綜采工作面采空區(qū)“三帶”觀測(cè)及分析

姬 凡

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

引言

采空區(qū)漏風(fēng)是導(dǎo)致采空區(qū)遺煤自燃的主要原因。在正?；夭善陂g，為了確保綜采面采空區(qū)浮煤不發(fā)生自燃，杭來(lái)灣煤礦劃分煤自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶，同時(shí)根據(jù)確定的危險(xiǎn)區(qū)域針對(duì)性的采取采空區(qū)注氮、堵漏風(fēng)等防治措施。本文根據(jù)杭來(lái)灣礦30105工作面開(kāi)采過(guò)程中的開(kāi)采厚度以及采空區(qū)實(shí)際的遺煤情況，采用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的方法并確定實(shí)際條件下杭來(lái)灣礦30105綜采面“三帶”分布規(guī)律和自燃危險(xiǎn)區(qū)域，為該工作面采空區(qū)自燃火災(zāi)防治提供依據(jù)。

1 自燃“三帶”觀測(cè)方法

1.1 工作面概況

杭來(lái)灣煤礦30105工作面位于首采盤(pán)區(qū)（一盤(pán)區(qū)），在井田的東北部。工作面西北側(cè)為主回撤通道，東北側(cè)為30105工作面回風(fēng)順槽和30104工作面采空區(qū)，西南側(cè)為30105工作面膠運(yùn)順槽，東南側(cè)為30105工作面切眼。工作面長(zhǎng)度4313.3m，寬度299.1 m，煤層平均厚度9.2 m，設(shè)計(jì)采高5.0 m。煤層具有自然發(fā)火傾向，最短自然發(fā)火期為52 d[1-2]。

1.2 采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法

采空區(qū)的氣體觀測(cè)采用兩順槽預(yù)埋管路的方法，同時(shí)布置束管與溫度測(cè)點(diǎn)，氣體采用負(fù)壓抽氣泵取樣進(jìn)行色譜分析。設(shè)計(jì)采空區(qū)測(cè)定范圍為225 m，每間隔75 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)、回風(fēng)順槽各設(shè)置3個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別編號(hào)1~6號(hào)。根據(jù)工作面回采進(jìn)度，待測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后開(kāi)始進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)。后根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況采空區(qū)兩側(cè)各補(bǔ)加100 m管路，兩側(cè)總計(jì)325 m。具體分布如圖1所示。

2 監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

2.1 采空區(qū)浮煤分布狀況

杭來(lái)灣礦30105工作面設(shè)計(jì)采高5 m、回采率93%，工作面每日推進(jìn)速度平均在17.7 m/d。通過(guò)查看采空區(qū)表明，空區(qū)存在部分遺煤，局部厚度達(dá)到0.5 m。一是采空區(qū)遺煤厚度達(dá)到一定程度，二是浮煤氧化產(chǎn)生的熱量能夠很好地被儲(chǔ)存；三是氧氣濃度能夠保證氧化持續(xù)；四是漏風(fēng)強(qiáng)度不能過(guò)大，以免產(chǎn)生的熱量讓風(fēng)流帶走[3-4]。

2.2 采空區(qū)氧氣氣體濃度規(guī)律

煤體周邊氧氣濃度較高，導(dǎo)致遺煤產(chǎn)生緩慢氧化，并生成部分反應(yīng)熱，是導(dǎo)致熱量積聚的主要原因。30105工作面氧氣濃度檢測(cè)結(jié)果如圖2、圖3所示。

由圖2可知，1號(hào)測(cè)點(diǎn)埋深達(dá)到310 m左右時(shí)氧氣濃度可達(dá)19%，2號(hào)測(cè)點(diǎn)埋深達(dá)到200 m時(shí)氧濃度依然高于19%。表明該采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)存在漏風(fēng)問(wèn)題，通過(guò)分析表明漏風(fēng)原因包括兩個(gè)方面：采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)頂板垮落不及時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)致采空區(qū)的孔隙較大；采用混凝土及黃土的密閉不嚴(yán)[5-6]。

由圖3可知，三個(gè)測(cè)點(diǎn)中氧濃度最先降到15%的是4號(hào)測(cè)點(diǎn)，4號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)120 m時(shí)，氧氣濃度為15%。該工作面回風(fēng)氣體中氧濃度較高，但與進(jìn)風(fēng)側(cè)相比氧氣降低較快，空區(qū)回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量相對(duì)較小。

2.3 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

采用氧氣濃度測(cè)算法對(duì)松散媒體的漏風(fēng)強(qiáng)度進(jìn)行核算，該方式具有誤差小、計(jì)算精度高的特點(diǎn)，計(jì)算公式如（1）式所示。

根據(jù)30105工作面煤樣自燃性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)定的耗氧速度為1.150 76×10-10mol/（s·cm3），結(jié)合式（1）可推算出進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度與推進(jìn)距離的關(guān)系如圖5和6所示。

通過(guò)對(duì)圖4和5分析可知，該工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度與工作面推進(jìn)深度呈反比，在距工作面50 m之內(nèi)的漏風(fēng)強(qiáng)度較大，在50～100 m范圍之內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度顯著降低，并在150 m左右開(kāi)始趨于平緩，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度明顯普遍高于回風(fēng)側(cè)。根據(jù)漏風(fēng)強(qiáng)度的分析結(jié)果可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重，這應(yīng)當(dāng)是防滅火工作的重點(diǎn)區(qū)域[7-8]。

3 采空區(qū)煤自燃“三帶”分布

根據(jù)30105綜采工作面現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)遺煤分布不均勻，漏風(fēng)嚴(yán)重，考慮到實(shí)驗(yàn)誤差及安全性，采用普遍接受的的氧濃度為18%及5%作為杭來(lái)灣礦“三帶”的劃分界限。當(dāng)氧氣含量大于18%時(shí)，劃定為散熱帶；當(dāng)氧濃度介于5%～18%時(shí)，劃定為升溫帶；當(dāng)氧濃度于10%時(shí)，劃定為窒息帶[9-12]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氧濃度的監(jiān)測(cè)結(jié)果劃定采空區(qū)“三帶”如圖6所示。

由圖6可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶最深處距工作面350m，最淺處距工作面170 m，回風(fēng)側(cè)散熱帶最深處距工作面205 m，最淺處距工作面50 m，由此可知，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶寬度大于回風(fēng)側(cè)，這是因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)嚴(yán)重，遺煤氧化熱量散失量大于回風(fēng)側(cè)。受風(fēng)流的影響，進(jìn)風(fēng)側(cè)窒息帶最深處距工作面480 m處，最淺距工作面300 m，回風(fēng)側(cè)窒息帶最深處距工作面460 m，最淺處距工作面265 m，由此可知回風(fēng)側(cè)窒息帶寬度大于進(jìn)風(fēng)側(cè)[13-15]。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果，取中間值即2號(hào)測(cè)點(diǎn)及5號(hào)測(cè)點(diǎn)結(jié)果，確定杭來(lái)灣礦30105工作面采空區(qū)三帶現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果如表1所示。

表1 30105采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)自燃“三帶”范圍 m

4 30105采空區(qū)極限推進(jìn)速度

通過(guò)對(duì)采空區(qū)氧濃度變化曲線(xiàn)的分析，回風(fēng)側(cè)散熱帶至窒熄帶氧濃度均值=12.5%。實(shí)驗(yàn)氧氣濃度與實(shí)際氧氣濃度的相似比例系數(shù)計(jì)算公式如式2所示。

30105工作面遺煤的最短自然發(fā)火期τmin=52 d，則極限推進(jìn)速度

因此，當(dāng)工作面推進(jìn)速度大于4.12 m/d時(shí)，采空區(qū)遺煤的發(fā)火危險(xiǎn)性較??；當(dāng)工作面推進(jìn)速度小于4.12 m/d，采空區(qū)自燃發(fā)火風(fēng)險(xiǎn)較高，必須采取相應(yīng)防滅火技術(shù)措施。

5 結(jié)論

1）由于進(jìn)風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度較大的緣故，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)氧氣濃度降低幅度存在較大差異，具體表現(xiàn)為回風(fēng)側(cè)氧氣濃度的下降幅度較進(jìn)風(fēng)側(cè)下降幅度大。

2）以O(shè)2作為指標(biāo)氣體，通過(guò)束管檢測(cè)系統(tǒng)，有效對(duì)30105采空區(qū)遺煤自燃“三帶”進(jìn)行劃分。采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)：散熱帶與氧化升溫帶的臨界點(diǎn)為270 m，氧化升溫帶與窒息帶的臨界點(diǎn)為360 m；采空區(qū)回風(fēng)測(cè)：散熱帶與氧化升溫帶的臨界點(diǎn)為130 m，氧化升溫帶與窒息帶的臨界點(diǎn)為305 m。

3）計(jì)算得出30105工作面日推進(jìn)速度大于4.2 m的情況下，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的可能性較小。