煤巖復(fù)合頂板易自燃煤層CO分布規(guī)律及防控措施

張 亮 付長(zhǎng)余

(1.煤炭科學(xué)研究總院開(kāi)采研究分院,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013； 2. 中煤平朔集團(tuán)安太堡煤礦，山西省朔州市，036000)

神府礦區(qū)大部分煤層屬Ⅰ類易自燃煤層，煤層自然發(fā)火期多在20～40 d之間，綜采工作面回采過(guò)程中為避免采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，常采取黃泥灌漿為主、噴灑阻化劑為輔的綜合防滅火措施，但該方法成本較高，且對(duì)于煤巖復(fù)合頂板的易自燃煤層效果甚微，根本原因在于煤巖復(fù)合頂板垮落后，遺煤處于小塊度冒落矸石之上和大塊度破碎頂板之下，遺煤接觸空氣表面積大，而且不能被阻化劑和黃泥漿覆蓋，在工作面不斷回采過(guò)程中，采空區(qū)遺煤緩慢氧化，CO逐漸增多，隨著采空區(qū)頂板逐漸被重新壓實(shí)后，采空區(qū)氣體空間不斷減小，當(dāng)達(dá)到一定程度后CO從上隅角或工作面架間不間斷地溢出，給煤礦安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患，即使綜采工作面平均推進(jìn)速度達(dá)到16 m/d，上隅角CO超標(biāo)依然嚴(yán)重，最大可達(dá)到0.02%。由于對(duì)該條件下煤自燃氧化過(guò)程和CO分布運(yùn)移規(guī)律不明，無(wú)有效、便捷的防治方法，本文通過(guò)在采空區(qū)埋設(shè)束管和溫度傳感器，分析回采過(guò)程中采空區(qū)氣體成分和溫度變化情況，研究煤巖復(fù)合頂板下遺煤氧化過(guò)程，并結(jié)合FCD數(shù)值模擬軟件，研究采空區(qū)CO分布運(yùn)移規(guī)律，為工作面上隅角CO管理和采空區(qū)防滅火提供科學(xué)依據(jù)。

1 采空區(qū)遺煤氧化過(guò)程觀測(cè)分析

1.1 工程概況

神府礦區(qū)嘉元煤礦12202綜采工作面傾向長(zhǎng)度250 m，走向長(zhǎng)度3100 m，煤層平均厚度3 m，采用全垮落法處理頂板。工作面采用Y型通風(fēng)，兩條巷道進(jìn)風(fēng)，一條巷道回風(fēng)，風(fēng)量1500 m3/min，推進(jìn)度為15 m/d，所采1-2煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，最短發(fā)火期為29 d。12202綜采工作面頂板為煤巖復(fù)合頂板，直接頂為2 m厚的粉砂巖和0.5 m厚的薄煤層，基本頂為6 m厚的中粒砂巖，頂板垮落后從端頭支架間可看到采空區(qū)遺煤距離底板2 m左右的位置，煤層上基本頂不及時(shí)垮落，形成供氧通道。

1.2 現(xiàn)場(chǎng)采樣點(diǎn)布置

在12202回風(fēng)巷設(shè)置3組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，各組監(jiān)測(cè)點(diǎn)間距200 m，每組靠近非采煤幫布置1個(gè)束管采集器和2個(gè)溫度傳感器，束管采集器布置距底板2 m高度，溫度傳感器分別位于距底板0.5 m高度和底板2 m高度，每組測(cè)點(diǎn)觀測(cè)范圍為200 m，超過(guò)200 m后結(jié)束觀測(cè)，鋪設(shè)束管和溫度傳感器測(cè)點(diǎn)位置用木垛支護(hù)，束管和溫度傳感器線套2寸鋼管避免被矸石砸壞，測(cè)點(diǎn)布置位置如圖1所示。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

1.3 數(shù)據(jù)采集分析

收集綜采工作面推進(jìn)過(guò)程中各測(cè)點(diǎn)氣體成分和溫度情況，對(duì)3組數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，舍棄不合理數(shù)據(jù)，通過(guò)分析距離工作面200 m范圍內(nèi)采空區(qū)CO、O2變化情況及采空區(qū)上部和下部溫度情況，得出采空區(qū)CO分布規(guī)律和自燃“三帶”分布范圍。

(1)采空區(qū)溫度情況。采空區(qū)溫度變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，距離工作面30 m范圍內(nèi)采空區(qū)上下部溫度相同，為18℃；超過(guò)30 m后，采空區(qū)上部溫度逐漸增大，160 m后溫度增加到30.8℃，超過(guò)160 m后溫度稍有下降但趨于穩(wěn)定；而采空區(qū)下部溫度基本不隨工作面距離的改變而變化，溫度在15℃～18℃范圍波動(dòng)，分析原因是在距工作面30 m范圍內(nèi)，采空區(qū)空氣具有一定流動(dòng)性，上下部空氣可進(jìn)行熱量交換，當(dāng)超過(guò)30 m后，由于復(fù)合頂板垮落后采空區(qū)上下部被碎脹矸石隔開(kāi)，上下部熱系統(tǒng)相互獨(dú)立，而上部由于存在垮落遺煤，存在緩慢氧化過(guò)程，溫度逐漸升高。

圖2 采空區(qū)溫度變化曲線圖

(2)采空區(qū)CO分布變化情況。采空區(qū)CO和O2濃度值變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，采空區(qū)當(dāng)距工作面0 m時(shí)，CO濃度為0.006%，測(cè)點(diǎn)處于上隅角位置，隨著向采空區(qū)深部前進(jìn)，采空區(qū)CO濃度逐漸增大，當(dāng)超過(guò)150 m后，濃度趨于穩(wěn)定，達(dá)到0.032%，距工作面距離繼續(xù)增加后CO濃度基本穩(wěn)定不再變化，分析原因是采空區(qū)CO的來(lái)源是煤巖復(fù)合頂板垮落后薄煤層氧化所致，隨著不斷遠(yuǎn)離工作面，氧化程度增加，不易通風(fēng)散熱，在采空區(qū)上部集聚較多CO。

圖3 采空區(qū)CO和O2濃度值變化曲線圖

(3)采空區(qū)O2分布規(guī)律。由圖3可以看出，O2濃度隨著向采空區(qū)深部增加而減少，但下降速率分為3段，第1段為快速下降階段，在0～20 m范圍，O2濃度從19.6%迅速下降至17%，此范圍可劃分為“散熱帶”；第2段為緩慢下降階段，在20～150 m范圍，O2濃度從17%緩慢下降至7.5%，此范圍劃分為“自然氧化帶”；第3段為穩(wěn)定階段，在150～200 m范圍，O2濃度維持在7%～7.5%，此范圍劃分為“窒息帶”。

綜上所述，12202綜采工作面采空區(qū)遺煤氧化特征有兩點(diǎn)：一是氧化發(fā)生位置較高，普通防滅火措施達(dá)不到遺煤氧化位置；二是采空區(qū)氧化帶范圍廣，從20～150 m均為氧化帶，按正常10 m/d的推進(jìn)速度來(lái)算，采空區(qū)遺煤處于氧化帶的平均時(shí)間為12 d，雖然小于該煤層自然發(fā)火期29 d，但該過(guò)程造成采空區(qū)積累大量CO，若出現(xiàn)懸頂突然垮落，易造成CO涌出事故。

2 采空區(qū)遺煤氧化防治措施

2.1 防滅火方法的選擇

根據(jù)上述分析可知，為避免采空區(qū)遺煤氧化，關(guān)鍵在于將距底板高度2 m上的遺煤進(jìn)行盡早隔氧處理，而由于采空區(qū)遺煤層位較高，阻化劑和黃泥漿均不能有效覆蓋并起到隔絕空氣的作用；注氮防滅火覆蓋率較高，適用性較好，但中厚煤層一次采全高綜采工作面一般不配置注氮設(shè)備，且注氮方法對(duì)管理水平要求較高，如輸?shù)苈坊虿煽諈^(qū)氮?dú)庑孤兑资谷藛T窒息，考慮以上情況并結(jié)合嘉元煤礦1-2煤層賦存情況(雖為近水平煤層但煤層常存在起伏情況)，采取在低洼點(diǎn)向采空區(qū)注水隔絕采空區(qū)方法。注水隔絕采空區(qū)可起到兩個(gè)作用：一是阻止工作面空氣向采空區(qū)擴(kuò)散，封閉本來(lái)處于氧化帶的采空區(qū)，使遺煤缺氧提前進(jìn)入窒息帶；二是杜絕了采空區(qū)有害氣體的溢出。

2.2 注水防滅火具體施工

根據(jù)巷道揭露的煤層底板標(biāo)高選取高差3 m左右的地點(diǎn)，待綜采工作面推進(jìn)到該最低點(diǎn)后即開(kāi)始從端頭支架和中部中間支架架間進(jìn)行注水，隨著工作面的推進(jìn)不斷注水，如圖4所示，根據(jù)低洼點(diǎn)標(biāo)高和采空區(qū)面積計(jì)算注水量，為避免采空區(qū)積水大形成安全隱患，待工作面推過(guò)低洼地150 m后，即遺煤處于窒息帶后，通過(guò)輔運(yùn)巷道和運(yùn)輸巷道永久密閉的反水管或通過(guò)在輔運(yùn)巷道煤柱施工放水孔及時(shí)將水排出。

2.3 注水防滅火效果分析

采取注水封閉后上隅角CO濃度變化情況如圖5所示。根據(jù)測(cè)量巷道500～900 m范圍底板標(biāo)高發(fā)現(xiàn)有兩處可注水低洼點(diǎn)，分別是620 m處和820 m處，試驗(yàn)過(guò)程中對(duì)上隅角CO濃度進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，當(dāng)工作面推進(jìn)到620 m處時(shí)上隅角CO濃度達(dá)到0.011%，此后隨著工作面推進(jìn)不斷注水，工作面繼續(xù)推進(jìn)20 m過(guò)程中上隅角CO濃度變化不大，當(dāng)繼續(xù)推進(jìn)40 m后CO濃度驟降至0.001%，可見(jiàn)此時(shí)第一次注水點(diǎn)處已封閉采空區(qū)；隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，上隅角CO濃度逐步增大，說(shuō)明此時(shí)采空區(qū)遺煤又具備自然氧化條件，當(dāng)工作面推至820 m時(shí)CO濃度增至0.005%，此時(shí)再次向低洼處進(jìn)行注水，當(dāng)工作面推進(jìn)至860 m后CO濃度降至0.0008%。通過(guò)該試驗(yàn)證明向采空區(qū)低洼點(diǎn)注水可有效杜絕采空區(qū)遺煤氧化，并可隔絕采空區(qū)CO溢出，起到良好的防滅火作用。

圖4 注水封閉采空區(qū)示意圖

圖5 采取注水封閉后上隅角CO濃度變化圖

3 結(jié)論

煤巖復(fù)合頂板垮落后，由于其煤層處于高位，且位于直接頂之上和基本頂之下，由于基本頂不及時(shí)垮落，在兩者之間存在供氧通風(fēng)通道，給煤自然氧化提供了條件，而采空區(qū)距工作面20～150 m都在氧化帶范圍內(nèi)，遺煤自然氧化時(shí)間充裕，這是采空區(qū)CO濃度大的主要原因；根據(jù)遺煤位置高、范圍廣，采取向低洼地注水方法，該方法的作用在于將本來(lái)處于氧化帶的遺煤隔離空氣，使其提前進(jìn)入窒息帶，并阻止氧化帶已產(chǎn)生的高濃度CO溢出，該方法能夠有效減少采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間，安全高效快捷，在煤層較多起伏情況下具有普遍適用性。