Y型通風(fēng)抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”研究

張清清

(1.中煤科工集團 沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

采空區(qū)遺煤自燃在礦井火災(zāi)中占很大比例，是礦井內(nèi)因火災(zāi)的主要表現(xiàn)形式，嚴(yán)重威脅礦井的安全生產(chǎn)[1]。采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律是科學(xué)制定采空區(qū)防滅火措施的主要依據(jù)[2]。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對不同條件下的采空區(qū)自然發(fā)火及采空區(qū)自燃“三帶”的測定進行了大量研究。白銘波等[3]研究了U型通風(fēng)綜采工作面的采空區(qū)自燃“三帶”分布情況；付田田等[4]研究了易自燃特厚煤層綜放開采工作面U型通風(fēng)條件下，采空區(qū)自燃“三帶”分布情況；張清清[5]研究了偏W型通風(fēng)條件下，采空區(qū)自燃“三帶”分布情況；桂小紅等[6]對綜放工作面Y型通風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律進行了研究。對于采用沿空留巷工藝的高瓦斯厚煤層回采工作面來說，采空區(qū)插管抽采是治理回采工作面瓦斯超限的常用手段，但在抽采負(fù)壓的疊加作用下，采空區(qū)的漏風(fēng)將會更加嚴(yán)重[7]，這為采空區(qū)遺煤自燃提供了極為便利的條件。本文在前人研究的基礎(chǔ)上[8-10]，以神磊煤業(yè)150202回采工作面為研究背景，通過現(xiàn)場實測的方法，對回采工作面沿空留巷Y型通風(fēng)在采空區(qū)插管抽采條件下采空區(qū)的自燃“三帶”分布規(guī)律進行了實測，測定結(jié)果對回采工作面采空區(qū)防滅火措施的制定及瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

150202工作面可采走向長度1 200 m，工作面切眼長度150 m.根據(jù)礦井生產(chǎn)地質(zhì)報告和現(xiàn)場揭露情況來看，工作面地質(zhì)條件相對簡單，層位穩(wěn)定，起伏變化不大，圍巖穩(wěn)定性較好。工作面區(qū)域15號煤層厚度5.39～7.60 m，平均6.11 m，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，實測工作面區(qū)域殘余瓦斯含量5.58 m3/t，預(yù)測工作面最大絕對瓦斯涌出量為35.37 m3/min，相對瓦斯涌出量為7.64 m3/t，瓦斯來源主要是鄰近層及采空區(qū)。工作面區(qū)域煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃煤層。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，采用沿空留巷技術(shù)，工作面通風(fēng)方式為Y型通風(fēng)，運輸巷道和軌道巷進風(fēng)，回風(fēng)巷回風(fēng)。

1.2 工作面瓦斯抽采情況

150202工作面采空區(qū)選用插管方法進行瓦斯抽采，具體施工方法為：在工作面回風(fēng)巷靠采空區(qū)一側(cè)打設(shè)封堵墻，墻體厚度0.5 m，從回采推進56 m處開始，以后每5 m在封堵墻內(nèi)留設(shè)1根長度為0.8 m的D325 mm抽放管，回風(fēng)巷內(nèi)敷設(shè)D426 mm瓦斯抽采支管，利用長度為2.5 m的D325 mm可伸縮軟管將封堵墻上預(yù)留的抽放管與D426 mm抽放管留設(shè)的三通進行連接，并按規(guī)定要求加裝閥門，形成抽采系統(tǒng)，對采空區(qū)瓦斯進行抽采。當(dāng)工作面推過封堵墻上最前面的抽采管10 m后開始抽采，推過150 m后關(guān)閉閥門，停止對采空區(qū)的瓦斯抽采。

2 采空區(qū)自燃“三帶”觀測

2.1 采空區(qū)測點布置

為研究Y型通風(fēng)及瓦斯抽采共同作用下工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布情況，在150202工作面軌道巷布置1號、2號、3號測點，測點間距40 m.在回風(fēng)巷內(nèi)利用沿空留巷的便利條件，布置4號、5號、6號測點，測點間距40 m.隨著工作面的推進，各測點逐步埋入采空區(qū)，如圖1所示，其中，4號測點距離留巷巷幫10 m，5號測點距離留巷巷幫80 m，6號測點距離留巷巷幫110 m，每個測點均為一個束管氣體監(jiān)測點，束管用DN50無縫鋼管進行保護。為了防止采空區(qū)積水堵塞束管，每個采樣頭抬高1 m，將DN50無縫鋼管兩端分別焊接法蘭用以保護鋼管的快速連接，再將束管一起穿入鋼管內(nèi)，每個測點安裝1個采樣器。采樣器的做法如圖2所示，上部焊鐵板封堵，防止水和煤渣掉入采樣器，采樣器側(cè)壁打設(shè)進氣孔，方便采集采空區(qū)氣體，在采樣器下部用密閉材料密封，防止采空區(qū)有毒有害氣體通過保護鋼管涌出，同時為避免各測點被頂板垮落的矸石壓壞，保護鋼管放實，在安設(shè)測點時專門搭設(shè)保護木垛。

圖1 工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點布置示意(m)

圖2 采樣器制作示意

2.2 觀測結(jié)果分析

測點布置完畢后隨工作面推采，各測點逐步進入采空區(qū)，并從測點埋入采空區(qū)開始用采氣泵進行采氣觀測，采氣周期為1天1次，氣體采集以后帶到地面，利用氣相色譜儀分析氣體組分。

2.2.1 O2濃度測定結(jié)果及分析

采空區(qū)O2濃度是分析采空區(qū)自燃 “三帶”分布最常用的指標(biāo)，O2濃度與遺煤的氧化能力、采空區(qū)的煤巖垮落密實度、采空區(qū)漏風(fēng)等密切相關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，繪制出工作面進風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)O2濃度隨工作面距離變化關(guān)系，如圖3所示。

圖3 采空區(qū)O2濃度隨推進距離的變化規(guī)律

從圖3(a)可以看出，隨著工作面向前推進，軌道巷側(cè)采空區(qū)3個測點O2濃度變化規(guī)律基本一致，均呈不斷下降的趨勢，在工作面推進50 m時，采空區(qū)O2濃度降至18%以下；當(dāng)推進至150 m時，O2濃度降至8%以下，隨著工作面的繼續(xù)推進，O2濃度進一步降低，最終穩(wěn)定在4%左右。

從圖3(b)可以看出，位于回風(fēng)側(cè)的4號測點開始階段O2濃度下降非常緩慢，這是因為4號測點距離留巷巷幫僅10 m，且150202工作面回采期間，采空區(qū)沿空留巷一側(cè)采用了插管抽采的方法對采空區(qū)瓦斯進行抽采，在抽采負(fù)壓的作用下，加大了留巷巷幫的漏風(fēng)量，致使4號測點O2濃度下降緩慢，工作面推進150 m以后，停止了對采空區(qū)的瓦斯抽采，4號測點O2濃度開始快速下降，最后穩(wěn)定在5%左右。5號、6號點均位于采空區(qū)中部，變化規(guī)律基本一致，均呈不斷下降趨勢。在工作面推進70 m時，采空區(qū)中部O2濃度下降至18%.當(dāng)工作推進至160 m時，采空區(qū)中部O2濃度下降至8%，隨后O2濃度持續(xù)下降，最終穩(wěn)定在5%.

2.2.2 CO濃度測定結(jié)果及分析

CO 濃度變化可以作為初期采空區(qū)遺煤氧化程度的標(biāo)志，CO濃度越高，表明遺煤氧化程度越劇烈。軌道巷側(cè)與回風(fēng)巷側(cè)CO濃度隨工作面距離變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 采空區(qū)CO濃度隨推進距離的變化規(guī)律

由圖4(a)可以看出，軌道巷側(cè)采空區(qū)各測點CO濃度總體呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢。從CO濃度隨推進距離的變化規(guī)律可以看出，各測點埋入深度較淺時，CO濃度變化不大；當(dāng)各測點埋入采空區(qū)深度超過50 m以后，CO濃度開始大幅度上升；隨著工作面的繼續(xù)推進，CO濃度不斷波動上升，當(dāng)各測點進入采空區(qū)160 m以后，CO濃度開始快速下降。

由圖4(b)可以看出回風(fēng)巷側(cè)CO濃度隨推進距離的變化規(guī)律，4號測點CO濃度埋入深度在150 m以前相對較小，這是因為4號測點距離留巷巷幫較近，在留巷巷幫一側(cè)設(shè)置了抽放管，在抽采負(fù)壓的作用下，4號測點處于散熱帶，所在區(qū)域幾乎不產(chǎn)生CO.此外，在抽采負(fù)壓的作用下，采空區(qū)中部氧化產(chǎn)生的CO大部分被抽走，致使此處CO濃度較低。4號測點埋入150～210 m期間，CO濃度相對較大，這是因為工作面推過150 m以后，停止了對采空區(qū)的瓦斯抽采，4號測點采空區(qū)區(qū)域O2濃度快速下降，該區(qū)域重新進入氧化帶，采空區(qū)遺煤自燃產(chǎn)生CO；測點埋入210 m以后，O2濃度降至8%以下，采空區(qū)遺煤自燃速度下降，CO濃度因此再次降低，最終穩(wěn)定在2×10-6左右。5號、6號測點位于采空區(qū)中部，工作面埋入深度小于70 m時，CO濃度變化不大；當(dāng)測點埋入深度大于70 m時，CO開始大幅增高；當(dāng)工作面推過160 m時，開始大幅下降至8%以下。

2.2.3 O2和CO濃度測定結(jié)果對比分析

通過將CO濃度與O2濃度的變化對比分析可知，CO濃度的變化與采空區(qū)O2濃度的變化密切相關(guān)。當(dāng)采空區(qū)O2濃度在8%～18%之間時，CO濃度較高，這是因為O2濃度在此區(qū)間時，遺煤氧化速度較快，產(chǎn)生的CO的量相對較多；當(dāng)采空區(qū)O2濃度小于8%或大于18%時，CO濃度相對較低，這是因為采空區(qū)遺煤不具備氧化條件，產(chǎn)生的CO的量較少。因此，分析CO濃度也能夠在一定程度上提高采空區(qū)自燃“三帶”劃分的準(zhǔn)確性。

3 采空區(qū)自燃“三帶”的確定

根據(jù)自然發(fā)火期的特點以及參考國內(nèi)外的采空區(qū)自燃“三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)，神磊煤業(yè)采用O2濃度作為采空區(qū)自燃“三帶”主要劃分依據(jù)，O2濃度大于18%為“散熱帶”，O2濃度8%～18%為“氧化帶”，O2濃度小于8%為“窒息帶”[11-13]。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”所測數(shù)據(jù)，分析得出采空區(qū)進回風(fēng)側(cè)及采空區(qū)中部2個測點的自燃“三帶”范圍，如表1所示。

表1 150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍

依據(jù)150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍，以氧濃度8%和18%為等值線，得出150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，如圖5所示。

圖5 150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍圖(m)

由圖5可以看出，由于在回風(fēng)巷巷幫預(yù)埋了瓦斯抽采管，對采空區(qū)進行瓦斯抽采，導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)增加，在采空區(qū)停止抽采前，回風(fēng)巷留巷巷幫側(cè)采空區(qū)無法進入窒息帶，因此造成在工作面三帶劃分中產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象，影響采空區(qū)自燃“三帶”的穩(wěn)定性。因此在工作面回采過程中，在保證工作面瓦斯安全的前提下，應(yīng)降低采空區(qū)插管抽采范圍，從而保證工作面采空區(qū)自燃“三帶”的穩(wěn)定性。

4 結(jié) 語

1) 通過對CO及O2濃度的研究分析，得到了神磊煤業(yè)150202工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍。

2) 工作面采用Y型通風(fēng)，且在留巷巷幫采用插管抽采的瓦斯治理方法，加大了回風(fēng)巷側(cè)散熱帶的寬度，在工作面三帶劃分中產(chǎn)生“拖尾”現(xiàn)象。

3) 在保證回采工作面瓦斯安全的前提下，應(yīng)降低回采工作面采空區(qū)插管抽采范圍，從而保證工作面采空區(qū)自燃“三帶”的穩(wěn)定性。