綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律研究

趙圣武，郝強(qiáng)強(qiáng)，張思達(dá)，吳建軍

(陜西陜煤蒲白礦業(yè)有限公司，陜西渭南 715607)

0 引言

我國(guó)煤礦火災(zāi)事故是世界其他主要產(chǎn)煤國(guó)的數(shù)倍，超過(guò)半數(shù)以上煤礦開采煤層均屬自燃煤層，每年約有300多處火區(qū)被封閉，凍結(jié)煤炭數(shù)量超6億t。特別是在煤層賦存復(fù)雜的綜采放頂煤工作面，在地質(zhì)條件較差的煤層中開采時(shí)，推進(jìn)難度大、速度慢，采出率低，采空區(qū)丟煤多，通風(fēng)困難等，這都會(huì)增加采空區(qū)中煤層自燃的風(fēng)險(xiǎn)。因此，合理布置采煤工作面，提高煤炭采出率，可以防止煤炭自燃，提高生產(chǎn)安全性。

建莊煤礦102工作面頂板破碎，底板局部存在底臌現(xiàn)象，煤體相對(duì)松軟，工作面回風(fēng)巷巷道壓力大，采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，工作面回采過(guò)程中自燃隱患較大。通過(guò)觀測(cè)確定建莊煤礦102工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律及自燃危險(xiǎn)區(qū)域，并提出了針對(duì)性的防治措施。

1 觀測(cè)方法

采空區(qū)的溫度和氣體成分分別采用埋設(shè)熱電阻測(cè)定法和埋管真空泵抽氣法監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)在采空區(qū)兩側(cè)，每隔50 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布置6個(gè)監(jiān)測(cè)頭，測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

預(yù)埋管外壁直徑2英寸，其內(nèi)有3根直徑6 mm且顏色不同的內(nèi)管。每個(gè)管分別收集測(cè)點(diǎn)的氣體樣本。為防止采空區(qū)探頭被雜物遮蓋堵塞，每個(gè)探頭須超出水平面0．5 m。溫度探頭嵌在1英寸的管中，引線從2英寸的鋼管中拔出。溫度探頭和束管管口用花管保護(hù)并固定，如圖2所示。采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷側(cè)靠近煤壁處各布置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)等間距布置，相隔約50 m，各測(cè)點(diǎn)距采空區(qū)底板的距離分別約為 2．1 m、1．4 m、1．8 m、2．0 m、1．5 m、2．0 m。

圖1 102綜放面“三帶”觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖2 埋管觀測(cè)探頭布置圖

2 觀測(cè)結(jié)果分析

觀測(cè)工作是利用采空區(qū)束管檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量采空區(qū)內(nèi)各位置的氣體成分、濃度、溫度，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，繪制出102綜放工作面采空區(qū)的浮煤厚度、氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度，再將3種因素耦合確定浮煤自燃極限值。

2．1 采空區(qū)浮煤分布規(guī)律

102綜放工作面煤層平均厚度約為7．37 m，采空區(qū)空隙率約為30%。膠帶巷為矩形斷面，凈寬5.8 m，凈高3．2 m，回風(fēng)巷為矩形巷道，凈寬4．3 m，凈高3．6 m。根據(jù)資料，102工作面采空區(qū)浮煤平均厚度及寬度可推斷如下:膠帶巷(進(jìn)風(fēng)順槽)及其端頭支架處浮煤厚度為5．95 m;工作面中部浮煤厚度約為 2．5 m。

經(jīng)分析可得102綜放面采空區(qū)浮煤厚度等值線分布圖，如圖3所示。

2．2 工作面推進(jìn)過(guò)程中的安全周期規(guī)律

采空區(qū)內(nèi)的浮煤只有在氧氣濃度、漏風(fēng)量、浮煤厚度等達(dá)到一定條件時(shí)才會(huì)自燃，而自燃發(fā)生的區(qū)域?yàn)檠趸郎貛?，氧化升溫帶是隨工作面推進(jìn)而動(dòng)態(tài)變化的范圍，所以工作面推進(jìn)速度應(yīng)該大于浮煤自燃速度，讓浮煤在自燃前離開氧化升溫帶，確保工作面回采安全。

圖3 102采空區(qū)浮煤分布示意圖

由于在氧化升溫帶范圍內(nèi)氧濃度充足、漏風(fēng)量大、浮煤厚，致使浮煤自燃概率較高，處于自燃區(qū)域的浮煤在自燃前離開氧化升溫帶即可降低自燃風(fēng)險(xiǎn)。計(jì)算工作面安全推進(jìn)速度:

工作面推采時(shí)，處于氧化升溫帶內(nèi)的浮煤放熱，溫度逐漸升高，隨著工作面推進(jìn)，氧化升溫帶也在向前推進(jìn)，當(dāng)推進(jìn)速度小于最小安全推進(jìn)周期時(shí)，浮煤放熱時(shí)間超過(guò)安全推進(jìn)周期達(dá)到自燃條件。因此工作面推采速度必須大于最小安全推進(jìn)周期，保證處于氧化升溫帶范圍內(nèi)的浮煤不會(huì)自燃。建莊煤礦102工作面的月推進(jìn)速度平均172 m/月，工作面的安全推進(jìn)速度為90 m/月，所以工作面正常推進(jìn)速度大于安全推進(jìn)周期，浮煤自燃概率較低。

2．3 氧氣濃度分布規(guī)律

對(duì)采空區(qū)不同位置的氣體濃度進(jìn)行了為期33天的監(jiān)測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可確定采空區(qū)不同位置處的氧氣濃度變化規(guī)律，采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流沿不同軌跡從進(jìn)風(fēng)順槽流向回風(fēng)順槽，進(jìn)風(fēng)順槽附近的風(fēng)量較大，回風(fēng)順槽處風(fēng)量較小。如圖4、圖5所示。

圖4 回風(fēng)巷1號(hào)測(cè)點(diǎn)氧濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度而變化曲線

由圖4、圖5可知，隨著距工作面距離的增加，采空區(qū)內(nèi)破碎巖石和縫隙增大風(fēng)流阻力，使風(fēng)流速度減小，氧濃度降低，所以進(jìn)風(fēng)順槽處氧濃度較高，回風(fēng)順槽處氧濃度較低。

圖5 膠帶巷1號(hào)測(cè)點(diǎn)氧濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度而變化曲線

圖6 采空區(qū)氧濃度分布等值線圖

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以繪制采空區(qū)氧氣濃度分布的等值線，如圖6所示。

2．4 漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

通過(guò)以上觀測(cè)，采空區(qū)內(nèi)浮煤的自燃與氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度有密切關(guān)系。根據(jù)能量守恒定律，采空區(qū)內(nèi)散失熱量和風(fēng)流帶走的總熱量小于浮煤的自然氧化放熱量時(shí)，煤體溫度會(huì)逐漸升高。隨著漏風(fēng)強(qiáng)度增大，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度越高。在采空區(qū)貼近工作面處由于漏風(fēng)強(qiáng)度大，所提供的氧氣充足，這種情況下浮煤自燃概率就越高，反之，距離工作面越遠(yuǎn)，漏風(fēng)所攜帶的氧氣被逐漸消耗，浮煤自燃概率較低。

根據(jù)建莊煤礦煤樣自燃實(shí)驗(yàn)結(jié)果和采空區(qū)的實(shí)際觀測(cè)結(jié)果，得到了煤樣在30℃時(shí)的耗氧速度V0(30 ℃)=5．48 ×10－11mol·cm－3·s－1，繪制出采空區(qū)進(jìn)口和回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度的分布，如圖7所示。

2．5 采空區(qū)浮煤自燃極限確定

圖7 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等值線圖

采空區(qū)浮煤自燃需要一定的浮煤厚度和氧氣濃度，漏風(fēng)強(qiáng)度不能太大，保證浮煤熱量不被帶走。只有當(dāng)這3個(gè)條件同時(shí)滿足時(shí)才會(huì)引起浮煤自燃，表1為不同浮煤厚度所需的下限氧濃度(體積分?jǐn)?shù))和上限漏風(fēng)強(qiáng)度，表2為采空區(qū)下限氧濃度，表3為采空區(qū)不同厚度與不同溫度時(shí)的上限漏風(fēng)強(qiáng)度。

表1 不同浮煤厚度時(shí)的下限氧濃度(體積百分比)和上限漏風(fēng)強(qiáng)度(10－2m·s－1)

表2 采空區(qū)下限氧濃度(%)

由表1可知，隨著浮煤厚度增加，下限氧濃度迅速降低，當(dāng)采空區(qū)內(nèi)的浮煤厚度超過(guò)2 cm時(shí)，下限氧濃度為6．16%，上限漏風(fēng)強(qiáng)度為0．043×10－2m·s－1。

由表2、表3可知，當(dāng)浮煤厚度為6 cm，溫度達(dá)到52℃時(shí)，下限氧濃度為4．35%，上限漏風(fēng)強(qiáng)度為0．256 ×10－2cm3·cm－2·s－1。取最小浮煤厚度和下限氧濃度的極大值、上限漏風(fēng)強(qiáng)度的極小值作為判定采空區(qū)“三帶”的指標(biāo)。從表1～表3中可以看出，隨著漏風(fēng)強(qiáng)度的增大，煤自燃所需的最小浮煤厚度增加;隨著浮煤厚度的增加，采空區(qū)煤自燃的下限氧濃度降低，上限漏風(fēng)強(qiáng)度增大。

表3 采空區(qū)不同厚度與不同溫度時(shí)的上限漏風(fēng)強(qiáng)度(10－2m·s－1)

3 確定采空區(qū)自燃“三帶”及危險(xiǎn)區(qū)域

對(duì)以上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，將浮煤厚度、氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度疊加，確定3種條件耦合情況下浮煤自燃分布情況，并根據(jù)浮煤極限自燃條件繪制102綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”，采空區(qū)三帶劃分如圖8所示，“三帶”基本分布情況見表4。

圖8 102工作面采空區(qū)“三帶”的分布示意圖

表4 102綜放面采空區(qū)氧化“三帶”劃分表

建莊煤礦上平巷氧化散熱帶距工作面約20 m，而回風(fēng)順槽采空區(qū)氧化散熱帶在10 m左右。其主要原因是上、下平巷與采空區(qū)內(nèi)冒落巖石的壓實(shí)程度不同，上平巷處于進(jìn)風(fēng)側(cè)，漏風(fēng)量大，通過(guò)采取了大量的堵漏注漿技術(shù)措施后，其氧化升溫帶在20 m范圍內(nèi)，下平巷跨落充分，處于回風(fēng)側(cè)，消耗了部分氧氣，因此，散熱帶范圍縮小，采空區(qū)氧化升溫帶范圍變化較大。在沿進(jìn)風(fēng)順槽一側(cè)采空區(qū)內(nèi)，由于煤壁巷幫的支護(hù)作用且采空區(qū)空間較大，風(fēng)流阻力較小，漏風(fēng)通暢，氧濃度較高，浮煤氧化溫度高。因此氧化升溫帶比回風(fēng)側(cè)長(zhǎng)，約在20～120 m范圍內(nèi)。而在回風(fēng)巷采空區(qū)范圍內(nèi)，因?yàn)椴煽諈^(qū)中部范圍垮落巖石和裂隙較多，氧化后的乏風(fēng)流速降低，風(fēng)量減少，所以浮煤氧化升溫范圍較進(jìn)風(fēng)順槽小，約是在距離工作面10～50 m的區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)在自燃“三帶”范圍內(nèi)，煤自燃概率隨著浮煤厚度增加、漏風(fēng)強(qiáng)度的增大而增大。

(2)進(jìn)風(fēng)順槽側(cè)采空區(qū)內(nèi)三帶的面積普遍大于回風(fēng)順槽側(cè)采空區(qū)內(nèi)三帶的面積。

(3)距工作面10～130 m范圍內(nèi)為可能自燃帶，該區(qū)域兩幫自燃概率最高。

(4)工作面正常推采的同時(shí)氧化升溫帶也向前推進(jìn)，達(dá)不到浮煤自燃條件，但要對(duì)采空區(qū)兩幫巷道漏風(fēng)予以重點(diǎn)關(guān)注。