辛置煤礦2-208工作面采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律實測分析

趙玉玲

(霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦， 山西 霍州市 031412)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團(tuán)辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區(qū)，工作面走向長度175 m，傾斜長度 579.5 m，北面緊鄰二采區(qū)軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區(qū)右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區(qū)回風(fēng)巷25 m，東面距離2-202工作面采空區(qū)最小間距為 63 m。工作面開采 2#煤層，煤層厚度3.8 m～4.3 m，平均厚度為4.1 m，平均傾角為4°，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含兩層夾矸，煤層瓦斯相對涌出量為0.28 m3/t，絕對涌出量為0.73 m3/min，為低瓦斯煤層，煤層自燃等級為Ⅰ級，煤塵具有爆炸性。煤層直接頂為泥巖和砂泥巖互層，均厚為 3.0 m，基本頂為K8中細(xì)砂巖，均厚為7.2 m，直接底為泥巖，均厚4.5 m，老底為中砂巖6.5 m。

2-208 工作面采用一次采全高綜合機(jī)械化采煤方法，平均采高4.1 m，循環(huán)進(jìn)度為0.8 m，采空區(qū)采用全部垮落法處理，工作面采用“一進(jìn)一回”U型通風(fēng)方式。由于2#煤層自燃等級為Ⅰ級，采空區(qū)內(nèi)遺煤具有自燃危險性。根據(jù)2#煤層的賦存特征及礦井地質(zhì)資料可知，2#煤層采空區(qū)遺煤自燃臨界氧濃度為9%。為有效掌握采空區(qū)的自燃危險區(qū)域，需要劃分出采空區(qū)自燃危險區(qū)域。

2 采空區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w監(jiān)測分析

2.1 測站布置

2-208 工作面采空區(qū)采用KSS-200型束管監(jiān)測系統(tǒng)，沿著工作面的傾向方向設(shè)置6個指標(biāo)氣體的監(jiān)測點，測點之間的間距為16 mm，2-208工作面采空區(qū)內(nèi)束管監(jiān)測的布置形式如圖1所示。

圖1 2-208工作面采空區(qū)氣體束管監(jiān)測的布置

2.2 測試數(shù)據(jù)分析

2.2.1 采空區(qū)內(nèi)O2含量的分析

根據(jù)束管監(jiān)測結(jié)果，能夠得出采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度的變化規(guī)律。通過具體分析采空區(qū)內(nèi)部氧氣的濃度，能夠在一定程度上采空區(qū)的漏風(fēng)狀態(tài)[1-2]。根據(jù)實測數(shù)據(jù)可知，監(jiān)測點 1#～2#、3#～4#、5#～6#監(jiān)測點所得的氧氣濃度曲線基本相似。為簡化數(shù)據(jù)量，本文分別選取1#測點、4#測點和6#測點，分別代表工作面上部、中部和下部采空區(qū)氧氣濃度含量，2-208工作面采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線如圖2（a）所示，采用Mathlab軟件處理得出的采空區(qū)氧氣濃度分布云圖如圖2（b）所示。

通過分析圖2可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，采空區(qū)內(nèi)的氧氣濃度呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為，隨著工作面推進(jìn)距離的增大，采空區(qū)范圍內(nèi)的頂板逐漸垮落，頂板的冒落壓實性也較好，進(jìn)而使得氧氣含量逐漸降低。

圖2 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

當(dāng)工作面推進(jìn)16 m時，工作面上部、中部及下部的氧氣濃度均大于18%，此時采空區(qū)內(nèi)存在著遺煤，但煤氧化產(chǎn)生的熱量會逐漸被帶走，另外該區(qū)域空氣與浮煤之間的接觸時間較短，因此煤在區(qū)域內(nèi)無法出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，稱該區(qū)域為散熱帶。根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布云圖可知，采空區(qū)內(nèi)散熱帶在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的寬度分別為74 m、20 m和16 m。

當(dāng)工作面回采推進(jìn)16 m后，采空區(qū)內(nèi)垮落的巖石逐漸被壓實，進(jìn)而使得采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度逐漸降低[3-4]，根據(jù)圖中曲線可知，此時采空區(qū)內(nèi)的氧氣含量逐漸下降。當(dāng)工作面推進(jìn)74 m后，工作面上部、中部及下部區(qū)域測點的氧氣含量均降低至18%以下，該區(qū)域內(nèi)遺煤氧化產(chǎn)生的熱量會不斷的在采空區(qū)內(nèi)聚集，無法有效的散開，為遺煤的自燃創(chuàng)造了充分的條件，該區(qū)域為采空區(qū)內(nèi)的氧化帶，根據(jù)氧氣濃度云圖能夠看出，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)先進(jìn)入氧化帶，采空區(qū)中部其次，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)最后。

當(dāng)工作面推進(jìn)118 m后，采空區(qū)內(nèi)基本無漏風(fēng)現(xiàn)象，工作面不同區(qū)域測點的氧氣含量均下降至9%以下，故在該區(qū)域煤不具備自燃的條件，將該區(qū)域稱為窒息帶，工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)、中部及進(jìn)風(fēng)側(cè)進(jìn)入窒息帶的寬度分別為68 m、76 m和118 m。

2.2.2 采空區(qū)內(nèi)CO濃度分析

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)氣體的監(jiān)測結(jié)果，同樣能夠得出采空區(qū)內(nèi)CO濃度與工作面推進(jìn)距離之間的關(guān)系曲線如圖3（a）所示，采用Mathlab軟件處理得出的采空區(qū)一氧化碳濃度分布云圖如圖3（b）所示。

圖3 采空區(qū)內(nèi)一氧化碳濃度與工作面推進(jìn)距離的關(guān)系

通過分析圖3可知，隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)基本無CO存在，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因為采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度較大，使得遺煤氧化產(chǎn)生的CO隨著風(fēng)流被帶到采空區(qū)中部及采空區(qū)回風(fēng)巷一側(cè)，另外進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣則較為充足，故遺煤氧化產(chǎn)生的一氧化碳便較少。

從圖3（a）中能夠看出，在采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)和中部分別在工作面推進(jìn)13 m和10 m時出現(xiàn)CO，隨著工作面的進(jìn)一步推進(jìn)，CO的濃度呈現(xiàn)出急劇增大的現(xiàn)象，當(dāng)工作面回采推進(jìn)至25 m～40 m的范圍時，工作面不同區(qū)域采空區(qū)的CO濃度均達(dá)到最大值，采空區(qū)中部和回風(fēng)巷側(cè)的CO濃度最大值分別為86 cm3/m3和76 cm3/m3，隨后，隨著工作面的推進(jìn)，CO的濃度逐漸降低。當(dāng)工作面推進(jìn)70 m后，采空區(qū)中部的CO消失；當(dāng)工作面推進(jìn)90 m后，采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)的CO消失?；谏鲜龇治?，可根據(jù)CO濃度將工作面劃分為3個區(qū)段：第1區(qū)段為工作面后方10 m范圍，該區(qū)段尚未出現(xiàn)CO；第2區(qū)段為采空區(qū)中部及回風(fēng)巷側(cè)17 m～40 m范圍，該區(qū)段的CO濃度逐漸增大；第3區(qū)段為工作面后方40 m，該區(qū)段采空區(qū)內(nèi)的CO濃度逐漸下降。

基于上述分析，能夠得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶范圍分別為0～74 m、0～20 m和0～16 m，氧化帶的范圍分別為74 m～118 m、50 m～76 m和16 m～68 m，窒息帶的范圍分別為與工作面距離大于118 m、76 m和68 m。

3 自燃危險區(qū)域劃分與防滅火措施

3.1 自燃危險區(qū)域劃分

一般情況下，當(dāng)采空區(qū)“氧化帶”范圍內(nèi)的遺煤具備了自然發(fā)火的必要條件，此時遺煤并不一定會發(fā)生自燃現(xiàn)象，另一方面，目前劃分的氧化帶范圍相對較寬，對于工作面的防滅火工作缺乏指導(dǎo)意義。為給出合理的采空區(qū)自燃危險區(qū)域，采用matlab數(shù)據(jù)處理軟件中的極限值法，基于采空區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w實際監(jiān)測得出的CO、O2、CH4和CO2濃度數(shù)據(jù)，進(jìn)行疊加處理運(yùn)算，進(jìn)而能夠得出2-208工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域，如圖4所示。

圖4 2-208工作面采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域

通過分析圖4可知， 2-208工作面采空區(qū)的自燃危險區(qū)主要位于回風(fēng)側(cè)和采空區(qū)中部。從圖4中能夠看出，采空區(qū)自燃危險區(qū)域主要為采空區(qū)回風(fēng)側(cè)16 m～59 m的范圍，中部20 m～51 m的范圍。

3.2 防滅火措施

根據(jù)2-208工作面煤層的自燃特性，結(jié)合上述采空區(qū)自燃危險區(qū)域的劃分結(jié)果，決定針對采空區(qū)采取灌漿+噴灑阻化劑+自燃危險區(qū)灌注高效阻化泡沫的防滅火措施。

（1）采空區(qū)灌漿。采用踏步式埋管灌漿方法，即隨著回采工作面推進(jìn)，向采空區(qū)內(nèi)埋管道進(jìn)行注漿，注漿步距為40 m，灌漿作業(yè)時，采用黃土泥漿作為灌漿材料，取泥漿的泥:水=1:3，采用上隅角插管，向采空區(qū)注漿。

（2）噴灑阻化劑。阻化劑選用 20%濃度的工業(yè)氯化鈣溶液，采用移動式噴灑系統(tǒng)，由注液泵將阻化液經(jīng)輸液管路送到采煤工作面下隅角進(jìn)行噴灑。工作面一次噴灑量為340 kg，阻化劑的質(zhì)量為68 kg，每5 d進(jìn)行一次噴灑作業(yè)。

（3）自燃危險區(qū)灌注高效阻化泡沫。根據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)16 m～59 m的范圍、中部20 m～51 m的范圍進(jìn)行注高效阻化泡沫作業(yè)，布置2條注漿管路，在距回風(fēng)巷煤柱幫3 m的位置布置一條規(guī)格為Φ108 mm×50 m的無縫鋼管，在距回風(fēng)巷煤柱6 m的位置處，布置一條規(guī)格為Φ42 mm×40 m的無縫鋼管，設(shè)置終孔注漿壓力為6 MPa。工作面每回采40 m進(jìn)行一次注漿作業(yè)。

4 結(jié)論

根據(jù)2-208工作面煤層賦存特征及地質(zhì)條件，通過建立束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)可燃?xì)怏w的監(jiān)測分析，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果得出進(jìn)風(fēng)巷側(cè)、中部、回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶、氧化帶和窒息帶的范圍，并通過數(shù)值處理軟件得出采空區(qū)自燃危險區(qū)域，制定出合理的防滅火措施，保障采空區(qū)的安全。