綜采工作面采空區(qū)自燃三帶劃分研究

武 帥

(山西省煤炭職業(yè)中等專業(yè)學(xué)校，山西 太原 030006)

在工作面回采過程中，采空區(qū)煤層自燃現(xiàn)象時有發(fā)生，采空區(qū)防滅火已經(jīng)成為了礦井防滅火的重點工作之一[1-2]。然而掌握煤炭自燃時所釋放出的標(biāo)志氣體能夠提高煤炭早期自燃預(yù)測預(yù)報的準(zhǔn)確性，掌握煤層自燃“三帶”(散熱帶、自燃帶、窒息帶)的分布情況，對于準(zhǔn)確、有效地實施防滅火技術(shù)至關(guān)重要[3-4]。因此本文以王莊煤業(yè)3508工作面采空區(qū)煤層自燃防治為背景，通過實驗室測定、數(shù)值模擬、現(xiàn)場檢測等方法確定了3號煤層自燃的標(biāo)志性氣體，對采空區(qū)自燃“三帶”進行了準(zhǔn)確的劃分，為礦井科學(xué)有效地進行防滅火奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1 工程概況

山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司隸屬于長治市長治縣，礦井采用斜井開拓，采用主通風(fēng)機全負壓進行通風(fēng)，通風(fēng)方式為“U”型獨立通風(fēng)。3號煤層為不易自燃煤層，自燃傾向性等級為Ⅲ級，具有爆炸危險性。礦井絕對瓦斯涌出量為11.01 m3/min，相對瓦斯涌出量為 2.6 m3/t。3508綜采工作面位于礦井3號煤層，煤層傾角1～11°，平均6°，煤層平均厚度4.83 m，走向長度2 016.04 m，傾向長度128.6 m，工作面配風(fēng)量1 884 m3/min。

百日咳桿菌、杜克雷嗜血桿菌、流感嗜血桿菌*$、副流感嗜血桿菌、嗜肺軍團菌、卡他莫拉菌*和淋病奈瑟球菌。

2 煤層自燃標(biāo)志性氣體確定

采空區(qū)煤層自燃前期低溫氧化過程中會釋放出氣體，該氣體隨煤質(zhì)的不同表現(xiàn)出不同的種類。因此特對3508工作面煤在實驗室進行了程序升溫?zé)峤鈱嶒?，得到了CO、CH4、C2H4和C2H6隨溫度升高的變化曲線。如圖1所示。

本期我們采訪了法國攝影師Réhahn，他專注于拍攝世界各地的人文風(fēng)貌，希望在這些文明消逝之前，用影像記錄它們。

圖1 煤層自燃氣體濃度隨煤溫的變化

現(xiàn)場對3508工作面進回風(fēng)兩條巷道采空區(qū)O2含量進行了監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果如圖5和圖6所示。

3 采空區(qū)三帶分布分析

3.1 數(shù)值模擬分析

在現(xiàn)場作業(yè)工作完成后，要對現(xiàn)場進行仔細清理，并且注意要恢復(fù)現(xiàn)場的有關(guān)安全防護措施，還原原有的設(shè)備定置，防止由于作業(yè)而給現(xiàn)場留下日后的安全隱患。

圖2 采空區(qū)氧濃度變化

現(xiàn)場監(jiān)測點布置如圖4所示。在采空區(qū)進、回風(fēng)側(cè)埋設(shè)束管進行取樣分析，隨著工作面的推進，束管埋管逐漸伸入采空區(qū)內(nèi)，人工間斷的采樣監(jiān)測采空區(qū)束管測點的O2含量，以此劃分采空區(qū)三帶范圍。每天對采空區(qū)O2含量進行采集，并記錄工作面推進度、三角區(qū)垮落等情況。

圖3為工作面采空區(qū)自燃帶分布曲線，圖中靠近工作面的白色區(qū)域為散熱帶，18%和10%氧氣濃度等值線之間的彩色區(qū)域為自燃帶，而氧氣濃度小于10%的區(qū)域為窒息帶。根據(jù)圖3分析可得，自燃帶由采空區(qū)回風(fēng)側(cè)向采空區(qū)進風(fēng)側(cè)延伸時，寬度逐漸增加，回風(fēng)側(cè)自燃帶寬度與采空區(qū)中部及進風(fēng)側(cè)相比較窄，由圖可知，在進風(fēng)巷一側(cè)自燃帶范圍為80～140 m，自燃帶寬度為60 m，采空區(qū)中部自燃帶范圍20～80 m，自燃帶寬度約為60 m，回風(fēng)巷一側(cè)自燃帶范圍5～10 m，自燃帶寬度約5 m。與采空區(qū)氧氣濃度變化圖結(jié)果一致。

圖3 采空區(qū)的自燃帶分布

3.2 現(xiàn)場監(jiān)測方案

由圖2可以看出，采空區(qū)進風(fēng)側(cè)、中部和回風(fēng)側(cè)氧氣濃度呈現(xiàn)出了不同的變化規(guī)律。氧氣濃度從進風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸降低，進風(fēng)側(cè)深入采空區(qū)80 m附近時，氧氣濃度降低到18%，直到140 m附近時下降到10%；中部區(qū)域進入采空區(qū)20 m左右的位置氧氣濃度下降至18%，在80 m左右處氧氣濃度為10%；回風(fēng)側(cè)進入采空區(qū)極短的距離內(nèi)氧氣濃度下降到18%，在采空區(qū)10 m左右的位置氧氣濃度急速下降至10%.

采用數(shù)值模擬軟件COMSOL對采空區(qū)氧氣濃度變化進行模擬，采空區(qū)氧濃度變化規(guī)律如圖2所示。

圖4 現(xiàn)場監(jiān)測點布置

3.3 現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

由圖1可以看出，CO遇到煤層高溫后反應(yīng)最強烈，當(dāng)煤溫達到40 ℃時開始產(chǎn)生，隨著溫度的升高逐漸增加，當(dāng)煤溫達到70 ℃以后，CO的產(chǎn)生速率、產(chǎn)量都迅速增加。CH4、C2H4和C2H6濃度也隨著煤溫的增加而逐漸增加，CH4、C2H6濃度從煤溫30 ℃開始增加，而C2H4從煤溫90 ℃以后才開始產(chǎn)生，雖然CH4、C2H6對于溫度較為敏感，反應(yīng)強烈，但是總體產(chǎn)生量較小，考慮到現(xiàn)場實際檢測情況，3508工作面以CO為標(biāo)志性氣體，C2H4可作為輔助性指標(biāo)來判斷煤層自燃情況。

圖5 進風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2含量變化

圖6 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2含量變化

其中：Lmax為散熱帶和自燃帶總長度，m；T為最短自然發(fā)火期，d。

圖7 3508綜采工作面采空區(qū)三帶分布

4 3508工作面安全推進度

圖3可見，考核數(shù)據(jù)集分析結(jié)果顯示隨著樣本量增加，符合率逐漸降低，最終穩(wěn)定均在0.75以上；多分類Logistic模型判對率均在0.82以上。

由圖5可以看出，進回風(fēng)側(cè)采空區(qū)不同位置處，氧氣含量也不同。進風(fēng)側(cè)：采空區(qū)80 m處氧氣含量18.23%，隨采空區(qū)不斷深入，氧氣濃度也在下降，當(dāng)采空區(qū)深入140 m位置時，氧氣含量10.05%，之后繼續(xù)下降；回風(fēng)側(cè)：采空區(qū)10 m處氧氣含量9.8%，隨采空區(qū)不斷深入，氧氣濃度逐漸下降；由此可以看出，散熱帶和自燃帶在進風(fēng)側(cè)要比回風(fēng)側(cè)范圍更廣，實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相近，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，3508工作面采空區(qū)三帶分布如圖7所示。

為了降低采空區(qū)煤層著火威脅，根據(jù)3508工作面采空區(qū)三帶分布情況，計算出工作面的安全推進度。見下式：

空間外差光譜儀捕獲到觀測物質(zhì)的干涉圖信息，利用干涉圖與復(fù)原光譜間的傅里葉變換關(guān)系提取出目標(biāo)光譜信號.傳統(tǒng)的傅里葉變換法提取的光譜存在分辨率低、估計譜線浮動劇烈、混疊誤差嚴(yán)重等缺陷[7-8].簡小華等利用現(xiàn)代譜估計中的多重信號分類(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法對傳統(tǒng)傅里葉變換單色光譜信號進行提取，光譜復(fù)原效果很好，但在復(fù)色光譜復(fù)原方面還存在一系列問題，而且MUSIC算法對于信號空間維數(shù)p的取值十分敏感，雖然手工調(diào)試能獲取最佳維數(shù)p值，但過程繁瑣、耗時長，當(dāng)需要處理數(shù)據(jù)量較大時，手工調(diào)試將無法完成工作 [9-15].

根據(jù)3508三帶分布情況，散熱帶和自燃帶總長度為140 m，3號煤層最短自然發(fā)火期為113 d，因此3508工作面安全推進度不得小于1.2 m/d。如果工作面推進度大于1.2 m/d，采空區(qū)煤層自燃威脅較?。蝗绻ぷ髅嫱七M度小于1.2 m/d，采空區(qū)煤層自燃威脅大大增加。根據(jù)現(xiàn)場實際情況，工作面推進度要遠大于1.2 m/d，因此3508工作面采空區(qū)煤層不會發(fā)生自燃現(xiàn)象。

5 結(jié) 語

1) 通過對3號煤實驗室進行了程序升溫?zé)峤鈱嶒?，得出將CO為標(biāo)志性氣體來判斷煤層自燃情況。

2) 通過現(xiàn)場檢測及數(shù)值模擬試驗，確定了3508工作面采空區(qū)三帶影響最廣范圍散熱帶：0～80 m；自燃帶：80～140 m，窒息帶：大于140 m。散熱帶和自燃帶由采空區(qū)進風(fēng)側(cè)向采空區(qū)回風(fēng)側(cè)延伸時，寬度逐漸減小，回風(fēng)側(cè)散熱帶與采空區(qū)中部及進風(fēng)側(cè)相比較窄。

3) 根據(jù)采空區(qū)三帶影響范圍計算出了3508工作面安全推進度為1.2 m/d。