近距離煤層聯(lián)合開采自然發(fā)火規(guī)律研究

遲克勇 張振乾

(1.山西工程職業(yè)學(xué)院，山西省太原市，030032； 2.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西省太原市，030024)

近年來，隨著開采深度和強(qiáng)度的增加、采空區(qū)范圍的擴(kuò)大、厚煤層綜采放頂煤技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及近距離煤層群開采的相互影響，造成采空區(qū)遺煤量多、漏風(fēng)嚴(yán)重，大大增加了煤層自然發(fā)火危險性。特別是在近距離煤層開采時，由于煤層間距較小，受采動影響，上下煤層間采空區(qū)容易形成漏風(fēng)通道，并且采空區(qū)遺煤在高度上呈立體分布，導(dǎo)致煤層自燃更加嚴(yán)重、自燃規(guī)律更加復(fù)雜，預(yù)測和治理難度加大。積極開展近距離自燃煤層聯(lián)合開采采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律的研究，建立近距離煤層聯(lián)合開采自燃火災(zāi)防治的綜合技術(shù)體系，對有效防止煤層自然發(fā)火，保證礦井的安全生產(chǎn)具有重要意義。

近距離煤層自然發(fā)火防治的關(guān)鍵在于確定近距離上下煤層采空區(qū)之間的漏風(fēng)通道。目前國內(nèi)外學(xué)者和現(xiàn)場工程技術(shù)人員對礦井漏風(fēng)檢測技術(shù)進(jìn)行過許多研究，提出了許多測定方法。應(yīng)用SF6示蹤氣體檢測礦井采空區(qū)漏風(fēng)是煤礦井下最常用的測定方法之一。鄔劍明等研究采用CFD模擬技術(shù)、束管采樣分析技術(shù)和SF6示蹤測定技術(shù)結(jié)合起來，模擬采空區(qū)空氣流動的規(guī)律，判定采空區(qū)自燃危險區(qū)域；王輝躍針對綜放工作面周圍存在老空區(qū)和老巷的情況，利用SF6示蹤氣體查找了工作面和膠帶運(yùn)輸巷的漏風(fēng)通道，并定量測定了漏風(fēng)量，為防治自然發(fā)火提供基礎(chǔ)參數(shù)。但現(xiàn)場實(shí)際過程中由于近距離煤層聯(lián)合開采采空區(qū)巷道連接關(guān)系復(fù)雜，存在“多源多匯”的漏風(fēng)關(guān)系，采用單一方法很難有效檢測采空區(qū)漏風(fēng)的大小和確定近距離上下煤層采空區(qū)之間的漏風(fēng)通道。能位測定一方面可以了解采空區(qū)周圍巷道漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯之間的能位關(guān)系，為定性分析采空區(qū)的漏風(fēng)關(guān)系提供理論基礎(chǔ)，另一方面利用通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)能位圖，可以方便地分析通風(fēng)系統(tǒng)中相鄰分支節(jié)點(diǎn)間的壓能關(guān)系，借以判斷其間的漏風(fēng)通道是否存在和漏風(fēng)方向。通過能位測定可為利用示蹤技術(shù)定量檢測采空區(qū)漏風(fēng)提供前期準(zhǔn)備，避免盲目性?，F(xiàn)場實(shí)際表明，能位測定與SF6示蹤技術(shù)相結(jié)合的方法可以快速準(zhǔn)確檢測復(fù)雜采空區(qū)漏風(fēng)通道、判斷漏風(fēng)方向和估計(jì)漏風(fēng)風(fēng)速。該方法有利于提高復(fù)雜采空區(qū)漏風(fēng)檢測的科學(xué)性和準(zhǔn)確性，對減少采空區(qū)漏風(fēng)，預(yù)防近距離煤層聯(lián)合開采采空區(qū)煤炭自燃具有重要意義。

1 礦井及工作面概況

山西靈石華苑煤業(yè)有限公司位于靈石縣兩渡鎮(zhèn)景家溝附近，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.90 Mt/a，礦井服務(wù)年限14.1 a。礦井首采區(qū)布置在二采區(qū)，采用9#煤層和10#煤層工作面聯(lián)合開采，外錯垂直布置。工作面聯(lián)合開采巷道布置平面圖見圖1。

圖1 工作面聯(lián)合開采巷道布置平面示意圖

9201工作面和10201工作面均為首采面，9201工作面平均采高1.12 m，工作面長150 m；10201工作面平均采高4.2 m，工作面長170 m。10201工作面位在9201工作面正下方，外錯10 m布置。兩個工作面層間距為5.28 m，前后錯距設(shè)計(jì)為78 m，在實(shí)際生產(chǎn)過程中結(jié)合支護(hù)等因素，目前暫控制在30～40 m之間。9#煤層和10#煤層均屬自燃煤層，含硫高，存在自然發(fā)火危險，其中9#煤層為薄煤層開采，回采率高，采空區(qū)遺煤少，不易發(fā)生自燃，而10#煤層為厚煤層，采空區(qū)遺煤相對較多，自燃危險性較大，同時由于9#、10#煤層為近距離煤層聯(lián)合開采，9#與10#煤層采空區(qū)相互連通，存在漏風(fēng)通道，且9#煤層保護(hù)煤柱會丟入到10#煤層采空區(qū)，增加了采空區(qū)遺煤自燃危險性。

2 近距離煤層聯(lián)合開采采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律

近距離煤層采空區(qū)是由上下煤層采空區(qū)和夾矸共同組成的復(fù)雜松散體，其松散體物理化學(xué)作用復(fù)雜，空氣滲流場呈非穩(wěn)態(tài)變化，從而使得近距離煤層采空區(qū)自然發(fā)火過程十分復(fù)雜。華苑煤業(yè)9#、10#煤層為近距離煤層聯(lián)合開采，外錯垂直布置，在開采過程中具有以下特點(diǎn)和規(guī)律。

(1)近距離煤層工作面采空區(qū)遺煤在空間上，具有分層分布的特點(diǎn)。9#煤層采用長壁式薄煤層綜采采煤方法，煤層薄、回采率高，采空區(qū)基本沒有遺煤，但其保護(hù)煤柱在10#煤層的采空區(qū)范圍內(nèi)，易破壞或丟入到10#煤層采空區(qū)；10#煤層為厚煤層，采用長壁式厚煤層一次采全高綜采采煤方法，采空區(qū)存在一定量的遺煤，因此，近距離煤層采空區(qū)呈現(xiàn)“10#層遺煤-矸石-9#層保護(hù)煤柱”分布，采空區(qū)“三帶”分布在高度上存在一定的差異。

(2)9#煤層為薄煤層開采，采空區(qū)發(fā)火幾率低，但其保護(hù)煤柱在本煤層開采期間經(jīng)歷初次氧化，在10#煤層開采過程中處在下部煤層的冒落裂隙帶內(nèi)，易再次被漏風(fēng)氧化，從而導(dǎo)致其保護(hù)煤柱發(fā)火危險性增加。

(3)10#煤層采空區(qū)中部發(fā)火率低，周邊發(fā)火幾率高，采空區(qū)周邊主要包括開切眼、巷道和停采線，即“兩道兩線”，在其附近由于老頂及部分直接頂呈懸臂梁結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)與煤壁、底板形成冒落三角區(qū)，其密實(shí)性差，且不易壓實(shí)，冒落三角區(qū)沿采空區(qū)四周連通，成為采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)的主要通道；另外，9#煤層保護(hù)煤柱可能丟入到冒落三角區(qū)內(nèi)，加大了采空區(qū)松散浮煤，從而使得10#煤層采空區(qū)周邊的發(fā)火幾率高，中部自然發(fā)火幾率低。

(4)9#煤層停采線附近自然發(fā)火危險性較大。停采線周圍遺留大量松散煤體，工作面停采撤架、封閉周期較長，其氧化升溫時間長，因此停采線附近自然發(fā)火危險性較大。另外，上層煤停采密閉后，在下分層的繼續(xù)開采過程中，其停采線兩端風(fēng)壓差最大，漏風(fēng)作用時間長，且為固定地點(diǎn)漏風(fēng)，因此，上煤層停采線附近自燃危險性最大。

3 聯(lián)合開采采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究

根據(jù)現(xiàn)場漏風(fēng)測定的需要，結(jié)合現(xiàn)場巷道布置的具體實(shí)際，在現(xiàn)場調(diào)查基礎(chǔ)上制定了能位測定測試方案。根據(jù)9201工作面和10201工作面布置條件，共選擇測點(diǎn)9個，沿預(yù)先選定的測定線路采用逐點(diǎn)測定法測定，具體布置顯示如圖1所示。此時9201工作面剩余推進(jìn)長度約620 m，在剩余推進(jìn)長度約290 m處施工1條探巷，且已貫通；10201工作面剩余推進(jìn)長度約665 m，錯距約45 m。其中進(jìn)風(fēng)巷10201工作面滯后9201工作面約42 m，回風(fēng)巷10201工作面滯后9201工作面約47 m。利用上述儀器對9個測點(diǎn)的絕對靜壓、溫度、相對濕度、密度、風(fēng)速、風(fēng)量等進(jìn)行測算，取井底車場為位能基準(zhǔn)面，測算結(jié)果如表1所示。

表1 測點(diǎn)參數(shù)測定結(jié)果

依據(jù)測定結(jié)果，以井底車場1#測點(diǎn)作為基準(zhǔn)，可計(jì)算得到各測點(diǎn)相對1#測點(diǎn)能位值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，可以得出9201工作面進(jìn)風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)隅角、回風(fēng)隅角、回風(fēng)口的壓能均高于10201工作面各對應(yīng)點(diǎn)的壓能，同時根據(jù)工作面進(jìn)回風(fēng)量發(fā)現(xiàn)，9201工作面回風(fēng)量比進(jìn)風(fēng)量少了31 m3/min，而10201工作面回風(fēng)量比進(jìn)風(fēng)量多了55 m3/min，因此，華苑煤業(yè)近距離煤業(yè)開采過程中如果存在漏風(fēng)，則主要由9#煤層采空區(qū)流向10#煤層采空區(qū)。

4 示蹤氣體測定漏風(fēng)技術(shù)

4.1 第一次釋放

根據(jù)前面能位測定可知，華苑煤業(yè)近距離煤層開采過程中如果存在漏風(fēng)，則主要由9#煤層采空區(qū)流向10#煤層采空區(qū)，因此，在9#煤層進(jìn)風(fēng)隅角瞬時釋放SF6氣體，在10#煤層進(jìn)風(fēng)隅角、10#煤層回風(fēng)隅角和10#煤層束管監(jiān)測點(diǎn)接收。第一次釋放SF6測定測點(diǎn)布置如圖2所示。釋放地點(diǎn)為9201工作面進(jìn)風(fēng)隅角處，此時距開切眼620 m；接收地點(diǎn)為10201工作面進(jìn)風(fēng)隅角、回風(fēng)隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采樣點(diǎn)(此時埋入采空區(qū)深度分別約74 m、56 m、38 m、20 m和2 m)。釋放量為5 kg；釋放10 min后進(jìn)行取樣，之后每隔10 min取樣1次，共15次；風(fēng)流中氣樣使用吸氣球采樣，束管氣樣使用專用抽氣泵采樣，并用球膽存儲。采樣球使用前在地面進(jìn)行了3次換氣沖洗，使球膽中完全不含有SF6，并進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。井下采樣時直接取樣，并立即用彈簧夾子和繩封閉氣嘴，以防漏氣。取樣完成后立即送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行氣樣分析。

圖2 第一次釋放SF6測定測點(diǎn)布置圖

通過本次SF6瞬時釋放和接收測試結(jié)果可知，在7個SF6接收點(diǎn)中僅10#煤層回風(fēng)隅角接收到了在9#煤層進(jìn)風(fēng)隅角釋放的SF6氣體，但其出現(xiàn)的濃度較低，且僅在釋放后80～90 min期間出現(xiàn)，漏風(fēng)風(fēng)速約2.5 m/min，說明9#煤層采空區(qū)與10#煤層采空區(qū)之間由于壓差較小，采空區(qū)壓實(shí)條件較好，從9#煤層流向10#煤層采空區(qū)的漏風(fēng)通道不暢通，漏風(fēng)量很小，因此，9#煤層采空區(qū)漏風(fēng)對10#煤層采空區(qū)自燃影響不大。

4.2 第二次釋放

為了測試10#煤層工作面采空區(qū)漏風(fēng)狀況，在10201工作面進(jìn)風(fēng)隅角釋放SF6氣體，在工作面回風(fēng)側(cè)布置的束管監(jiān)測點(diǎn)采集氣樣分析，判斷本煤層采空區(qū)的漏風(fēng)范圍及漏風(fēng)通道，為研究10#煤層采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律提供依據(jù)。為減少第一次SF6釋放試驗(yàn)的影響，間隔3 d，待第一次釋放的SF6基本排除完后進(jìn)行第二次試驗(yàn)。第二次釋放SF6測定測點(diǎn)布置如圖3所示。釋放地點(diǎn)為10201工作面進(jìn)風(fēng)隅角處，此時距開切眼652 m；接收地點(diǎn)為10201工作面回風(fēng)隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采樣點(diǎn)(此時埋入采空區(qū)深度分別約79 m、61 m、43 m、25 m和7 m)。釋放量為10 kg；在釋放10 min后開始采樣，之后每隔10 min取樣1次，共12次。

圖3 第二次釋放SF6測定測點(diǎn)布置圖

根據(jù)示蹤氣體的峰值濃度到達(dá)采樣點(diǎn)時刻計(jì)算風(fēng)速，漏風(fēng)軌跡簡化為直線考慮，則第二次釋放各測點(diǎn)的SF6氣體濃度隨時間變化曲線如圖4所示，瞬時釋放SF6測定結(jié)果見表2。

由圖4和表2可知，由于10#煤層頂板冒落性較好，1#和2#束管采樣點(diǎn)在釋放110 min后檢測到SF6氣體，但其濃度極小，說明該處漏風(fēng)通道不暢；3#、4#和5#束管采樣點(diǎn)SF6氣體濃度較高，說明該處漏風(fēng)通道較好，漏風(fēng)風(fēng)速在1.65～2.67 m/min；而在工作面回風(fēng)隅角SF6氣體濃度最高，且在第一次采樣就檢測到，說明釋放的SF6氣體主要沿工作面及工作面采空區(qū)后部未壓實(shí)區(qū)域流動，該區(qū)域也是工作面漏風(fēng)供氧區(qū)域，即工作面自燃危險區(qū)域。10201工作面采空區(qū)漏風(fēng)線路如圖5所示。

圖4 第二次釋放各測點(diǎn)的SF6氣體濃度隨時間變化曲線

表2 瞬時釋放SF6測定結(jié)果

5 結(jié)論

(1)通過能位測定，9201工作面壓能均高于10201工作面各對應(yīng)點(diǎn)的壓能，華苑煤業(yè)近距離煤層開采過程中采空區(qū)溝通時如果存在漏風(fēng)，則主要由9#煤層采空區(qū)流向10#煤層采空區(qū)。

(2)通過在9201工作面進(jìn)風(fēng)隅角瞬時釋放SF6示蹤氣體，在9201工作面進(jìn)風(fēng)隅角、回風(fēng)隅角、1#～5#束管采樣點(diǎn)接收測試結(jié)果可知，在7個SF6接收點(diǎn)中僅10#煤層回風(fēng)隅角接收到了在9#煤層進(jìn)風(fēng)隅角釋放的SF6氣體，但其出現(xiàn)的濃度較低，且僅在釋放后80～90 min期間出現(xiàn)，漏風(fēng)風(fēng)速約2.5 m/min。表明采空區(qū)壓實(shí)條件較好，從9#煤層流向10#煤層采空區(qū)的漏風(fēng)通道不暢通，漏風(fēng)量很小。因此，9#煤層采空區(qū)漏風(fēng)對10#煤層采空區(qū)自燃影響不大。

圖5 10201工作面采空區(qū)漏風(fēng)示意圖

(3)通過在10201工作面進(jìn)風(fēng)隅角瞬時釋放SF6示蹤氣體，在10201工作面回風(fēng)隅角、1#～5#束管采樣點(diǎn)接收測試結(jié)果可知，在工作面采空區(qū)61 m前范圍內(nèi)由于冒落的巖石未完全壓實(shí)，漏風(fēng)通道較好，是煤自燃的危險區(qū)域。10201工作面部分風(fēng)流沿工作面后方未壓實(shí)區(qū)流動，建議生產(chǎn)過程中在工作面上下隅角加設(shè)擋風(fēng)簾，以減少向采空區(qū)的漏風(fēng)。