新景礦綜采工作面自燃“三帶”范圍分布規(guī)律研究

陳守鈺

（華陽新材料科技集團(tuán)有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

煤的自燃傾向性分為容易自燃、自燃、不易自燃3 類，山西新景礦有限責(zé)任公司15 號(hào)煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，為了保障15 號(hào)煤層15317 綜放工作面高效生產(chǎn)，確保安全推進(jìn)速度，需要對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行測(cè)定。

山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司井田面積64.747 km2，均為優(yōu)質(zhì)無煙煤，生產(chǎn)能力為450 萬t/a，是煤與瓦斯突出礦井，開采的煤層是3、8、9、15 號(hào)煤，其中15 號(hào)煤層被測(cè)定為II 類自燃煤層，其他煤層為不易自燃煤層。15 號(hào)煤層15317 綜放工作面屬于Ⅱ類自燃煤層，位于蘆南采區(qū)南翼中部，工作面標(biāo)高367—467 m，地面標(biāo)高910—1 049 m，埋藏深度為478—610 m。工作面走向長969 m，傾斜長215 m，面積208 335 m2。工作面所采煤層為15 號(hào)煤，煤層結(jié)構(gòu)為0.32（0.30） 2.95（0.60）2.45，煤層總厚6.44～8.00 m，平均厚度6.62 m，工作面煤層傾角3°～14°，平均傾角8°。該綜放工作面東為15316 工作面（未掘），南為15323工作面（未掘）。西、北面分別是15318 工作面（正掘）、蘆南采區(qū)大巷（已掘）；該綜放工作面上方3 號(hào)煤層71115 工作面、71117 工作面，8 號(hào)煤層2108 工作面、2109 工作面、2111 工作面，9 號(hào)煤層9108 工作面均已開采，其余煤層均未開采。該綜放工作面采用U 型通風(fēng)系統(tǒng)，1 條進(jìn)風(fēng)巷、1條回風(fēng)巷進(jìn)行通風(fēng)。

因此，合理劃分和確定15317 綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”是綜放工作面采空區(qū)防火的重要依據(jù)。

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”可劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶。散熱帶緊靠工作面，隨著綜放工作面的推進(jìn)，巖塊堆積孔隙多而松散，漏風(fēng)率較大，導(dǎo)致熱量不易存儲(chǔ)，因此不易自燃；氧化帶巖塊堆積壓實(shí)，漏風(fēng)率較小，導(dǎo)致熱量易存儲(chǔ)，再加上生產(chǎn)推進(jìn)遺留的煤，因此容易自燃；窒息帶巖塊堆積更加緊密，漏風(fēng)逐漸消失，氧氣濃度直線下降，由于氧氣濃度的缺失，即使遺煤發(fā)生自燃，進(jìn)入窒息帶也因氧氣濃度含量不足而熄滅，因此窒息帶不易自燃。如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)自燃“三帶”示意Fig.1 Schematic diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf

2.1 采空區(qū)自燃“三帶”劃分依據(jù)

采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法經(jīng)常使用2 種方法。

（1） 參照煤自然發(fā)火臨界氧濃度指標(biāo)來劃分，一般將氧氣濃度＞15%～18%劃分為散熱帶，將5%～8%≤氧氣濃度≤15%～18%劃分為氧化帶，將氧氣濃度＜5%～8%劃分為窒息帶。

（2） 參照采空區(qū)內(nèi)的漏風(fēng)風(fēng)速來劃分，漏風(fēng)的風(fēng)速＞0.24 m/min 時(shí)為散熱帶，漏風(fēng)的風(fēng)速在0.1～0.24 m/min 區(qū)段時(shí)為氧化帶，漏風(fēng)的風(fēng)速＜0.1 m/min 時(shí)為窒息帶。

此次根據(jù)15317 綜放工作面采空區(qū)實(shí)際情況，選取煤自然發(fā)火臨界氧氣濃度指標(biāo)來劃分采空區(qū)自燃“三帶”，便于觀察和操作。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

15317 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”的測(cè)定與劃分采用束管監(jiān)測(cè)監(jiān)控技術(shù)。在工作面進(jìn)行鋪設(shè)束管，并延伸到采空區(qū)內(nèi)，然后在束管末端加設(shè)粉塵過濾器，最后依托KJ428 型礦用分布式激光火情監(jiān)測(cè)系統(tǒng)抽取采空區(qū)內(nèi)的氣體，對(duì)氣體成份進(jìn)行分析，依據(jù)氣體成份分析的氧氣濃度結(jié)果，判斷采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律。

此次測(cè)定主要使用的觀測(cè)儀器儀表包括集束束管（6 路）、保護(hù)管路（2 寸鋼管300 m）、連通套管（6 個(gè)3 寸鋼管或者1 寸半鋼管，需300 mm）、三通探頭6 個(gè)（高500 mm，鋼管周圍打滿篩眼）、快速接頭30 個(gè)、彎頭2 個(gè)（2 寸） 等。

2.2.1 束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

15317 綜放工作面可采走向長度969 m，傾斜長215 m。進(jìn)、回巷沿工作面走向煤壁各布置3 個(gè)束管測(cè)點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為1、2、3 號(hào)，回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)編號(hào)為4、5、6 號(hào)，如圖2 所示。

圖2 工作面采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.2 Layout of measuring points in goaf of working face

沿15317 綜放工作面回風(fēng)順槽外幫預(yù)埋2 寸鋼管150 m，每隔30 m 布置1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)內(nèi)安設(shè)束管采樣器，綜放工作隨著生產(chǎn)逐日推進(jìn)，1～6 號(hào)測(cè)點(diǎn)隨著工作面推進(jìn)，束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)循環(huán)進(jìn)入“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，觀測(cè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度，判斷采空區(qū)“三帶”分布規(guī)律。

束管外套2 寸無縫鋼管，鋼管連接處采用螺紋接口，進(jìn)行鋼管連接保護(hù)鋼管內(nèi)的束管。從上隅角外5 m 到束管采樣器鋪設(shè)的束管都要加套管保護(hù)，束管末端加設(shè)粉塵過濾器，采樣器埋入采空區(qū)時(shí)，距離底板大約400 mm 并緊靠巷幫，測(cè)點(diǎn)采樣器結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 測(cè)點(diǎn)采樣器結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of measuring point sampler

2.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)過程中，依據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

2.3.1 進(jìn)風(fēng)巷采空區(qū)氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

15317 綜放工作面進(jìn)風(fēng)巷1～3 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)變化曲線如圖4～圖6 所示。

圖4 進(jìn)風(fēng)巷1 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.4 Change curve of oxygen concentration at No.1 measuring point of air inlet roadway with depth of entering goaf

圖5 進(jìn)風(fēng)巷2 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.5 Change curve of oxygen concentration at No.2 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

圖6 進(jìn)風(fēng)巷3 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.6 Change curve of oxygen concentration at No.3 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

（1） 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)44.82 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)118.52 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

（2） 2 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)47.02 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下：隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)123.22 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

（3） 3 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)50.02 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)121.92 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

2.3.2 回風(fēng)巷采空區(qū)氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

15317 綜放工作面回風(fēng)巷4～6 號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)變化曲線如圖7～圖9 所示。

圖7 回風(fēng)巷4 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.7 Change curve of oxygen concentration at No.4 measuring point of return airway with depth into goaf

圖8 回風(fēng)巷5 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.8 Change curve of oxygen concentration at No.5 measuring point of return airway with depth into goaf

圖9 回風(fēng)巷6 號(hào)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.9 Change curve of oxygen concentration at No.6 measuring point of return airway with depth into goaf

（1） 4 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)32.69 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)94.19 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

（2） 5 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)33.39 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下：隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)99.09 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

（3） 6 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)31.19 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進(jìn)入采空區(qū)93.89 m 左右時(shí)，氧氣濃度降至5%以下。

2.3.3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)上述分析數(shù)據(jù)，取各組測(cè)點(diǎn)平均值，并按照氧氣濃度5%～18%作為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分的依據(jù)，對(duì)15317 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，詳見表1、圖10。

表1 15317 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍Table 1 Distribution range of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

圖10 15317 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”示意圖Fig.10 Diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

采用進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶右邊界121.2 m 和回風(fēng)側(cè)氧化帶左邊界32.4 m 差值作為15317 綜放工作面采空區(qū)氧化帶寬度，即88.8 m。

3 綜放工作面安全推進(jìn)速度

依據(jù)華北科技學(xué)院出具的《山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司15 號(hào)煤層煤樣最短自然發(fā)火期》測(cè)定報(bào)告，最短自然發(fā)火期為78 d。依據(jù)山西新景礦煤業(yè)有限責(zé)任公司15 號(hào)煤層最短自然發(fā)火期為78 d和15317 綜放工作面采空區(qū)氧化帶寬度為88.8 m，可計(jì)算出15317 綜放工作面的最小安全推進(jìn)速度：

帶入數(shù)據(jù)計(jì)算得，15317 綜放工作面的最小安全推進(jìn)速度為1.1 m/d。當(dāng)工作面平均推進(jìn)速度大于1.1 m/d 時(shí)，采空區(qū)沒有自然發(fā)火的危險(xiǎn)；當(dāng)工作面連續(xù)超78 d 平均推進(jìn)速度小于1.1 m/d 時(shí)，采空區(qū)將有自然發(fā)火危險(xiǎn)。

4 結(jié)語

本文對(duì)山西新景礦15317 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了測(cè)定，得出15317 綜放工作面采空區(qū)氧化帶寬度為88.8 m，據(jù)此計(jì)算出最小安全推進(jìn)速度為1.1 m/d，為工作面安全開采提供了數(shù)據(jù)支持，保障了工作面安全高效開采。