不同回采進度與煤質(zhì)條件下采空區(qū)自燃“三帶”劃分

王慶國，楊 帥，楊 程

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽二礦，沈陽 遼寧 110106）

0 引 言

采空區(qū)自燃三帶的劃分是防范采空區(qū)自燃的重要基礎(chǔ)[1-2]。作為高產(chǎn)量、高效率的采煤技術(shù)，綜放開采已在國內(nèi)普遍使用，能大幅度提高煤炭生產(chǎn)效率及產(chǎn)量。但與此同時，這項技術(shù)為采空區(qū)也帶來了巨大的安全隱患，遺留下大量的浮煤讓采空區(qū)的自然發(fā)火問題空前嚴(yán)重[3]。煤炭的自燃一般發(fā)生在氧化帶。因此，為了確保安全生產(chǎn)的正常進行，應(yīng)該科學(xué)合理地確定采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，可以增強防滅火措施的針對性，提高防滅火工程的效果，有效預(yù)防自然發(fā)火事故，將對預(yù)防采空區(qū)的自然發(fā)火及保障綜采工作面的安全生產(chǎn)具有十分重要的現(xiàn)實意義。

漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣濃度和溫升是劃分采空區(qū)自燃“三帶”的三個標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。其中采空區(qū)氧氣濃度最能反應(yīng)煤的氧化程度。氧氣含量的大小，反映遺煤氧化的供氧條件和蓄熱條件，根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的分布就可以確定三帶的范圍。具體劃分標(biāo)準(zhǔn)如下：散熱帶氧氣濃度＞18%；5%＜氧化帶氧氣濃度＜18%；窒息帶氧氣濃度＜5%[6-7]；從理論來講溫度是反應(yīng)煤自然發(fā)火程度的最直接的指標(biāo)，然而煤是熱的不良導(dǎo)體，采空區(qū)內(nèi)煤巖的熱量傳遞過程十分復(fù)雜，很難掌握采空區(qū)各個區(qū)域的溫升變化，因此，溫度指標(biāo)在三帶劃分中一般作為輔助指標(biāo)。紅陽二礦通過感溫光纖監(jiān)測采空區(qū)溫度變化，嘗試使用溫升劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

1 工作面概況

紅陽二礦位于沈陽市蘇家屯區(qū)紅菱堡鎮(zhèn)南紅村，礦井瓦斯相對涌出量19.84m3/t，絕對瓦斯涌出量58.76m3/min,屬于煤與瓦斯突出礦井，瓦斯抽放造成煤層破碎嚴(yán)重，影響了采空區(qū)自燃“三帶”的范圍；煤為Ⅰ級易自燃煤層，煤層自燃發(fā)火期為81-202天，采用“U”型通風(fēng)方式，在開采過程中存在采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的隱患。因此劃分采空區(qū)“三帶”范圍對于防止遺煤自燃和保證回采工作安全高效進行具有重要意義。為了探究回采進度以及煤質(zhì)條件對采空區(qū)自燃“三帶”分布的影響，紅陽二礦對1203、1204、1301采煤工作面采空區(qū)的自然“三帶”進行劃分，1203、1204、1301采煤工作面與煤層介紹如表1、表2所示。

表1 采煤工作面位置及井上下關(guān)系表

表2 工作面煤層情況

2 監(jiān)測系統(tǒng)布置方式

2.1 監(jiān)測束管布置方式

采用礦用分布式激光火情監(jiān)測系統(tǒng)分別對1203、1204、1301采煤工作面采空區(qū)內(nèi)氣體進行監(jiān)測，采用可調(diào)諧激光二極管吸收光譜技術(shù)實現(xiàn)氣體濃度檢測，其中氧氣作為劃分自燃“三帶”范圍的指標(biāo)氣體；防止被采空區(qū)垮落巖體砸斷，埋入采空區(qū)的束管外部套2寸鋼管進行保護；采空區(qū)氣體通過氣體采樣泵組從監(jiān)測點遠(yuǎn)端抽取到激光火情監(jiān)測主機實現(xiàn)對采空區(qū)氣體的連續(xù)監(jiān)測，同時在氣體采樣泵前安裝束管過濾箱，實現(xiàn)除水和濾塵的功能，能夠適應(yīng)井下采面多塵多水的環(huán)境。

在采煤工作面回風(fēng)側(cè)提前布置氣體監(jiān)測束管。其中1203采煤工作面布置4根氣體監(jiān)測束管，分別為1203采空區(qū)1號束管、1203采空區(qū)2號束管、1203采空區(qū)3號束管、1203采空區(qū)4號束管；1204采煤工作面布置兩根氣體檢測束管，分別為1204采空區(qū)1號束管、1204采空區(qū)2號束管；1301采煤工作面布置兩根氣體檢測束管，分別為1301采空區(qū)1號束管、1301采空區(qū)2號束管。三個采煤工作面束管測點布置如圖1所示。

圖1 采煤工作面采空區(qū)束管（紅線）測點布置

2.2 感溫光纖布置方式

在采煤工作面回風(fēng)側(cè)提前布置感溫光纖，并通過光纖測溫系統(tǒng)實現(xiàn)對采空區(qū)溫度的實時監(jiān)測。光纖測溫系統(tǒng)由光纖測溫模塊、感溫光纖、信號隔離模塊、電機控制和隔爆兼本安電源模塊五部分組成。光纖測溫模塊負(fù)責(zé)光纖測溫信號處理、測溫數(shù)據(jù)顯示和上傳；感溫光纖負(fù)責(zé)現(xiàn)場的溫度信號采集；信號隔離模塊實現(xiàn)電機控制信號、電機狀態(tài)信號和測溫模塊的通訊信號轉(zhuǎn)換；電機控制實現(xiàn)對系統(tǒng)的采樣泵電機控制；隔爆兼本安電源模塊負(fù)責(zé)給本系統(tǒng)其它設(shè)備提供12V直流本安電源。

3 束管測定結(jié)果分析

3.1 采空區(qū)氧氣濃度變化

采空區(qū)氧氣濃度與推進距離關(guān)系如圖2、圖3、圖4所示。其中對1301采煤工作面采空區(qū)進行三次氧氣濃度監(jiān)測，并取三次監(jiān)測平均值作為劃分采空區(qū)自燃帶的依據(jù)。在推進距離較小時，氧氣濃度維持在18%以上，屬于散熱帶，這是由于巖塊破碎嚴(yán)重，漏風(fēng)較強，散熱充分；隨著推進距離增加，氧氣濃度呈下降趨勢，由于采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實，漏風(fēng)減小，且遺煤不斷進行低溫氧化，氧氣濃度呈下降趨勢，測點進入氧化帶；隨著工作面繼續(xù)推進，垮落的巖塊進一步被壓實，漏風(fēng)量更小，遺煤繼續(xù)進行低溫氧化，氧氣濃度更低，測點進入窒息帶?？傮w上來看，1203、1204與1301三個工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度隨著推進距離的增大而減小，變化速率有所差異，這與煤質(zhì)條件以及回采進度有關(guān)。

圖2 1203工作面采空區(qū)氧氣濃度與推進距離的關(guān)系

圖3 1204工作面采空區(qū)氧氣濃度與推進距離的關(guān)系

圖4 1301工作面采空區(qū)氧氣濃度與推進距離的關(guān)系

3.2 采空區(qū)溫度變化

從光纖溫度數(shù)據(jù)分析可得，隨著工作面的推進，1203、1204與1301三個工作面采空區(qū)測點的溫度處于在一個比較穩(wěn)定的狀態(tài)，無溫度過高的異常情況。從溫度數(shù)據(jù)方面考慮，目前還沒有發(fā)現(xiàn)溫度變化的可行性規(guī)律對采空區(qū)“三帶”進行劃分，因此在劃分“三帶”范圍過程中沒有考慮將溫度的監(jiān)測結(jié)果作為判定采空區(qū)自燃“三帶”范圍的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度作為劃分自燃“三帶”依據(jù)，1203、1204與1301三個工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分如表3所示。1203工作面采空區(qū)散熱帶長度64.8m，氧化帶長度44.2m；1204工作面采空區(qū)“散熱帶”長度為30.8m，“氧化帶”長度為93.2m；1301工作面采空區(qū)“散熱帶”平均長度16.9m，“氧化帶”平均長度11.8m。三個工作面自燃“三帶”對比可以得出，1301工作面采空區(qū)的“三帶”范圍較短，這是由于13煤層與其它兩個工作面在煤質(zhì)條件上的差異導(dǎo)致；然而1203工作面與1204工作面雖然同屬12煤層，但是在自燃“三帶”范圍上卻有著很大的差別，根據(jù)綜合數(shù)據(jù)分析，造成這種差異的原因很可能是回采進度所引起（見表4）。1204工作面的回采速度要大于1203工作面的回采速度，這使得1204工作面采空區(qū)提前進入氧化帶，并且其氧化帶范圍增大，因此在采煤工作面空區(qū)防火工作中，確定工作面合理的回采速度也是十分重要的，對采空區(qū)防滅火起著很重要的作用。確定了自燃“三帶”范圍和回采速度，可以有效增加對防滅火措施的針對性，提高防滅火工程的預(yù)防效果，進而有效預(yù)防自燃事故的產(chǎn)生。當(dāng)確定了采空區(qū)的自燃“三帶”后，在采空區(qū)內(nèi)最易自燃區(qū)域內(nèi)注防滅火材料，從而破壞漏風(fēng)供氧和蓄熱環(huán)境，消滅煤炭自燃。

表3 自燃“三帶”劃分

表4 工作面回采進度對比

4 結(jié)論

紅陽二礦在采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”的劃分主要以采空區(qū)氧氣濃度作為主要依據(jù)，即氧氣濃度分別以18%作為散熱帶和氧化帶的臨界濃度，以5%作為氧化帶和窒息帶的臨界濃度。在確定自燃“三帶”范圍的基礎(chǔ)上，通過采煤工作面回采速度與煤質(zhì)的對比分析，進一步了解回采速度與煤質(zhì)對采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”的影響，對于指導(dǎo)采空區(qū)防滅火具有重要意義。通過對1203、1204與1301三個工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分，可以得出以下結(jié)論：

1）氧氣濃度作為自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)，與漏風(fēng)風(fēng)速、溫升相比，干擾因數(shù)較少，數(shù)據(jù)結(jié)果較為明顯；

2）影響工作面采空區(qū)自然發(fā)火的主要因素是采空區(qū)漏風(fēng)分布，而產(chǎn)生漏風(fēng)的原因之一就是回采速度的影響，當(dāng)回采速度過快，采空區(qū)頂板的巖石跨落不夠充分，漏風(fēng)率增大，使采空區(qū)氧化帶長度增加，容易導(dǎo)致自然發(fā)火，所以應(yīng)該確定合理的回采速度，加強采空區(qū)漏風(fēng)控制，采空區(qū)漏風(fēng)時在工作面上、下隅角封堵采用不燃材料，減少采空區(qū)內(nèi)自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)，這對防止采空區(qū)自燃起到重要作用；

3）煤質(zhì)條件對工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布也起到重要的影響，煤的揮發(fā)性越大，采空區(qū)的“氧化帶”越短，煤自燃危險性越小。因此在確定回采速度以及采空區(qū)防滅火措施時，也應(yīng)充分考慮煤質(zhì)條件，制定合理的防滅火措施。