李雅莊煤礦工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”分布特性研究

于 江，徐文俊，張連超

（1.霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

我國自燃或存在自燃危險的礦井已占到60%以上。當井下發(fā)生自燃時，產(chǎn)生高溫及有毒有害氣體，引起瓦斯爆炸及人員中毒等災害，嚴重威脅著工人的生命安全[1-2]；由于自燃火災封閉或燒毀了井下設備、凍結了大量寶貴的煤炭資源，每年給國家?guī)頂?shù)十億元的經(jīng)濟損失[3-4]，破壞礦井開采部署，縮短礦井服務年限，造成環(huán)境及大氣污染等問題[5-6]。因此，近年來國家和企業(yè)對安全生產(chǎn)日益重視，加大了安全投入的強度[7]。根據(jù)國家礦山安全監(jiān)察局《煤礦防滅火細則》（礦安[2021] 156 號）的規(guī)定，開采易自燃和自燃煤層時，同一煤層應當至少測定1 次采煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”分布范圍。為了杜絕礦井火災事故的發(fā)生，完善防滅火管理，需根據(jù)霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦（簡稱“李雅莊煤礦”）的煤層賦存狀況開展采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”分布規(guī)律研究，這對于保證礦井安全生產(chǎn)、避免資源損失及礦井的可持續(xù)發(fā)展具有重大意義。

1 工程背景

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地的北緣，井田南距霍州市10 km，行政區(qū)劃隸屬霍州市師莊鄉(xiāng)管轄，系霍州礦區(qū)北端的一個井田，西與什林煤礦和王莊煤礦相鄰。根據(jù)阜新工大安全檢測檢驗有限責任公司出具的《煤自燃傾向性檢測報告》可知，2#煤層自燃傾向性等級為II 類，屬自燃煤層，最短自燃發(fā)火期為45天，煤層自燃火災為制約礦井發(fā)展的重大隱患之一。2-801 采煤工作面煤層厚度平均為3.2 m，煤層傾角2~6°，采用一次采全高開采工藝。

2 自燃“三帶”概述

自然發(fā)火是有自燃傾向性的煤層被開采破碎后在常溫下與空氣接觸發(fā)生氧化，產(chǎn)生熱量使其溫度升高，出現(xiàn)發(fā)火和冒煙的現(xiàn)象。煤炭的氧化自燃，必須同時具備三個條件：煤層具有自燃傾向性且呈破碎狀態(tài)堆積，堆積厚度一般要大于0.4 m；連續(xù)的通風供氧條件；持續(xù)的蓄熱環(huán)境。在礦井有煤層自燃傾向性的工作面采空區(qū)內(nèi)這三個必備條件具體表現(xiàn)在采空區(qū)合適的漏風風速與采空區(qū)氧氣體積分數(shù)供給的大小，漏風風速的大小直接影響煤炭的供氧與蓄熱條件，而氧氣體積分數(shù)的大小決定煤層的氧化自燃能力。因此，根據(jù)采空區(qū)漏風與氧氣體積分數(shù)的大小，可將采空區(qū)的煤炭氧化自燃區(qū)域劃分為三個帶，即采空區(qū)自燃“三帶”。

3 李雅莊煤礦工作面采空區(qū)“三帶”測試方案

通過資料收集及工作面現(xiàn)場勘查后確定2-801采煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”測定與劃分的基本方案為：

1）測點布置方式：采用試驗現(xiàn)場埋設抽氣管路，通過管路抽取采空區(qū)氣樣，送入氣相色譜儀進行分析，得出采空區(qū)各種氣體體積分數(shù)變化規(guī)律，并通過埋設的溫度探頭測定采空區(qū)溫度變化情況，從而研究分析出采空區(qū)溫度變化與氣體分布規(guī)律，確定綜采工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的分布范圍。從測定結果的可靠性、施工方便性和經(jīng)濟性等方面考慮，在工作面的進、回風順槽共布置4個測點（進、回風巷各2個），1#測點：設置在進風巷距工作面≥20 m 處；2#測點：沿進風巷布置，距離1#測點8 m處；3#測點：設置在回風巷距工作面≥20 m處；4#測點：沿回風巷布置，距離3#測點8 m處。

在2-801 工作面的運輸順槽、回風順槽的煤柱幫沿底部敷設直徑為8 mm的束管，采用專用的束管接頭連接，做到連接處無漏氣。當采樣點進入采空區(qū)后進行取樣分析，待測點所測得的氧氣體積分數(shù)降到7%后，斷開該測點。埋入采空區(qū)的束管要用DN 25~50 mm 的鋼管加以保護。束管管口取樣點處，應用大塊矸石或木跺防護，以防止浮煤堵塞束管取樣口。為防止采空區(qū)積水抽進束管，束管的進口處必須抬高0.5 m。測溫元件采用集成溫度傳感器AD590，采用CFZ22 型井下氣體采樣泵進行抽氣取樣，采樣周期為每日采樣一次，通過抽氣泵在井下抽取采空區(qū)氣樣至氣囊中，帶到地面使用氣相色譜儀進行分析。每日測定溫度一次，從而得出隨工作面推進采空區(qū)的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等碳氫氣體的體積分數(shù)變化規(guī)律。2-801工作面測點及管路布置如圖1所示。

圖1 工作面束管測點布置圖

2）三帶劃分判定依據(jù)：根據(jù)實測采空區(qū)內(nèi)各組分氣體體積分數(shù)及其變化，采用臨界氧體積分數(shù)指標法（散熱帶（氧氣體積分數(shù)>18%）、氧化帶（7%≤氧氣體積分數(shù)≤18%）、窒息帶（氧氣體積分數(shù)<7%））分析判定2-801 采煤工作面采空區(qū)測點位置自然發(fā)火“三帶”的范圍。

4 李雅莊煤礦工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”分布特性分析

圖2 為工作面推進過程中1#、2#、3#、4#測點溫度值。進回風順槽各測點溫度變化趨勢明顯，隨工作面推進整體上都是先上升后下降的趨勢，符合采空區(qū)氧化帶分布規(guī)律。在進風順槽側：1#測點在工作面推進至57.90 m，溫度最高上升到32.6℃，2#測點當工作面推進至56.30 m，溫度最高上升到32.7℃，隨著工作面繼續(xù)推進，測點進入窒息帶，1#測點溫度緩慢降至29.8℃，2#測點降至29.5℃。在回風順槽側：3#測點當工作面推進至54.70 m，溫度最高上升到32.5℃，4#測點隨工作面推進到53.10 m，溫度最高上升到32.7℃，隨著工作面繼續(xù)推進，測點進入窒息帶，3#測點溫度最終降至29.6℃，4#測點溫度降至29.6℃。從數(shù)據(jù)可以得到在進風順槽側峰值溫度較回風順槽側出現(xiàn)的距離離工作面更遠。

圖2 采空區(qū)測點溫度分布

因測試氣樣中未檢測出CO、C2H4及C2H2等烯烴類氣體，僅檢測到O2、CO2、CH4、N2氣體體積分數(shù)數(shù)據(jù)，考慮到N2的變化趨勢主要由其他三種氣體決定，因此只對O2、CO2、CH4進行分析，具體數(shù)據(jù)見圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 采空區(qū)氧氣體積分數(shù)測點數(shù)據(jù)

圖4 采空區(qū)測點CO2分布

圖5 采空區(qū)測點CH4分布

O2、CO2、CH4進行分析，具體數(shù)據(jù)見圖3、4、5所示。

從圖3可知，隨著工作面推進，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分數(shù)由原始20.8%逐步緩慢下降，并從散熱帶逐步進入氧化帶和窒息帶。在進風順槽側：1#測點在距工作面約26.8 m處監(jiān)測到氧氣體積分數(shù)低于18%，之后，氧氣體積分數(shù)繼續(xù)降低，在工作面推進83.5 m后，氧氣體積分數(shù)降至7.0%以下；2#測點在距工作面約24.4 m 處監(jiān)測到氧氣體積分數(shù)低于18%，在工作面推進81.9 m后，氧氣體積分數(shù)降至7.0%以下。在回風順槽側：3#測點在距工作面約24.8 m 處監(jiān)測到氧氣體積分數(shù)低于18%，在工作面推進77.1 m 后，氧氣體積分數(shù)降至7.0%以下；4#測點在距工作面約21.2 m 處監(jiān)測到氧氣體積分數(shù)低于18%，在工作面推進78.7 m后，氧氣體積分數(shù)數(shù)據(jù)降至7.0%以下。綜合進風順槽側和回風順槽側氧氣監(jiān)測數(shù)據(jù)，進風順槽側的散熱帶0~24.4 m、氧化帶24.4~83.5 m、窒息帶＞83.5 m；回風順槽側的散熱帶0~21.2 m、氧化帶21.2~78.7 m、窒息帶＞78.7 m。

結合圖4 可以得到，進風順槽側1#、2#測點和回風順槽3#、4#測點的CO2體積分數(shù)變化規(guī)律呈現(xiàn)先平穩(wěn)后上升的趨勢。其中CO2體積分數(shù)開始上升時，1#測點在工作面推進到36.8 m 處，2#測點在工作面推進到36.3 m，3#測點在工作面推進到32.4 m，4#測點在工作面推進到32.3 m 處；測試結束時，1#測點采空區(qū)CO2體積分數(shù)上升到1.86%。2#測點CO2體積分數(shù)上升到1.85%，3#測點CO2體積分數(shù)上升到1.59%。4#測點采空區(qū)CO2體積分數(shù)上升到1.82%。

采空區(qū)內(nèi)CH4變化的趨勢基本都是一直上升的，結合圖5 可以得到進風順槽1#測點CH4體積分數(shù)在測試結束時上升到13.47%；進風順槽2#測點的CH4體積分數(shù)在測試結束時上升到13.66%；在回風順槽側3#測點CH4體積分數(shù)上升到13.78%；4#測點的CH4體積分數(shù)在測試結束時上升到13.53%。

結合采空區(qū)氧氣體積分數(shù)與溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)，2#煤層2-801 工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”范圍劃分為：散熱帶寬度為0~21.2 m，氧化帶寬度為21.2~83.5 m，85.5 以上為窒息帶，如圖6 所示。其中氧化帶寬度為21.2~83.5 m，在這一寬度范圍內(nèi)，氧氣體積分數(shù)為7%~18%，屬于煤炭易自燃區(qū)域，既有充足的供氧條件，又由于漏風風量逐漸減小，具有良好的蓄熱環(huán)境，氧化帶寬度相對較寬，不利于防治煤炭自然發(fā)火。結合2-801 工作面日推進速度為3.2 m/d 左右，當工作面推進27 d后，采空區(qū)即可進入窒息帶。

圖6 采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”范圍

5 結論

對李雅莊煤礦2-801 采煤工作面進行采空區(qū)埋管，測定采空區(qū)溫度、氣體成份及體積分數(shù)隨工作面推進度的變化規(guī)律，分析得到其“三帶”數(shù)據(jù)，為建立2#煤層自然發(fā)火防控體系提供了科學依據(jù)，主要得出以下結論：

1）從采空區(qū)溫度實測分析可以得知，各測點在工作面的推進過程中，溫度最大為32.7 ℃，說明工作面采空區(qū)壓實條件較好，供氧量小，很難氧化自燃。

2）依據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”劃分標準，通過對2-801 工作面進、回兩順槽鋪設束管采樣點，其采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”為：散熱帶的寬度為0~21.2 m，氧化帶寬度為21.2~83.5 m，85.5 m以上為窒息帶。

3）2-801 工作面日推進速度3.2 m/d 左右，即工作面推進27天后，采空區(qū)即可進入窒息帶。