三道溝煤礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分與漏風(fēng)測(cè)定

曹乃夫

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

我國(guó)煤礦的自然發(fā)火問(wèn)題是十分嚴(yán)重的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，具有自然發(fā)火危險(xiǎn)的礦井約占47%，礦井自然發(fā)火又占總發(fā)火次數(shù)的94%，其中采空區(qū)自然占內(nèi)因火災(zāi)的60%[1-2]。這種火災(zāi)造成工作面封閉，凍結(jié)大量煤炭資源和昂貴生產(chǎn)設(shè)備，造成工作面、采空區(qū)風(fēng)流紊亂，影響礦井正常生產(chǎn)接續(xù)，并造成人員傷亡[3]。而神府東勝煤田大多具有淺埋深、（極）近距離煤層群賦存、（特）厚（易）自燃等特點(diǎn)，礦井安全生產(chǎn)面臨著火災(zāi)的嚴(yán)重威脅[4]。通過(guò)對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律及范圍確定的研究，揭示出其與頂板垮落規(guī)律和采空區(qū)漏風(fēng)流流場(chǎng)的關(guān)系；準(zhǔn)確的確定出采空區(qū)“三帶”的范圍及分布位置；根據(jù)劃分的“三帶”范圍，準(zhǔn)確地計(jì)算出預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的工作面最低推進(jìn)速度，合理組織生產(chǎn)；最終針對(duì)研究結(jié)果制定出針對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”的有效地防滅火措施[5]。以三道溝煤礦35106綜采工作面作為研究背景，對(duì)其采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”進(jìn)行合理劃分，確定其35106綜采工作面的安全回采速度。并對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定出漏風(fēng)風(fēng)速以掌握其漏風(fēng)規(guī)律進(jìn)而提出封堵漏風(fēng)措施，避免采空區(qū)遺煤自燃。

1 礦井概況

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣西北，距縣城約25 km，行政區(qū)劃隸屬府谷縣廟溝門(mén)鎮(zhèn)管轄。礦井可采儲(chǔ)量為926.95 Mt，礦井生產(chǎn)能力為9.00 Mt/a時(shí)，服務(wù)年限為76.3年。其中首采區(qū)服務(wù)年限30.2年，預(yù)留區(qū)服務(wù)年限46.1年。35106工作面是三道溝煤礦5-2上煤層三盤(pán)區(qū)第6個(gè)綜采工作面，采面呈東西向布置，上部為東風(fēng)聯(lián)辦煤礦，北鄰35105采空區(qū)，東鄰三采區(qū)集中輔運(yùn)巷，南鄰35107工作面（實(shí)體煤），西部為切眼（切眼呈南北向），切眼向西為5-2上煤與5-2煤合層位置。35106工作面設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)度2 803 m，傾向長(zhǎng)度294.5 m，地面標(biāo)高為1 179.6～1 281.5 m，煤層底板標(biāo)高 1 091.4～1 114.9 m，設(shè)計(jì)采高2.1 m?；夭晒に嚍殚L(zhǎng)壁后退式一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

2 現(xiàn)場(chǎng)布置及監(jiān)測(cè)氣體分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

沿工作面回風(fēng)巷外幫預(yù)埋φ50 mm鋼管300 m，間隔50 m布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，沿運(yùn)輸巷外幫預(yù)埋埋φ50 mm鋼管150 m，間隔50 m布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)，鋼管內(nèi)敷設(shè)單芯束管和溫度補(bǔ)償線(xiàn)，回風(fēng)巷側(cè)取氣點(diǎn)位置距最近測(cè)點(diǎn)150 m，運(yùn)輸巷側(cè)取氣點(diǎn)通過(guò)其最近的聯(lián)巷引出，以便長(zhǎng)期觀測(cè)采空區(qū)氣體及溫度變化。工作面監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1。

圖1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)均布置有采樣束管和溫度傳感器，隨著工作面的推進(jìn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)依次進(jìn)入“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，觀測(cè)采空區(qū)浮煤各個(gè)氧化階段的氣體濃度和溫度的變化。監(jiān)測(cè)點(diǎn)探頭布置方式如圖2。

三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，共歷時(shí)37 d，工作面累計(jì)推進(jìn)287.5 m。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)探頭布置方式

2.2 監(jiān)測(cè)氣體分析

測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后即開(kāi)始取氣分析及溫度測(cè)定，從而得出隨工作面推進(jìn)采空區(qū)各測(cè)點(diǎn)的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等氣體的濃度變化規(guī)律，直至測(cè)點(diǎn)取樣分析結(jié)果表明該位置已經(jīng)進(jìn)入窒息帶為止。記錄每日工作面的推進(jìn)度，以便推算測(cè)點(diǎn)距工作面的距離。正常情況下按工作面每推進(jìn)6 m測(cè)取1次溫度和氣體成份數(shù)據(jù)。若有異常，則根據(jù)具體情況而定，可在異常測(cè)點(diǎn)每日測(cè)取3次數(shù)據(jù)。每日對(duì)兩巷及架后位置浮煤厚度進(jìn)行實(shí)地觀測(cè)并作記錄。

2.2.1 氧氣濃度變化規(guī)律

35106工作面運(yùn)輸巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)92.8 m左右時(shí)，氧氣濃度降至17.84%。隨著工作面的推進(jìn)，除部分區(qū)域受采空區(qū)漏風(fēng)影響，氧氣濃度間歇上升以外，總體呈持續(xù)下降的趨勢(shì)。當(dāng)運(yùn)輸巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)241.5 m左右時(shí)，氧氣濃度降至7%以下。35106工作面回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)69.8 m左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下。當(dāng)回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)203.9 m左右時(shí)，氧氣濃度下降至7%以下。氧氣濃度變化規(guī)律如圖3。

圖3 氧氣濃度變化規(guī)律

2.2.2 一氧化碳濃度變化規(guī)律

35106工作面運(yùn)輸巷側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)未檢測(cè)到CO。隨著回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)，CO濃度呈現(xiàn)規(guī)律性的先上升后下降的趨勢(shì)。35106工作面回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)8 m左右時(shí)，CO濃度約為22×10-6。當(dāng)回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)99 m左右時(shí)，CO濃度達(dá)到32×10-6，此時(shí)氧氣濃度為16%～17%，表明此處漏風(fēng)適宜，煤氧復(fù)合反應(yīng)熱量得到積蓄，CO產(chǎn)生量增加，符合煤自然發(fā)火規(guī)律。此后，隨著供氧不足，煤氧復(fù)合反應(yīng)減弱，CO濃度在7.5×10-6～21×10-6之間上下波動(dòng)，但總體呈下降趨勢(shì)。35106工作面回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線(xiàn)如圖4。

圖4 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線(xiàn)

2.2.3 二氧化碳濃度變化規(guī)律

隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)，35106工作面運(yùn)輸巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、回風(fēng)巷側(cè)1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度總體呈上升趨勢(shì)，運(yùn)輸巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度最高為1.32%，回風(fēng)巷側(cè) 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度最高為 2.86%。35106工作面運(yùn)輸巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)、回風(fēng)巷1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線(xiàn)如圖5。

圖5 1#監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO2濃度隨埋入采空區(qū)深度的變化曲線(xiàn)

3 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍及安全推進(jìn)速度

3.1 35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，結(jié)合5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標(biāo)測(cè)試結(jié)果，以氧氣濃度7%～18%作為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分的依據(jù)。35106工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍見(jiàn)表1。采空區(qū)“三帶”剖面圖如圖6[6]。三道溝煤礦35106工作面采空區(qū)運(yùn)輸巷側(cè)氧化升溫帶較寬，為148.7 m；回風(fēng)巷側(cè)較窄，為134.1 m。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”范圍 m

圖6 采空區(qū)自燃“三帶”分布剖面

3.2 35106工作面安全推進(jìn)速度

根據(jù)三道溝煤礦5-2上煤層最短自然發(fā)火期τ和35106工作面采空區(qū)氧化帶寬度Lmax，可推算出35106工作面的最小安全推進(jìn)速度Vmin為4.65 m/d。

當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)沒(méi)有自然發(fā)火的危險(xiǎn)；若工作面連續(xù)超過(guò)32 d平均推進(jìn)速度小于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

根據(jù)35106工作面正常日平均推進(jìn)速度v=8.09 m/d，大于工作面的最小安全推進(jìn)速度，因此在正常回采過(guò)程中，采空區(qū)不會(huì)發(fā)生遺煤自然發(fā)火。

4 堵漏防滅火措施封堵漏風(fēng)

基于上述對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布情況研究及工作面安全推進(jìn)速度，應(yīng)采用綜合防滅火措施，如加快回采速度，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)監(jiān)控，注漿，注氮等。采空區(qū)自燃帶分布隨著風(fēng)量、采空區(qū)頂板垮落、垮落帶破碎煤巖體的性質(zhì)和周邊的漏風(fēng)情況等因素有關(guān)[7]。又因神府東勝煤田淺埋深的特殊地質(zhì)條件，采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重也為采空區(qū)自燃提供充足氧氣。因此，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行有效地封堵漏風(fēng)減少空氣進(jìn)入可有效避免采空區(qū)遺煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生。為了進(jìn)一步判定31506工作面采空區(qū)與地表之間的裂隙溝通情況，掌握礦井上下漏風(fēng)規(guī)律，為科學(xué)制定防滅火方案提供依據(jù)。因此，實(shí)施了以SF6示蹤氣體為檢測(cè)手段的漏風(fēng)通道測(cè)定試驗(yàn)。

4.1 井上下漏風(fēng)測(cè)定原理及材料

4.1.1 SF6示蹤氣體測(cè)漏風(fēng)原理

SF6在常溫下具有高穩(wěn)定性，是一種無(wú)色、無(wú)味、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，在地面及井下的環(huán)境中含量極低，化學(xué)穩(wěn)定性好，檢測(cè)靈敏度高，擴(kuò)散性強(qiáng)，是常用的示蹤氣體之一。用SF6示蹤氣體定性測(cè)定漏風(fēng)的測(cè)試方法為：根據(jù)礦井基礎(chǔ)資料分析可能的漏風(fēng)通道、漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯；在漏風(fēng)源中釋放SF6氣體，在漏風(fēng)匯每隔一定時(shí)間用球膽采集氣樣；將采集的氣樣送達(dá)實(shí)驗(yàn)室分析，由氣相色譜儀（電子捕獲器）測(cè)定SF6氣體濃度；根據(jù)氣樣分析結(jié)果確定漏風(fēng)通道[8]。

4.1.2 漏風(fēng)測(cè)定儀器及工具材料

1）SF6釋放裝置。SF6氣體、鋼瓶、減壓閥（包括穩(wěn)壓閥和穩(wěn)流閥）和流量計(jì)等。

2）SF6分析儀器。TIF xp-1a鹵素檢漏儀和SF6色譜分析儀，用于對(duì)采集的氣樣進(jìn)行定性和定量分析。

3）工具材料。SF6氣體釋放鋼管、軟管、負(fù)壓采樣器、球膽、扎帶、標(biāo)簽紙，用于氣樣采集、存儲(chǔ)、時(shí)間節(jié)點(diǎn)標(biāo)注等[9-10]。

4.2 井上下漏風(fēng)測(cè)定

4.2.1 釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)

結(jié)合礦井通風(fēng)方式以及35106工作面現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際，選取工作面切眼對(duì)應(yīng)地表處一標(biāo)志性裂隙作為示蹤氣體SF6釋放點(diǎn)，工作面回風(fēng)隅角作為示蹤氣體SF6接收點(diǎn)，釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)高程差為110 m，釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)直線(xiàn)距離約為440 m。SF6釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)平面示意圖如圖7。

圖7 SF6釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)平面示意圖

4.2.2 釋放 SF6氣體

在地表裂隙插入SF6氣體釋放鋼管（圖8），連接好SF6氣體釋放裝置，使用SF6釋放器將SF6氣體通過(guò)軟管釋放，記錄釋放的開(kāi)始和結(jié)束時(shí)間。將SF6氣體以壓力3 MPa、流量5 L/min釋放，從13：30開(kāi)始至14：30結(jié)束持續(xù)釋放60 min，共釋放SF6氣體約1.848 kg。

圖8 SF6氣體釋放鋼管

4.2.3 氣樣采集

借助TIF xp-1a型鹵素檢漏儀綜合確定開(kāi)始采樣的時(shí)間，采樣共持續(xù)65 min，合計(jì)采樣7次，氣體采樣順序表見(jiàn)表2。

表2 氣樣采集順序表

4.2.4 氣樣檢測(cè)與分析

氣樣檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，采集的1號(hào)氣樣即分析出示蹤氣體SF6，說(shuō)明SF6氣體隨地面漏風(fēng)流到達(dá)到35106工作面回風(fēng)隅角的時(shí)間可能要早于13：50，進(jìn)一步結(jié)合鹵素檢漏儀第1次接收到微弱信號(hào)分析，把SF6氣體于13：45左右到達(dá)工作面回風(fēng)隅角的時(shí)間作為參考值。分析結(jié)果顯示，隨時(shí)間變化7個(gè)氣樣的SF6濃度變化不大，地表停止釋放后，示蹤氣體在一定時(shí)間段內(nèi)保持較穩(wěn)定的逸出，說(shuō)明地表漏風(fēng)通道較通暢、具有一定的漏風(fēng)量且較穩(wěn)定。以釋放點(diǎn)與接收點(diǎn)間的直線(xiàn)距離（約440 m）作為最短的漏風(fēng)路線(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)算，35106工作面地表可能的漏風(fēng)風(fēng)速約為22～30 m/min。

表3 氣樣檢測(cè)結(jié)果

4.2.5 封堵漏風(fēng)措施

1）地面裂隙封堵。對(duì)回采工作面地表的裂隙進(jìn)行排查，重點(diǎn)對(duì)“兩道兩線(xiàn)”采動(dòng)裂隙“O”形圈區(qū)域進(jìn)行排查，及時(shí)回填地表裂隙，保證回填質(zhì)量，減少地表與采空區(qū)之間漏風(fēng)通道，避免地表向采空區(qū)漏風(fēng)。地表裂隙隨采隨填，回填進(jìn)度不得滯后工作面回采100 m。由于采動(dòng)后地表裂隙不穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，需定期對(duì)已回填的裂隙進(jìn)行勘查再回填。

2）加強(qiáng)密閉的施工質(zhì)量。嚴(yán)格按設(shè)計(jì)施工，對(duì)密閉及周?chē)锏绹鷰r進(jìn)行全面噴漿堵漏，防止漏風(fēng)，同時(shí)還要監(jiān)測(cè)密閉漏風(fēng)，定期進(jìn)行壓差測(cè)定工作。

3）工作面上下端頭封堵。工作面兩巷及時(shí)退錨，使頂板充分垮落；進(jìn)風(fēng)隅角懸掛擋風(fēng)簾，回風(fēng)隅角采取增阻措施，設(shè)置擋風(fēng)簾導(dǎo)風(fēng)，或每推進(jìn)50 m砌筑絲袋墻或采用無(wú)機(jī)材料充填，減少采空區(qū)漏風(fēng)量。

5 結(jié)論

1）根據(jù)5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標(biāo)，氧化升溫帶寬度運(yùn)輸巷為148.7 m，回風(fēng)巷為134.1 m。35106工作面最小安全推進(jìn)速度為4.65 m/d,當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)沒(méi)有自然發(fā)火的危險(xiǎn)；若工作面連續(xù)超過(guò)32 d平均推進(jìn)速度小于4.65 m/d時(shí)，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

2）現(xiàn)場(chǎng)考察表明，35106工作面地表出現(xiàn)了不同程度的裂縫。通過(guò)對(duì)地表裂縫漏風(fēng)的定性分析，表明這些裂縫存在漏風(fēng)，漏風(fēng)風(fēng)速約22～30 m/min。

3）通過(guò)對(duì)35106工作面采空區(qū)漏風(fēng)的定性測(cè)定表明，只要地表出現(xiàn)了較寬的裂縫，就一定存在漏風(fēng)，因此，在采空區(qū)地表發(fā)現(xiàn)沉陷和裂縫時(shí)應(yīng)及時(shí)采取堵漏措施。

4）對(duì)地面裂隙進(jìn)行排查并及時(shí)封堵。地表裂隙隨采隨填，回填進(jìn)度不得滯后工作面回采100 m。由于采動(dòng)后地表裂隙不穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，需定期對(duì)已回填的裂隙進(jìn)行勘查再回填

5）加強(qiáng)巷道密閉施工質(zhì)量，對(duì)工作面上下端頭進(jìn)行封堵以便減少采空區(qū)漏風(fēng)。