薄煤層采空區(qū)自燃三帶劃分及危險(xiǎn)性分析

丁 勝，張光明，王 瑞

(滕州市東大礦業(yè)有限責(zé)任公司，山東 棗莊 277514)

0 引言

薄煤層綜采工作面采空區(qū)煤自燃在礦井進(jìn)行生產(chǎn)時(shí)具有很大的危險(xiǎn)性，通過監(jiān)測煤自燃時(shí)產(chǎn)生的標(biāo)志性氣體，掌握煤層自燃“三帶”(散熱帶、自燃帶、窒息帶)的分布情況，對(duì)于準(zhǔn)確、有效地實(shí)施“三帶”的分布規(guī)律，對(duì)于安全生產(chǎn)具有重要意義。雷焱云通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬研究氧化帶與風(fēng)量變化的規(guī)律關(guān)系[1]。劉玉龍等[3 -5]通過束管監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警有效指導(dǎo)煤礦的安全生產(chǎn)工作。周建等[6 -7]通過研究工作面推進(jìn)速度和自然發(fā)火之間的關(guān)系，利用最小安全推進(jìn)速度有效指導(dǎo)現(xiàn)場進(jìn)行安全生產(chǎn)。陳曉坤等[8 -10]對(duì)自燃“三帶”進(jìn)行劃分并對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性進(jìn)行預(yù)測。

利用束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測工作面采空區(qū)內(nèi)氣體變化情況，結(jié)合采空區(qū)內(nèi)的遺煤狀況和煤的氧化升溫實(shí)驗(yàn)，基于煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)及標(biāo)志性氣體濃度變化情況，研究得出東大煤礦12118工作面的采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律。采用印度學(xué)者貝納基提出的預(yù)測方法進(jìn)行危險(xiǎn)性分析，研究分析12118綜采工作面的自然發(fā)火危險(xiǎn)度。以煤的自然發(fā)火期和最小安全推進(jìn)速度作為12118綜采工作面不同推進(jìn)速度下的自然發(fā)火防治指標(biāo)，為薄煤層綜采工作面自燃火災(zāi)的防治提供依據(jù)。

1 工作面概況及觀測方法

12118綜采工作面煤層賦存主要為12下煤，純煤厚度1.45 m，屬于薄煤層綜采工作面，黑褐色條痕油脂光澤，暗煤為主，夾有亮煤，有硫化鐵結(jié)晶體，夾矸厚0.02～0.32 m，平均0.3 m，巖性為泥巖、碳質(zhì)泥巖。頂板為砂泥巖互層，灰色藻層狀細(xì)砂巖與灰黑色泥巖交互韻律明顯夾炭化植物化石。抗壓強(qiáng)度為34.3～58.8，普氏硬度系數(shù)為3～6，中等穩(wěn)定性，使用全部垮落法處理采空區(qū)。

12118綜采工作面通過防治溫度傳感器和鋪設(shè)束管的方式對(duì)采空區(qū)內(nèi)的溫度和氣體監(jiān)測。在軌道巷和皮帶巷分別布置3路監(jiān)測管路，2個(gè)溫度傳感器分別設(shè)置在管道端點(diǎn)，通過單側(cè)3個(gè)測點(diǎn)來保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都安設(shè)束管裝置，并使用鋼管和三通對(duì)束管和測點(diǎn)加以保護(hù)，防治束管被堵塞和損壞。管路布置如圖1所示。

圖1 東大煤礦12118綜采工作面采空區(qū)三帶觀測管路布置Fig.1 Observation beam tube layout of the three zones of goaf in 12118 fully mechanized mining face of Dongda Coal Mine

隨著工作面的推進(jìn)，溫度傳感器和束管埋入采空區(qū)，通過現(xiàn)場觀測來掌握采空區(qū)內(nèi)的氣體濃度、溫度、束管埋入深度的變化情況，來監(jiān)測采空區(qū)“三帶”變化。在工作面以正常速度推進(jìn)時(shí)，每天同一時(shí)間對(duì)各測點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中主要包括采空區(qū)溫度和采空區(qū)內(nèi)氣樣，并準(zhǔn)確記錄各測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)的深度，回到地面對(duì)所采集氣樣進(jìn)行氣相色譜分析。根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)來分析各指標(biāo)氣體的變化規(guī)律。

2 現(xiàn)場觀測結(jié)果及分析

2.1 采空區(qū)氧氣濃度變化

利用采空區(qū)內(nèi)鋪設(shè)的束管所采集的氣體分析數(shù)據(jù)結(jié)合工作面的推進(jìn)速度來研究軌道巷(進(jìn)風(fēng)巷)和皮帶巷(回風(fēng)巷)的氧氣濃度變化規(guī)律如圖2所示。圖2表明進(jìn)入采空區(qū)后，各測點(diǎn)氧氣濃度隨著測點(diǎn)深度的不斷增加呈現(xiàn)出波動(dòng)下降的趨勢。在軌道巷內(nèi)束管埋入35.9 m皮帶巷內(nèi)束管埋入28.5 m之前，采空區(qū)內(nèi)各測點(diǎn)的氧氣濃度均在18%以上，不利于煤的自燃。之后氧氣濃度快速下降，同時(shí)軌道巷與皮帶巷相比氧氣濃度下降較慢，因此軌道巷氧化帶長度略大于皮帶巷。

圖2 氧氣濃度變化趨勢Fig.2 Variation trend of oxygen concentration

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”分布

根據(jù)氧氣濃度的變化情況，當(dāng)進(jìn)風(fēng)側(cè)掘進(jìn)深度達(dá)到35.9 m時(shí)，氧氣的濃度開始降低到18%以下，在76.5 m時(shí)，氧氣濃度降至10%以下，進(jìn)入窒息帶。而回風(fēng)側(cè)氧氣濃度下降較快，當(dāng)掘進(jìn)深度為28.5 m時(shí)，氧氣濃度已經(jīng)降至18%以下，進(jìn)入氧化帶范圍，掘進(jìn)深度在70.2 m時(shí)，進(jìn)入窒息帶范圍。氧化帶在回風(fēng)側(cè)的范圍較大，約為41.7 m左右，因此在進(jìn)風(fēng)側(cè)產(chǎn)生煤自然發(fā)火的可能性較大，是容易發(fā)生自然發(fā)火的區(qū)域。由于遺煤較少、熱值較低、推進(jìn)速度較快，整個(gè)氧化帶的范圍較大。自燃“三帶”分布如圖3所示。

3 氧化升溫實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析

為了研究12118工作面采空區(qū)煤自燃過程，對(duì)12118工作面的煤樣進(jìn)行氧化升溫試驗(yàn)，得到煤樣自然發(fā)火的氣體產(chǎn)生規(guī)律。

煤樣氧化升溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：12118綜采工作面煤樣瓦斯吸附量較低，隨著煤溫的升高，其吸附氣體的釋放量的變化不明顯。在煤溫達(dá)到120 ℃之前，C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C2H2均檢測不到，CH4釋放量也較小，持續(xù)在0.017‰以下，在煤溫達(dá)到220 ℃后，上升幅度開始明顯增加。

根據(jù)對(duì)12118工作面煤樣氧化升溫實(shí)驗(yàn)所得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到煤自燃標(biāo)志。

CO標(biāo)志氣體特點(diǎn)：①在200 ℃之前，CO產(chǎn)生量隨煤溫的變化關(guān)系符合指數(shù)函數(shù)的上升規(guī)律；②CO產(chǎn)生的絕對(duì)量是所有煤氧化氣體產(chǎn)物中最大的；③當(dāng)煤溫達(dá)到40 ℃時(shí)，煤開始氧化產(chǎn)生CO，并且整個(gè)氧化過程均存在CO的變化。

煤自然發(fā)火的C2H4(乙烯)標(biāo)志氣體特點(diǎn)：①C2H4的產(chǎn)生速率與煤溫呈現(xiàn)出單一的遞增關(guān)系；②由于礦井大氣和煤體吸附的瓦斯氣體中都不含有C2H4，因此C2H4是煤發(fā)生氧化產(chǎn)生的；③C2H4產(chǎn)生的臨界溫度為140 ℃左右；④C2H4的出現(xiàn)標(biāo)志著煤已經(jīng)開始氧化階段，同時(shí)也標(biāo)志著煤自燃已經(jīng)進(jìn)入了加速階段。

4 采空區(qū)自然發(fā)火評(píng)價(jià)

4.1 自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)

根據(jù)12118工作面的現(xiàn)場測試，采用印度學(xué)者貝納基提出的預(yù)測方法，建立綜采工作面煤炭自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)估模型，從而對(duì)12118工作面采空區(qū)內(nèi)煤自燃的危險(xiǎn)性進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)。

以煤自燃機(jī)理為基礎(chǔ)，確定出構(gòu)成自然發(fā)火危險(xiǎn)程度的分指標(biāo)：煤的自燃傾向性Y1、持續(xù)的漏風(fēng)供氧條件Y2、聚熱散熱條件Y3。每一分指標(biāo)又分16項(xiàng)一級(jí)的分指標(biāo)構(gòu)成[11]。

煤的自燃傾向性Y1：①煤的吸氧量Xl(mL/g)；②還原煤樣與氧化煤樣的著火溫度差X2(℃)。

漏風(fēng)供氧條件Y2：①采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流氧濃度X3(%)；②采空區(qū)漏風(fēng)持續(xù)時(shí)間X4(d)；③煤的破碎性X5；④采空區(qū)兩側(cè)風(fēng)壓差X6(Pa)；⑤采空區(qū)封閉質(zhì)量X7；⑥頂板及采空區(qū)處理X8；⑦采區(qū)巷道布置方式X9；⑧采煤方法X10；⑨通風(fēng)方式X11；⑩煤層傾角X12。

聚熱散熱條件Y3：①采空區(qū)風(fēng)速X13；②自燃帶長度與推進(jìn)速度比X14(d)；③采空區(qū)遺煤狀況X15；④區(qū)域圍巖溫度X16(℃)。

經(jīng)過對(duì)東大煤樣進(jìn)行測試，東大煤礦煤層最短發(fā)火期為88 d，自燃傾向性較小。煤的吸氧量為0.48 mL/g。煤的破碎性屬于Ⅱ類中等硬度；工作面的煤層回采率為97%；正?；夭善陂g的最小推進(jìn)速度約為3.6 m/d；12118工作面煤層傾角平均為5°；采空區(qū)漏氧濃度在10%～18%之間，有利于煤的氧化自燃；采空區(qū)風(fēng)速大約在0.20 m/min；采空區(qū)兩端風(fēng)壓差，靜壓約為90 Pa；圍巖溫度約為17 ℃。12118綜采工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性各單因素評(píng)判結(jié)果見表1。

表1 東大煤礦12118綜采工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性單因素評(píng)判

根據(jù)評(píng)價(jià)的模型進(jìn)分層次對(duì)12118綜采工作面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

y1=ω11×γ1+ω12×γ2=0.6×0.5+0.4×0.3=0.4

y2=ω23×γ3+ω24×γ4+ω25×γ5+ω26×γ6+ω27×γ7+ω28×γ8+ω29×γ9+ω210×γ10+ω211×γ11+ω212×γ12=0.135×0+0.161×0.15+0.057×0.3+0.140×0.25+0.093×0.2+0.058×0+0.055×0.15+0.171×0.2+0.049×0.25+0.081×0.2=0.1657 5

y3=ω313×γ13+ω314×γ14+ω315×γ15+ω316×γ168=0.278×0.2+0.396×0.1+0.163×0.1+0.163×0.1=0.127 8

U=y1×ω1+y2×ω2+y3×ω3=0.4×0.333+0.165 75×0.333+0.127 8×0.333=0.230 952 15

根據(jù)國內(nèi)學(xué)者對(duì)中國53個(gè)煤礦煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)性的研究，采取模糊聚類分析，可將煤礦自然發(fā)火危險(xiǎn)性分為4類：Ⅰ類很危險(xiǎn)，其危險(xiǎn)性隸屬度大于0.53；Ⅱ類危險(xiǎn)，其危險(xiǎn)隸屬度為0.53～0.3；Ⅲ類可能自燃，其危險(xiǎn)隸屬度為0.3～0.15；Ⅳ類不自燃，其危險(xiǎn)隸屬度小于0.15。

通過對(duì)12118綜采工作面自然發(fā)火的危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)[12 -14]，12118工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)隸屬度為23.09%，屬Ⅲ類。相較于Ⅰ類(很危險(xiǎn))和Ⅱ類(危險(xiǎn))，12118工作面采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)較小，但當(dāng)供氧氧化條件和聚熱散熱條件同時(shí)具備時(shí)，仍然有可能發(fā)生自燃。因此，12118工作面需要制定相應(yīng)的措施，來對(duì)自然發(fā)火的現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)測預(yù)警，從而降低采空區(qū)自然發(fā)火的隱患。

4.2 最小安全推進(jìn)速度

合理提高工作面推進(jìn)速度，保證工作面的正常推采，能夠有效地降低采空區(qū)自然發(fā)火的危險(xiǎn)。12118工作面的最小安全推進(jìn)速度由公式(1)計(jì)算得出[15]

(1)

式中，V為工作面為安全最小推進(jìn)速度，m/d；K為安全系數(shù)，根據(jù)工作面遺煤量、地質(zhì)特點(diǎn)等因素綜合判定；L氧為采空區(qū)自燃“三帶”中氧化帶長度，m；Tmin為煤層煤樣的最短自然發(fā)火期，d。

進(jìn)風(fēng)側(cè)3個(gè)測點(diǎn)所得氧化帶寬度分別為41.1 m、39.8 m、40.9 m，回風(fēng)側(cè)3個(gè)測點(diǎn)所得氧化帶寬度分別為43.9 m、38.9 m、42.5 m，為保證安全生產(chǎn)，應(yīng)取最大值43.9 m；由于12118工作面地質(zhì)條件較為簡單，斷層不甚發(fā)育，遺煤量小，并且煤的熱值較低，自然發(fā)火隱患較小，故選取安全系數(shù)K=2.3，煤的最短自然發(fā)火期為88 d。通過(1)式計(jì)算得到12118綜采工作面的最小安全推進(jìn)速度為1.15 m/d。因此，當(dāng)工作面的推進(jìn)速度小于1.15 m/d時(shí)，氧化帶內(nèi)就有發(fā)生煤自燃的危險(xiǎn)；當(dāng)工作面的推進(jìn)速度大于1.15 m/d時(shí)，采空區(qū)氧化帶內(nèi)自然發(fā)火的可能性較小。

5 結(jié)論

(1)通過數(shù)據(jù)分析，得到了東大煤礦12118工作面自燃“三帶”分布規(guī)律。即對(duì)于東大煤礦12下煤層，當(dāng)綜采工作面面長在75 m左右，采高為1.8 m時(shí)，工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律如下：在進(jìn)風(fēng)側(cè)，散熱帶：0～35.9 m，氧化帶：35.9～76.5 m，窒息帶：76.5 m～∞；在回風(fēng)側(cè)，散熱帶：0～28.5 m，氧化帶：28.5～70.2 m，窒息帶：70.2 m～∞。

(2)東大煤礦12118綜采工作面的煤層最短自然發(fā)火期為88 d，在保證采空區(qū)不發(fā)生自然發(fā)火的情況下，工作面的最小安全推進(jìn)速度為1.15 m/d。通過12118綜采工作面自然發(fā)火危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)，表明了該工作面的自然發(fā)火的可能性較小，但需要采取一定的預(yù)報(bào)和防治措施，避免煤自燃的發(fā)生。

(3)在整個(gè)自燃“三帶”束管監(jiān)測實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，12118綜采工作面的回采期間最小推進(jìn)速度約為3.6 m/d，即在正?；夭傻那闆r下，最小推進(jìn)速度遠(yuǎn)大于最小安全推進(jìn)速度。在特殊情況下，工作面的推進(jìn)速度受阻導(dǎo)致推進(jìn)速度小于最小安全推進(jìn)速度時(shí)，應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的火災(zāi)監(jiān)測，并采取相應(yīng)的防滅火措施。