特大面積上下復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置

陶志勇，李 斌

（國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

為了更準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握采空區(qū)內(nèi)情況，防止采空區(qū)自然發(fā)火，通常通過防火密閉預(yù)留的觀測管對采空區(qū)進(jìn)行觀測。如果采空區(qū)面積相對較小，則采空區(qū)內(nèi)的情況比較容易觀測和掌握，但對于特大面積采空區(qū)的觀測則存在很大問題。以國家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司（下面簡稱神東公司）為例，神東公司煤田位于陜西省西北部和內(nèi)蒙古目治區(qū)南部,面積為22 860 km2,預(yù)測儲量6 690 億t,探明儲量2 300 億t，該地方聚集著全國最大的千萬噸級的超級礦井群。千萬噸級的超級礦井由于煤層富存條件、開采技術(shù)、及開采方法等各類因素，工作面在回采后形成特大面積的采空區(qū)，該采空區(qū)具有“范圍廣、空間大、同層相連、上下導(dǎo)通”等特點(diǎn)[1-2]，上、下采空區(qū)因采動影響串通，漏風(fēng)規(guī)律相對紊亂，煤體相對破碎，自燃危險(xiǎn)性增強(qiáng)，發(fā)生自然發(fā)火后發(fā)火點(diǎn)位置也很難確定，如果不能及時(shí)預(yù)警發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致火災(zāi)蔓延，不僅會給國家?guī)砭揞~的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也威脅到井下作業(yè)人員的生命安全[3-6]。

1 特大面積上下復(fù)合采空區(qū)觀測現(xiàn)狀及存在問題

1.1 觀測現(xiàn)狀

煤炭自然發(fā)火是個(gè)長期的過程，防滅火的重點(diǎn)工作還在于日常的檢查、管理，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理[7]。當(dāng)前像神東公司這樣的大型綜合機(jī)械系化采煤工作面的采空區(qū)傳統(tǒng)的采空區(qū)觀測方法是：綜采工作面巷道一般至少每隔300 m 左右密閉處安設(shè)1根預(yù)留觀測管，安排專職人員于預(yù)先選好的擁有預(yù)留觀測管的幾個(gè)聯(lián)巷分別安設(shè)束管、壓差計(jì)、傳感器、人工取樣泵等設(shè)備對采空區(qū)的情況進(jìn)行觀測。

1.2 存在問題

1）傳統(tǒng)的采空區(qū)觀測方法對面積較小、單一的采空區(qū)進(jìn)行觀測時(shí)效果還可以，但針對特大面積上下復(fù)合采空區(qū)的觀測效果幾乎是盲區(qū)。

2）需多個(gè)聯(lián)巷設(shè)置束管、壓差計(jì)、傳感器、人工取樣泵等采空區(qū)觀測設(shè)備，各個(gè)觀測點(diǎn)裝置數(shù)量多，檢查人員每次均需奔赴多個(gè)聯(lián)巷觀測點(diǎn)方可全方位掌握該采空區(qū)內(nèi)情況，耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。而且每處觀測點(diǎn)均有可能由于觀測管閘閥等問題出現(xiàn)采空區(qū)向有毒有害氣體向巷道涌流的情況，增大了現(xiàn)場安全管理難度。

3）傳統(tǒng)的方法對采空區(qū)進(jìn)行采樣時(shí)，無法對采樣管路中的積水進(jìn)行剔除，導(dǎo)致水和氣體一同被采集，不僅損害氣象色譜儀，而且導(dǎo)致氣樣各成分濃度分析不準(zhǔn)確。

4）傳統(tǒng)的方法利用紅外束管對采空區(qū)進(jìn)行觀測時(shí)，抽氣泵將氣體連同采空區(qū)積水一起抽出來，抽出的積水進(jìn)入束管監(jiān)測分站后會將分站內(nèi)電路板燒壞，導(dǎo)致整個(gè)束管監(jiān)測分站癱瘓。

5）遠(yuǎn)程監(jiān)控采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象[8]，當(dāng)采空區(qū)出氣時(shí)，要提前采取有效措施，防止采空區(qū)低氧氣體涌入巷道或者工作面造成人員低氧窒息事件。

2 特大面積上下復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置

2.1 結(jié)構(gòu)組成

采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置主要由φ20 mm 鋼管、彎頭、法蘭盤、“U”型壓差計(jì)、通訊傳輸線、壓力傳輸管、壓差傳感器、紅外束管系統(tǒng)、“十”字聯(lián)通組件、束管氣水分離組件、吸氣泵等組成，各部件通過“十”字聯(lián)通組件有機(jī)連接，形成采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置[9]，技術(shù)觀測裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 技術(shù)觀測裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of technical observation device

2.2 工作原理

采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置上端與φ108 mm法蘭盤焊接相通，通過法蘭盤與通采空區(qū)的預(yù)留觀測管連接；“十”字聯(lián)通組件水平兩端頭的一端連接束管“氣水”分離器，束管“氣水”分離器通過束管與紅外束管分站連接；水平兩端頭的另一端連接“U”型壓差計(jì)和壓差傳感器；下端連接抽氣裝置，用來管路疏放水和氣樣采集工作。

如果通過外部動力進(jìn)行采空區(qū)取樣，該采空區(qū)技術(shù)觀測裝置“十”字聯(lián)通組件的水平連接“U”型壓差計(jì)一端的閥門在正常取樣時(shí)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，防止取樣的過程中在外部動力作用下造成“U”型壓差計(jì)中的水流“倒吸”。“十”字聯(lián)通組件的下端閥門日常處于“關(guān)閉”狀態(tài)，確保采空區(qū)有毒有害其他不會涌流到行人巷道，避免了對人員造成安全威脅。

2.3 主要部件結(jié)構(gòu)

1）“十”字聯(lián)通組件?！笆弊致?lián)通組件由空心管、閘閥、φ108 mm 法蘭盤（根據(jù)觀測管尺寸確定）、彎頭等各部件焊接而成，裝置整體呈“十”字型，十字聯(lián)通，各通道利用閘閥控制，“十”字聯(lián)通組件示意圖如圖2。

圖2 “ 十”字聯(lián)通組件示意圖Fig.2 Schematic diagram of“ cross” type unicom components

2）束管氣水分離組件。束管氣水分離裝置是由2 個(gè)通氣口（既可用作進(jìn)氣口，也可用作出氣口）、1個(gè)排水口和“U”型儲水裝置組成。3 個(gè)口均安設(shè)有閥門控制其開關(guān)，2 個(gè)通氣口閥門上部安裝了專門用來連接束管芯線的接口，接束管芯線時(shí)只需將束管芯線正常插入接口即可，按下接口處的彈簧，束管芯線就自動彈出。束管氣水分離組件設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 束管氣水分離組件設(shè)計(jì)圖Fig.3 Beam tube gas-water separation component design drawing

由于“U”型儲水裝置的一端高度為H1，另一端高度為H2，兩端高度差為△H。使用前，人員將“U”型儲水裝置裝滿水，然后將連接采空區(qū)側(cè)的束管芯線插入2 個(gè)通氣口中的任意1 個(gè)，將束管分站側(cè)的束管芯線插入另1 個(gè)通氣口，最后將3 個(gè)閥門全部打開即可。采空區(qū)抽出的水就會進(jìn)入束管氣水分離裝置，由于通氣口側(cè)比排水口側(cè)高，束管氣水分離裝置中的水達(dá)到一定量時(shí)會自動從排水口中排除，從而從源頭上消除了采空區(qū)積水對束管分站的破壞作用。

3）吸氣泵。在現(xiàn)場應(yīng)用中選取了BQG-350/0.2金屬氣動雙隔膜泵。該金屬氣動雙隔膜泵利用氣室中的壓力差在氣室中交替產(chǎn)生吸入壓力，控制閥門開關(guān)可確保液體或者氣體的正向流動。通氣后，泵開始運(yùn)行，并連續(xù)工作以保證所需壓力保持不變，達(dá)到最大輸送管壓力時(shí)自動停止動作，在需要時(shí)，恢復(fù)泵送。金屬氣動雙隔膜泵并非該采空區(qū)觀測裝置吸氣泵的唯一選取，其他滿足上述條件泵種亦可作為候選吸氣泵，甚至有比該吸氣泵性能更優(yōu)良的泵，有待于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與探討。

2.4 工作方式

1）地面自動觀測。壓差傳感器24 h 實(shí)時(shí)將采空區(qū)內(nèi)外壓差數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度，紅外束管系統(tǒng)則24 h 實(shí)時(shí)對采空區(qū)內(nèi)氣體井下分析，并將采空區(qū)氣體情況傳輸至地面，人員在地面通過上傳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握采空區(qū)狀態(tài)。

2）地面人工觀測。人員將采集的氣樣送至地面，通過利用氣相色譜儀分析出采空區(qū)氣體中各主要標(biāo)志氣體的精確濃度，進(jìn)而掌握采空區(qū)狀態(tài)。

3）井下現(xiàn)場觀測。人員通過現(xiàn)場所安設(shè)的壓差計(jì)與壓力傳感器直接讀出當(dāng)時(shí)采空區(qū)內(nèi)外壓差，通過“十”字聯(lián)通組件下部氣樣采集口采集的氣樣利用便攜儀或氣體檢測儀測量出采空區(qū)內(nèi)各氣體參數(shù)，從而掌握采空區(qū)狀態(tài)。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 礦井概況

補(bǔ)連塔煤礦22307 綜采工作面位于22 煤三盤區(qū)，上覆基巖厚度為110～230 m，松散層厚度為8～23 m。煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度7.25 m，設(shè)計(jì)采高6.8 m。工作面長4 954.05 m，工作面寬301 m，面積1 491 169 m2。屬于Ⅰ級容易自燃，發(fā)火期為30 d。

補(bǔ)連塔煤礦22308 綜采工作面位于補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤區(qū)（煤液化預(yù)留區(qū)西側(cè)），上覆基巖厚度為80～245 m，松散層厚度為5～30 m。工作面煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為6.86 m，設(shè)計(jì)采高為6.8 m，工作面長為4 954 m，工作面寬為321 m，面積為1 606 566.8 m2，煤層自燃傾向性為Ⅰ級容易自燃，發(fā)火期為30 d。

3.2 工作面與上覆采空區(qū)立體復(fù)合關(guān)系

22307 綜采工作面、22308 綜采工作面與正上方2 層煤層間距為30～62 m，平均47 m。上覆共計(jì)布置12301～12313 共計(jì)13 個(gè)綜采工作面，采空區(qū)面積總計(jì)約19 056 576.8 m2，其中22307 綜采工作面、22308 綜采工作面正上覆采空區(qū)主要由12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)和部分房采采空區(qū)組成，面積約3 355 538.54 m2。

22307 采空區(qū)和上覆12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)及上覆房采采空區(qū)雖有層位相間，但采動后受應(yīng)力集中影響，各采空區(qū)相互“橫向相連、縱向相通，面積特大、上下復(fù)合”，形成1 個(gè)巨型的“特大面積上下復(fù)合采空區(qū)”。

3.3 技術(shù)觀測裝置高溫預(yù)警及應(yīng)急處置

22307 工作面于2014 年9 月14 日開始回采，2015 年9 月23 日與主回撤通道貫通，10 月7 日工作面回撤完畢，10 月8 日主輔回撤通道聯(lián)巷完成臨時(shí)封閉，11 月12 日永久封閉結(jié)束。與22307 工作面接續(xù)的22308 工作面于10 月7 日開始生產(chǎn)。為了實(shí)時(shí)掌握上下復(fù)合采空區(qū)氣體情況，在22308 回風(fēng)巷18聯(lián)巷密閉安設(shè)了復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置。

2015 年10 月23 日10：00，22308 回風(fēng)巷18 聯(lián)巷密的復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置發(fā)出采空區(qū)氣體異常預(yù)警：CO 濃度256×10-6；12：40，CO 濃度上升至420×10-6；24 日10：00，CO 濃度850×10-6；24 日13：40，CO 濃度1 576×10-6；25 日10：00，CO 濃度為3 897×10-6，C2H4濃度16×10-6。

為了在最短時(shí)間采取最有效的滅火措施，需要準(zhǔn)確判斷出采空區(qū)高溫源位置，在22308 回風(fēng)巷17-18 聯(lián)巷向上覆12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)進(jìn)行打鉆，并安設(shè)了復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置。

經(jīng)過同時(shí)間觀測數(shù)據(jù)對比，22308 回風(fēng)巷17-18聯(lián)巷“QT4 補(bǔ)”鉆孔檢測到上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 最高，且呈現(xiàn)出驟然升高的趨勢：10 月29 日，上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 濃度為6 477×10-6；10 月30 日，上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 濃度升高至12 374×10-6。由此基本上鎖定采空區(qū)高溫區(qū)域?yàn)?2309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域。

利用復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置成功鎖定采空區(qū)高溫點(diǎn)，通過注漿、注氮?dú)?、注液態(tài)CO2等防滅火措施后，僅僅用了43 d 就將高溫點(diǎn)處理完畢，順利將采空區(qū)火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)中，未對22308工作面的安全開采構(gòu)成威脅，快速治理采空區(qū)自然火災(zāi)成為保障工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[10]。2012 年補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤區(qū)上覆采空區(qū)著火，滅火措施耗資1.5 億元，所以本次采空區(qū)防滅火的成功為補(bǔ)連塔礦及公司避免了巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置起到至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 語

特大面積上下復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置可實(shí)現(xiàn)特大面積單一采空區(qū)或上下復(fù)合采空區(qū)井下與地面立體化觀測。實(shí)踐證明，采空區(qū)立體化技術(shù)觀測裝置不僅可以在特大面積上下復(fù)合采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)跡象時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，還可以精準(zhǔn)指導(dǎo)對采空區(qū)采取有效防滅火措施，確保礦井安全生產(chǎn)。