤，李曉華，等．高瓦斯自燃煤層采空區(qū)瓦斯抽采及防滅火技術實踐[J].煤礦開采，2012，17(1)：83-85.

[5]王長元，王正輝，岳超平．易燃高瓦斯綜放面煤層自燃綜合防治技術[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2007，34 ( 5)：56-58.

[6]邵 昊，蔣曙光，王蘭云，等．尾巷對采空區(qū)煤自燃影響的數(shù)值模擬研究[J].采礦與安全工程學報，2011，28(1)：45-50.

[7]周瑜蒼，郭 璋，李朝輝．特厚易自燃煤層綜放工作面自燃三帶劃分及防滅火技術[J].煤礦開采，2016，21(1)：105-107.

[8]徐圣集．馮家塔礦易自燃煤層采空區(qū)火區(qū)火源探測研究[J].煤礦開采，2016，17(3)：93-95.

[責任編輯：李 青]

Spontaneous Combustion Danger Zone Detection Technology of Overlying Coal Seam with Contiguous Coal Seam Group Mining

XING Zhen1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute，Changzhou 213015,China；2.Tiandi(Changzhou) Automation Co.，Ltd.，Changzhou，213015，China)

In order to solve the difficulty problems that contiguous coal seam group goaf spontaneous combustion conceal high temperature could not distinguished easily，and then distributed optical fiber temperature measurement technology was applied in fire source high temperature monitoring，and gas outlier was monitored with underground contiguous gas extraction tube bundles detection technology.According left-over coal distribution characters and ventilation leakage law of contiguous coal seam group mining，and the test points that conformed the practical situation was layout，and goaf temperature distribution and gas distribution law were studied according observation results in field.The results showed that overlying coal seam spontaneous key parameters of contiguous coal seam group mining could be monitored fully with compound method of optical fiber temperature measurement and contiguous tube bundles，and it references for similar situation.

contiguous；coal seam group；overlying coal seam；goaf；fire detection

2016-11-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.024

國家重點研發(fā)計劃：煤礦重大災害感知技術和裝備(2016YFC0801804)

邢 震(1987-)，男，山東臨沂人，碩士，助理研究員，現(xiàn)從事煤礦災害治理及監(jiān)測相關工作。

邢 震.近距離煤層群開采上覆煤層自燃危險區(qū)域探測技術[J].煤礦開采，2017，22(2)：96-99.

TD752.1

A

1006-6225(2017)02-0096-04