綜放工作面低變質(zhì)穩(wěn)態(tài)煤溫度分布及溫升規(guī)律

張海洋

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122）

我國(guó)絕大部分礦井工作面設(shè)備回撤周期較長(zhǎng)，尤其是長(zhǎng)壁工作面，回撤所需時(shí)間基本臨近或超過煤層最短自然發(fā)火期，采空區(qū)等區(qū)域極易出現(xiàn)遺煤氧化蓄熱，進(jìn)而引發(fā)遺煤區(qū)域性高溫或自燃[1-3]。從回撤時(shí)期煤體特征來看，煤體受動(dòng)壓影響較小，基本處于穩(wěn)定的狀態(tài)，穩(wěn)態(tài)煤存在良好的氧化升溫條件，加之低變質(zhì)煤易自燃的特點(diǎn)，低變質(zhì)穩(wěn)態(tài)煤在回撤時(shí)期防滅火管控難度大幅增加[4-6]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)、模擬等方法，對(duì)煤溫的發(fā)展態(tài)勢(shì)進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)學(xué)者認(rèn)為，煤溫與煤自燃過程中的耗氧放熱均密切相關(guān)[7]；在模擬條件下，回撤時(shí)期煤溫呈非線性升高的特征，煤自燃高溫區(qū)域主要集中于采空區(qū)兩側(cè)一定范圍內(nèi)[5]；趙文彬等通過FTIR 實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為，煤樣隨著溫度的升高，吸附氧的能力增強(qiáng)，煤自燃危險(xiǎn)性增大[8]；劉少南得出煤體較高的初始溫度可縮短煤的自然發(fā)火期[9]。國(guó)外學(xué)者通過煤的絕熱爐試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同一煤樣在不同初始溫度條件下，初始溫度影響了煤的氧化速率和自然發(fā)火期[10-11]；通過煤的自熱研究發(fā)現(xiàn)，低變質(zhì)煤初始溫度在20～22 ℃時(shí)，不到19 d 就達(dá)到了熱失控[12]。但實(shí)驗(yàn)與模擬所構(gòu)建的環(huán)境及條件難以完全與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況相符，其結(jié)果亦存在偏差。以神華國(guó)能哈密煤電有限公司大南湖一礦1305 綜放工作面回撤時(shí)期的低變質(zhì)穩(wěn)態(tài)煤作為研究對(duì)象，通過紅外熱成像儀測(cè)定的溫度數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，研究低變質(zhì)穩(wěn)態(tài)煤在工作面設(shè)備回撤時(shí)期的實(shí)際溫度分布情況，并闡明溫升規(guī)律。

1 礦井概況

大南湖一礦位于新疆哈密市境內(nèi)，現(xiàn)主要開采的3#煤層屬低灰、低硫、特低磷、高揮發(fā)分、低發(fā)熱量、富油、中等黏結(jié)性的褐煤。礦井瓦斯等級(jí)為低瓦斯礦井，3#煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅰ類，屬容易自燃煤層，煤層最短自然發(fā)火期為37 d，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。1305 工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開采方法，傾向長(zhǎng)度240 m，煤層傾角平均8°，共設(shè)置138副液壓支架，上覆及下覆煤層尚未開采。

1305 綜放工作面末采時(shí)采用“U”型通風(fēng)的方式，上行通風(fēng)的方法。工作面液壓支架回撤過程中，當(dāng)工作面頂板開始塌落時(shí)，開啟局部通風(fēng)機(jī)向設(shè)備回撤地點(diǎn)供風(fēng)，工作面由礦井全風(fēng)壓通風(fēng)調(diào)整為局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)。1305 綜放工作面于2019 年7 月12日進(jìn)入停采回撤階段，8 月17 日完成設(shè)備回撤并永久封閉，歷時(shí)37 d。

2 工作面回撤時(shí)期易自燃區(qū)域溫度分布情況

2.1 工作面回撤時(shí)期空氣流動(dòng)特性

工作面設(shè)備回撤時(shí)期，我國(guó)礦井普遍針對(duì)采空區(qū)采取積極的防滅火技術(shù)措施，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總體實(shí)際觀測(cè)結(jié)果來看，液壓支架頂部煤體出現(xiàn)自然發(fā)火的風(fēng)險(xiǎn)要高于采空區(qū)。液壓支架頂部煤體容易自燃主要是由于液壓支架后部的空氣流動(dòng)特性所致。工作面設(shè)備回撤時(shí)期液壓支架后部空氣流動(dòng)示意圖如圖1。

圖1 工作面設(shè)備回撤時(shí)期液壓支架后部空氣流動(dòng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of the air flow behind the hydraulic support during the withdrawl of equipment

1305 工作面設(shè)備回撤時(shí)期在采取全壓通風(fēng)時(shí)，液壓支架后部風(fēng)流沿著掩護(hù)梁向上部至頂部擴(kuò)散，而采空區(qū)表面煤體在采取封堵措施后，工作面風(fēng)流擴(kuò)散至采空區(qū)內(nèi)部的幅度將減小，采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)主要為地表漏風(fēng)。工作面設(shè)備回撤時(shí)期，液壓支架上部煤體出現(xiàn)溫度持續(xù)升高或局部高溫的情況，其原因在于：①低速風(fēng)流持續(xù)為破碎煤體供氧；②液壓支架掩護(hù)煤體造成熱量不易散發(fā)；③液壓支架上部煤體破碎程度較高，且破碎程度越高的區(qū)域越容易出現(xiàn)高溫點(diǎn)。

2.2 工作面回撤時(shí)期可視化易自燃區(qū)域

通過紅外熱成像儀對(duì)工作面溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，工作面設(shè)備回撤時(shí)期各區(qū)域煤體可視化溫度圖像如圖2。分析認(rèn)為在工作面設(shè)備回撤時(shí)期可視化易自燃區(qū)域?yàn)椋孩僖簤褐Ъ芗荛g煤體；②液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間煤體；③液壓支架頂部煤體。其中液壓支架頂部煤體需要通過液壓支架頂梁間接觀測(cè)，所監(jiān)測(cè)到的煤體溫度數(shù)據(jù)有一定的滯后性。

圖2 工作面設(shè)備回撤時(shí)期各區(qū)域煤體可視化溫度圖像Fig.2 Visualized temperature images of coal in various regions

通過監(jiān)測(cè)完整回撤過程中工作面的溫度，認(rèn)為工作面設(shè)備回撤時(shí)期采取采空區(qū)連續(xù)注氮和液壓支架后部采空區(qū)表面煤體全斷面噴漿封堵的防滅火措施后，回撤時(shí)期人工檢測(cè)工作面氣體體積分?jǐn)?shù)及溫度的重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)考慮為液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間的裸露煤體，此位置可直接反映液壓支架頂部及附近區(qū)域的煤體溫度。人工檢測(cè)應(yīng)以溫度作為遺煤自燃的主要判別指標(biāo)，輔以CO、C2H4等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體，其原因在于工作面設(shè)備回撤時(shí)期液壓支架頂部區(qū)域?yàn)榈惋L(fēng)速區(qū)，容易造成氣體積聚，出現(xiàn)CO氣體體積分?jǐn)?shù)高于常值的情況，影響煤體自然發(fā)火的判斷。

2.3 工作面回撤時(shí)期易自燃區(qū)域溫度分布情況

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果分析來看，液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體初始溫度平均值為25.7 ℃，液壓支架架間裸露煤體初始溫度平均值為23.5 ℃，液壓支架后部采空區(qū)表面煤體初始溫度平均值為24℃。液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體初始溫度垂線圖如圖3。液壓支架頂部煤體初始溫度較高的基本集中在52#液壓支架以下，處于工作面中下部，其原因是由于受工作面通風(fēng)方式的影響，進(jìn)風(fēng)位置處較中上部位置處的液壓支架頂部煤體受低速風(fēng)流干擾較為嚴(yán)重，加之工作面中下部煤體受礦壓影響較大，煤體破碎嚴(yán)重。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采取液壓支架架間鉆孔壓注封堵材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，溫度較高區(qū)域的煤體破碎程度較高，在鉆孔施工過程中煤體呈現(xiàn)出“外實(shí)內(nèi)空”的狀態(tài)。

圖3 液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體初始溫度垂線圖Fig.3 Vertical line graph of the exposed coal initial temperature between the hydraulic support roof beam and shield beam

液壓支架架間裸露煤體初始溫度垂線圖如圖4。初始溫度較高的基本集中在66#液壓支架以下。圖3 與圖4 對(duì)比分析，在回撤初期，并未完全呈現(xiàn)出頂部煤體與架間煤體相互影響的狀態(tài)，兩者溫度分布較為獨(dú)立。同時(shí)，這種溫度獨(dú)立分布的狀態(tài)和溫度分布情況，表明液壓支架頂部至后部掩護(hù)梁位置的煤體自燃風(fēng)險(xiǎn)高于架間煤體。

圖4 液壓支架架間裸露煤體初始溫度垂線圖Fig.4 Vertical line graph of the adjacent hydraulic supports exposed coal initial temperature

3 工作面回撤時(shí)期穩(wěn)態(tài)煤溫升規(guī)律

3.1 液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體溫升規(guī)律

利用紅外熱成像儀，對(duì)工作面設(shè)備回撤時(shí)期液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體進(jìn)行了全斷面溫度數(shù)據(jù)采集。工作面中下部液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體溫升曲線圖如圖5，工作面中上部液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體溫升曲線圖如圖6。

工作面液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體溫度總體呈緩慢上升趨勢(shì)，初始溫度較高的23#液壓支架煤體后期并未出現(xiàn)溫度急劇增長(zhǎng)的情況，液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露的煤體溫度總體呈每2 d 增長(zhǎng)0.5～1 ℃左右。由于液壓支架從工作面下部開始回撤，后期改為局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，風(fēng)筒鋪至待回撤液壓支架后部，受通風(fēng)方式影響，待回撤液壓支架附近風(fēng)流速度有所提升，起到一定散熱作用，待回撤液壓支架附近煤體溫度有所下降。

工作面設(shè)備回撤時(shí)期，受通風(fēng)、回撤進(jìn)度和防滅火技術(shù)等因素的影響，各區(qū)域煤體在初始溫度的基礎(chǔ)上呈緩慢上升趨勢(shì)，期間溫度偶有波動(dòng)?；爻吠戤厱r(shí)，工作面未出現(xiàn)自然發(fā)火的情況。但應(yīng)注意的是，若人工檢測(cè)出溫度發(fā)生較大幅度上升時(shí)，應(yīng)由每天調(diào)整為每班的頻率進(jìn)行檢測(cè)，并且將溫度與標(biāo)志性氣體結(jié)合起來判斷，及時(shí)采取防滅火技術(shù)措施。

3.2 液壓支架后部采空區(qū)表面煤體溫升規(guī)律

1305 工作面在液壓支架后部采取采空區(qū)表面煤體全斷面噴漿封堵措施，7 月17 日從回風(fēng)隅角開始噴漿，噴漿至工作面中部時(shí)，調(diào)整為從工作面下部向上噴漿，7 月22 日完成全斷面噴漿封堵工作。工作面中下部液壓支架后部采空區(qū)表面煤體溫升曲線圖如圖7。工作面中上部液壓支架后部采空區(qū)表面煤體溫升曲線圖如圖8。

圖7 工作面中下部液壓支架后部采空區(qū)表面煤體溫升曲線圖Fig.7 The goaf surface coal temperature rise curves in the middle and lower working faces

圖8 工作面中上部液壓支架后部采空區(qū)表面煤體溫升曲線圖Fig.8 The goaf surface coal temperature rise curves in the middle and upper working faces

液壓支架后部采空區(qū)表面煤體初始溫度整體上要低于液壓支架頂部煤體溫度，且工作面中下部采空區(qū)表面煤體溫度波動(dòng)幅度略大于工作面中上部。在噴漿后部分區(qū)域的煤體表現(xiàn)出溫度升高再下降的情況，尤其是工作面中下部，根據(jù)總體溫度數(shù)據(jù)來看，噴漿后部分區(qū)域存在熱量散發(fā)期和熱量穩(wěn)定期，之后溫度呈每2 d 增長(zhǎng)0.5～1 ℃的趨勢(shì)。

4 結(jié) 論

1）受工作面液壓支架后部空氣流動(dòng)特性影響，設(shè)備回撤時(shí)期易自燃區(qū)域?yàn)椋孩僖簤褐Ъ芗荛g煤體；②液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間煤體；③液壓支架頂部煤體。其中液壓支架頂部至后部掩護(hù)梁位置的煤體自燃風(fēng)險(xiǎn)較高。

2）工作面設(shè)備回撤時(shí)期，液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間裸露煤體平均初始溫度高于液壓支架架間裸露煤體和采空區(qū)表面煤體，且初始溫度較高的位置較為集中在工作面中下部。在回撤初期，液壓支架頂部煤體與架間煤體溫度分布較為獨(dú)立，并未完全呈現(xiàn)出相互影響的狀態(tài)。溫度較高的區(qū)域煤體破碎程度較高，甚至呈現(xiàn)出“外實(shí)內(nèi)空”的狀態(tài)。

3）總體上，液壓支架附近及采空區(qū)表面煤體呈0.5～1 ℃/2 d 的趨勢(shì)增長(zhǎng)；液壓支架后部采空區(qū)表面煤體在采取噴漿封堵措施后，存在熱量散發(fā)期和熱量穩(wěn)定期的現(xiàn)象。

4）工作面設(shè)備回撤時(shí)期，在采空區(qū)采取綜合防滅火技術(shù)措施的情況下，回撤時(shí)期人工檢測(cè)的重點(diǎn)區(qū)域應(yīng)考慮為液壓支架頂梁與掩護(hù)梁之間的裸露煤體，并且應(yīng)以溫度作為遺煤自燃的主要判別指標(biāo)，輔以CO、C2H4等自然發(fā)火標(biāo)志性氣體進(jìn)行綜合判斷。