近距離復(fù)合采空區(qū)三帶劃分與遺煤自燃區(qū)域判定研究

范 麗

(晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 煤峪口礦， 山西 大同 037041)

煤炭是我國(guó)極為重要的基礎(chǔ)能源之一，煤礦的安全生產(chǎn)直接影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，同時(shí)還關(guān)系到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全[1]。相關(guān)數(shù)據(jù)表明，我國(guó)原煤產(chǎn)量長(zhǎng)期位于世界首位，雖然國(guó)家推進(jìn)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，但短期內(nèi)煤炭的主體消費(fèi)地位不會(huì)改變。煤礦開采面臨著煤層自燃的危險(xiǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)有超過一半的重點(diǎn)礦井存在自然發(fā)火的危險(xiǎn)，90%以上的礦井火災(zāi)來自于煤層自燃，因此，煤層自燃機(jī)理與防治技術(shù)相關(guān)研究具有極為重要的意義[2-3]。煤層自燃過程極為復(fù)雜，但其本質(zhì)上是煤層復(fù)合氧化生熱，溫度得不到有效釋放，煤層產(chǎn)生的熱量持續(xù)積累加劇了煤層氧化過程，直至達(dá)到煤層自燃著火點(diǎn)，從而出現(xiàn)自燃現(xiàn)象[4]。采空區(qū)遺煤自燃是礦井火災(zāi)發(fā)生的主要原因之一，尤其在放頂煤中，大量采空區(qū)的存在，加上采空區(qū)本身的復(fù)雜條件，極易出現(xiàn)自燃現(xiàn)象[5]。

1 工程概況

煤峪口礦14-2號(hào)煤層81004工作面平均煤層厚度2.2 m，采用綜采方式開采，位于410盤區(qū)北部，南部為14-2號(hào)煤層81006工作面，北部為14-2號(hào)煤層81002采空區(qū)，西部為盤區(qū)巷道，東部為礦界煤柱與忻州窯礦，工作面上方為11-12號(hào)合并煤層81004采空區(qū)，11號(hào)、12號(hào)煤層采用綜放一次采全高合并開采，平均采高8.2 m，與試驗(yàn)工作面層間距在0.8～2.5 m范圍。在上覆煤層開采后，由于采用放頂煤開采，采空區(qū)存在大量遺煤，在下伏煤層開采時(shí)(14-2號(hào)煤層)，上覆僅有0.8～2.5 m厚的巖層破碎坍塌、垮落，直接影響到下伏煤層的開采，下伏采空區(qū)溝通上覆采空區(qū)后，為上覆采空區(qū)遺煤補(bǔ)充了充足的氧氣，加速了上覆采空區(qū)遺煤氧化，給礦井的安全高效生產(chǎn)帶來極大的隱患。

2 近距離復(fù)合采空區(qū)三帶劃分

2.1 采空區(qū)遺煤、氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

1) 近距離復(fù)合采空區(qū)遺煤分布特征。復(fù)合采空區(qū)遺煤自燃的一個(gè)必要條件就是遺煤達(dá)到一定的厚度。14-2號(hào)煤81004工作面采用綜采方式開采，采空區(qū)基本不留遺煤，而上覆11-12號(hào)煤層工作面采用放頂煤開采，煤層平均厚度8.2 m，割煤高度2.9 m，放煤高度5.3 m，回采巷道高3.2 m，綜采回采率在0.95以上，頂煤回收率在0.65以上。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體條件，確定遺煤孔隙率以0.25計(jì)算，經(jīng)計(jì)算回采巷道上覆遺煤厚度6.67 m，中部回采區(qū)域上覆遺煤厚度2.45 m，近距離復(fù)合采空區(qū)遺煤厚度如圖1和圖2所示。

圖2 近距離復(fù)合采空區(qū)遺煤厚度分布截面

2) 近距離復(fù)合采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律。采用采空區(qū)埋管抽氣方式測(cè)試采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度分布情況，圖3和圖4分別給出了采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度變化曲線，圖5給出了近距離復(fù)合采空區(qū)氧氣濃度等值線圖。如圖所示，進(jìn)風(fēng)側(cè)0～20 m范圍內(nèi)氧氣濃度在20%左右，而回風(fēng)側(cè)將降低至12%以下，隨著工作面的不斷推進(jìn)，兩側(cè)氧氣濃度不斷降低，距工作面50 m范圍后，進(jìn)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧氣濃度均低于4%，由圖5可知，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)的氧氣濃度降低速度明顯高于進(jìn)風(fēng)側(cè)。

圖3 進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度變化曲線

圖4 回風(fēng)側(cè)氧氣濃度變化曲線

圖5 近距離復(fù)合采空區(qū)氧氣濃度等值線

3) 近距離復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律。試驗(yàn)工作面回采形成近距離復(fù)合采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)遺煤屬于復(fù)雜多孔介質(zhì)，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件中，風(fēng)速較小時(shí)，遺煤才會(huì)出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，因此采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度直接影響到遺煤自燃。目前常采用氧氣濃度測(cè)試法來計(jì)算松散煤體的漏風(fēng)強(qiáng)度，基于近距離復(fù)合采空區(qū)氧氣濃度，可以計(jì)算得到近距離復(fù)合采空區(qū)的漏風(fēng)強(qiáng)度。圖6給出了近距離復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等值線圖。

圖6 近距離復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等值線

2.2 近距離復(fù)合采空區(qū)三帶劃分

1) 基于氧氣濃度劃分。以采空區(qū)氧氣濃度作為指標(biāo)劃分三帶時(shí)，氧氣濃度在0%～8%范圍，遺煤處于缺氧狀態(tài)，屬于窒息帶；氧氣濃度在8%～18%范圍，遺煤處于供氧充分狀態(tài)，散熱效果欠佳，易出現(xiàn)遺煤復(fù)合氧化作用，屬于自燃帶；氧氣濃度在18%以上，遺煤處于供氧充分狀態(tài)，但其散熱效果良好，屬于散熱帶?；诖?，可劃分采空區(qū)三帶，具體劃分見表1。

表1 基于氧氣濃度劃分的復(fù)合采空區(qū)三帶

2) 基于漏風(fēng)強(qiáng)度劃分。以采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度作為指標(biāo)劃分三帶時(shí)，漏風(fēng)強(qiáng)度在0～0.167 cm/s范圍，氧氣濃度較低，屬于窒息帶，漏風(fēng)強(qiáng)度在0.167～0.400 cm/s范圍，散熱效果欠佳，易出現(xiàn)遺煤復(fù)合氧化作用，屬于自燃帶，漏風(fēng)強(qiáng)度在0.400 cm/s以上散熱效果良好，屬于散熱帶，基于此，可劃分采空區(qū)三帶，具體劃分見表2。

表2 基于漏風(fēng)強(qiáng)度劃分的復(fù)合采空區(qū)三帶

3) 基于氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度劃分。為更好地劃分采空區(qū)三帶，以氧氣濃度和漏風(fēng)強(qiáng)度作為兩種指標(biāo)綜合劃分，窒息帶和自燃帶劃分時(shí)，以氧氣濃度為主要指標(biāo)，自燃帶和散熱帶劃分時(shí)，以漏風(fēng)強(qiáng)度為主要指標(biāo)，基于此，可劃分采空區(qū)三帶，具體劃分見表3。

表3 復(fù)合采空區(qū)三帶綜合劃分

3 遺煤自燃區(qū)域判定

松散煤體自燃需要足夠的厚度、充足的供氧量和適宜的漏風(fēng)強(qiáng)度。一定厚度的遺煤可積聚熱量，充足的供氧量為煤體氧化提供養(yǎng)料?；诰略囼?yàn)可得到，上覆采空區(qū)遺煤最短自然發(fā)火期為60 d，氧氣濃度低于60 ℃的下限氧濃度時(shí)或漏風(fēng)強(qiáng)度高于60 ℃的上限漏風(fēng)強(qiáng)度時(shí)或遺煤厚度低于0.615 m，遺煤不會(huì)自燃現(xiàn)象，遺煤厚度為2.45 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的下限氧濃度和上限漏風(fēng)強(qiáng)度分別為6.16%和0.15 cm/s，遺煤厚度為2.45 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的下限氧濃度和上限漏風(fēng)強(qiáng)度分別為4.52%和0.31 cm/s。基于此，可判定遺煤自燃區(qū)域，如圖7所示，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶(氧化升溫帶)達(dá)到78.0 m，在距工作面92.0 m進(jìn)入窒息帶，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃帶(氧化升溫帶)達(dá)到28.0 m，在距工作面48.0 m進(jìn)入窒息帶。

圖7 近距離復(fù)合采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度等值線

4 結(jié) 語(yǔ)

近距離復(fù)合采空區(qū)遺煤自燃是礦井火災(zāi)的主要因素之一，分析了采空區(qū)遺煤厚度、氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度分布特征規(guī)律，分別以氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度作為主要指標(biāo)劃分了近距離復(fù)合采空區(qū)三帶，研究得到上覆采空區(qū)遺煤最短自然發(fā)火期為60 d，氧氣濃度低于60 ℃的下限氧濃度時(shí)或漏風(fēng)強(qiáng)度高于60 ℃的上限漏風(fēng)強(qiáng)度時(shí)或遺煤厚度低于0.615 m，遺煤不會(huì)自燃現(xiàn)象，基于此，判定了近距離復(fù)合采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域，豐富了采空區(qū)遺煤自燃機(jī)理與防治技術(shù)。