厚煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”分析與防治技術(shù)

楊 陽

(晉能控股集團 晉城煤炭事業(yè)部晉圣公司，山西 晉城 048006)

煤自燃火災(zāi)是制約煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，其中采空區(qū)自燃火災(zāi)占比大。煤礦火災(zāi)的60%為采空區(qū)自然發(fā)火，中厚以下煤層采空區(qū)自燃次數(shù)占采空區(qū)發(fā)火總數(shù)的16%，厚煤層和特厚煤層的采空區(qū)自燃火災(zāi)次數(shù)占采空區(qū)發(fā)火總數(shù)的84%[1].為此，對厚煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”分析并提出合理的防治技術(shù)尤為重要[2-3].智國軍等[4]研究指出根據(jù)煤巖體孔隙率劃分的自然堆積區(qū)、載荷影響區(qū)和壓實穩(wěn)定區(qū)，分別與采空區(qū)自燃“三帶”散熱帶、氧化帶及窒息帶呈一定程度對應(yīng)關(guān)系；陳慶豐[5]針對撤架期間采空區(qū)松散煤體的自燃特性，提出采空區(qū)保壓控氧、注氮注漿聯(lián)合減氧降溫、高低位鉆孔注漿靶向治理發(fā)熱條帶等綜合防滅火技術(shù)措施。本文以某礦3801工作面為工程背景，采用現(xiàn)場測定方法對采空區(qū)自燃“三帶”進行了分析，并給出了采空區(qū)自燃防治方法，以期為該礦工作面安全生產(chǎn)提供借鑒與指導(dǎo)。

1 工程概況

某煤礦主采3#煤層3801工作面，工作面標高為+954.6～+972.3 m，走向長度 815.23 m，傾向長度 237.72 m，煤層平均傾角5°，平均厚度5.3 m，采用大采高綜合機械化采煤工藝，工作面北為38采區(qū)回風(fēng)巷，南為井田邊界，西為物探成果采空區(qū)和小窯破壞區(qū)，東為35采區(qū)回風(fēng)巷。煤層頂?shù)装迩闆r見表1.

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

3801工作面隨著回采作業(yè)的進行，頂板垮落情況良好，不存在大規(guī)模懸頂情況，采空區(qū)后方較嚴實，有利于減小采空區(qū)的漏風(fēng)，通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)，工作面配風(fēng)量 1 853 m3/min.

2 3801工作面采空區(qū)自燃“三帶”確定方法

2.1 現(xiàn)場測定方法

采空區(qū)自燃“三帶”主要包括散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。隨著工作面回采作業(yè)的進行，“三帶”范圍隨之發(fā)生變化。為此，判斷采空區(qū)遺煤自燃發(fā)生的可能性，需對其采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度進行測定，通過現(xiàn)場氣體抽測，將采集到的氣體利用氣相色譜儀進行分析。

2.2 測點布置方式

測點布置見圖1，采空區(qū)內(nèi)氣體主要沿走向變化，沿傾斜方向略有變化。在采空區(qū)進、回風(fēng)側(cè)埋設(shè)取樣管路布置測點1、2，取樣管路采用束管，束管的外部采用d50 mm鋼管作為保護管，避免頂板來壓或端頭支架來壓對束管造成破壞。

圖1 束管及抽氣點位置圖

束管的前端布置見圖2.對管口前端進行密封處理，在保護鋼管壁上鉆鑿多個取氣小孔，隨后將束管放入鋼管中，并對套管中間拐角位置進行隔離密閉。隨著工作面的推進，束管慢慢進入到采空區(qū)內(nèi)，以此測定采空區(qū)中氧氣的含量隨回采工作面推進的變化情況，最終確定采空區(qū)“三帶”范圍。

圖2 束管前端布置圖

為保障回采作業(yè)面安全，制定如下測定程序：

1)在保證束管及相應(yīng)密閉條件完好的情況下，每天進行一次現(xiàn)場氣體采集，并進行及時有效地分析。

2)在現(xiàn)場進行氣體采集之前，需對束管內(nèi)的空氣進行排氣處理，避免對取氣樣本造成影響。

3)現(xiàn)場取樣過程中，要做好工作面相關(guān)參數(shù)的記錄工作，例如工作面推進距離、采空區(qū)垮落情況等。

2.3 采空區(qū)自然“三帶”確定

試驗工作面條件為：1)上下隅角吊掛擋風(fēng)簾、導(dǎo)風(fēng)簾。2)上下出口斷面合理，工作面風(fēng)流暢通。3)工作面上下口采空區(qū)隨采隨垮，沒有形成懸空。用束管連續(xù)測定運輸巷和回風(fēng)巷采空區(qū)氧氣變化情況，埋入的測點隨采空區(qū)的推移而呈動態(tài)變化情況，分別見圖3,4.

圖3 進風(fēng)側(cè)測定結(jié)果圖

圖4 回風(fēng)側(cè)測定結(jié)果圖

根據(jù)圖3,4可知，隨著工作面推進距離的增加，對于進風(fēng)側(cè)，采空區(qū)內(nèi)的含氧量表現(xiàn)為線性降低趨勢，其中在采空區(qū)以里25 m與125 m位置測得的氧氣濃度分別為18.02%與9.65%；對于回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度隨工作面推進距離增加的變化趨勢與進風(fēng)側(cè)相近，在采空區(qū)以里10 m與60 m位置測得的氧氣濃度分別為17.85%與9.78%.由此確定采空區(qū)自燃“三帶”:由支架切頂線到采空區(qū)25 m范圍為散熱帶;由采空區(qū)內(nèi)25～125 m為氧化升溫帶；采空區(qū)125 m范圍以外為窒息帶。

3 工作面安全推進速度確定

根據(jù)采空區(qū)氧化升溫帶范圍，工作面最小安全推進速度vmin計算方法如下：

(1)

式中，dmax為采空區(qū)氧化帶范圍，m；t為煤層平均自然發(fā)火期，d.

該礦3#煤層平均自然發(fā)火期為42 d，采空區(qū)氧化帶為105 m，帶入式(1)可得，工作面最小安全推進速度為2.5 m/d.

當(dāng)工作面推進速度大于2.5 m/d時，工作面采空區(qū)不會出現(xiàn)自燃發(fā)火風(fēng)險，為保障工作面安全，確定該礦3801工作面平均推進速度應(yīng)不小于3 m/d.

4 采空區(qū)自燃防治方法

4.1 注氮防治

由于該礦賦存多個煤層，主采3#煤層上覆煤層采空區(qū)一旦發(fā)現(xiàn)CO含量異常時，利用已有疏放水鉆孔作為注氮孔，向上覆煤層采空區(qū)注氮，將氧濃度控制在7%以下。3801工作面采空區(qū)發(fā)現(xiàn)CO含量異常時，將制氮設(shè)備放置于3801工作面輔運巷中，在進風(fēng)側(cè)向采空區(qū)鋪設(shè)第1條注氮管路，管路直徑145 mm，當(dāng)管口端部進入氧化升溫帶后開始向采空區(qū)內(nèi)注氮；當(dāng)工作面超過氧化升溫帶寬度后，鋪設(shè)第2條注氮管路并注氮，同時切斷第1條注氮管路(進入窒息帶)，以此類推進行循環(huán)作業(yè)。注氮時，需注意注氮管口端部應(yīng)高出巷道底板約250 mm，為避免管口遭受矸石砸損或者堵口，采取木垛保護措施，注氮端口打花眼，并用鐵絲網(wǎng)包裹。通過現(xiàn)場注氮效果檢測，氧濃度約為6.4%，取得了良好的效果。

4.2 堵漏防治

在3801工作面推進過程中，隨著上覆巖層的垮落，地表已經(jīng)出現(xiàn)明顯的裂隙，需及時跟蹤調(diào)查，對已出現(xiàn)的地表裂縫及時填堵并夯實，并定期觀測地表已填堵裂縫變化情況，如果再次出現(xiàn)裂隙，要及時補充充填夯實，防治裂隙形成與發(fā)展，減少采空區(qū)漏風(fēng)量；重點排查井下層間漏風(fēng)情況，發(fā)現(xiàn)氧氣含量異常地帶及時封堵，避免工作面間通過采空區(qū)形成串聯(lián)漏風(fēng)通道。主要封堵方法：用絲袋裝滿封堵材料，在工作面上下端頭部位砌筑絲袋密閉，隨著工作面的推進，絲袋密閉隨之轉(zhuǎn)移，對于采空區(qū)進、回兩側(cè)要嚴密封堵，其中絲袋密閉底部厚度應(yīng)不小于1.5 m，同時對巷道兩幫及頂板及時噴漿，最大限度地減少漏風(fēng)。受采動壓力影響，還應(yīng)重點檢查煤柱及密閉墻裂隙發(fā)展情況，對于明顯的裂隙區(qū)域應(yīng)采用高分子材料充填封堵，消除漏風(fēng)隱患。

5 結(jié) 論

1)通過現(xiàn)場測定分析，根據(jù)工作面推進氧氣含量的變化，確定采空區(qū)三帶：由支架切頂線到采空區(qū)25 m范圍為散熱帶；由采空區(qū)內(nèi)25～125 m為氧化升溫帶；向采空區(qū)125 m范圍以外為窒息帶。

2)對于上覆煤層采空區(qū)與回采工作面采空區(qū)，提出了注氮防治煤自燃措施，給出了現(xiàn)場注氮管路布設(shè)方法，通過現(xiàn)場注氮效果檢測，氧濃度約為6.4%，取得了良好的防治效果。

3)針對3801工作面開采現(xiàn)狀，通過重點排查井上下不同部位存在的漏風(fēng)情況，提出了重點區(qū)域堵漏防治煤自燃措施，消除了漏風(fēng)隱患，以實現(xiàn)工作面安全高效回采。