近距離煤層開(kāi)采上覆煤層采空區(qū)氣體分布規(guī)律?

李 強(qiáng)鄔劍明吳玉國(guó)金 瑾

(1.鶴壁市淇濱區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,河南省鶴壁市,458030; 2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 3.鶴壁市淇濱區(qū)政府,河南省鶴壁市,458030)

近距離煤層開(kāi)采上覆煤層采空區(qū)氣體分布規(guī)律?

李 強(qiáng)1鄔劍明2吳玉國(guó)2金 瑾3

(1.鶴壁市淇濱區(qū)安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,河南省鶴壁市,458030; 2.太原理工大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,山西省太原市,030024; 3.鶴壁市淇濱區(qū)政府,河南省鶴壁市,458030)

針對(duì)中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦近距離煤層群開(kāi)采下分層過(guò)程中極易引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問(wèn)題,通過(guò)采取預(yù)先打孔埋管監(jiān)測(cè)近距離煤層中上分層采空區(qū)氣體隨下分層工作面推進(jìn)的分布規(guī)律及濃度,預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)上分層采空區(qū)遺煤自燃情況,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果結(jié)合理論分析得出,中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦近距離煤層群開(kāi)采下分層過(guò)程中并沒(méi)有引起上覆采空區(qū)遺煤自燃等問(wèn)題。

上分層采空區(qū) 氣體分布規(guī)律 防滅火 下分層 近距離煤層開(kāi)采

近距離煤層由于層間距極近,在上覆煤層開(kāi)采過(guò)程中已對(duì)下分層頂板造成破壞,給下分層頂板管理帶來(lái)困難。而在下分層開(kāi)采采用垮落法管理頂板時(shí),不僅本層頂板垮落,上覆采空區(qū)、頂板也會(huì)隨之垮落,冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶高度會(huì)明顯增大,漏風(fēng)會(huì)更為嚴(yán)重,極易引起上覆煤層采空區(qū)遺煤自燃,給安全生產(chǎn)帶來(lái)極大的隱患。如果下分層煤賦存復(fù)雜將會(huì)導(dǎo)致下煤層的開(kāi)采過(guò)程中出現(xiàn)復(fù)雜的水、火等問(wèn)題,因此本文的研究對(duì)減少或杜絕煤自燃、水害發(fā)生,提高礦井整體安全技術(shù)水平具有重要意義,為近距離煤層開(kāi)采下分層的安全開(kāi)采通防決策及示范工作面奠定基礎(chǔ)。

1 工程概況

中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力10.0 Mt/a,主要可采4＃、9＃、11＃煤層,均為自燃或易自燃煤層。目前,4＃、9＃煤層已基本采空,正在開(kāi)采11＃煤層。11＃煤層厚度為0.95～9.77 m,平均厚度為4.7 m,11＃煤層與上覆的9＃煤層層間距為1.4～2.2 m,平均7.78 m。由于9＃煤層在開(kāi)采時(shí)采用綜采放頂煤開(kāi)采,采空區(qū)遺煤較多,因此11＃煤層開(kāi)采過(guò)程中存在的9＃煤層采空區(qū)地表塌陷后形成漏風(fēng)通道,造成引起9＃煤層采空區(qū)遺煤自燃的重大安全隱患。9＃煤層為自燃煤層,發(fā)火期為3～6個(gè)月,自燃傾向性等級(jí)為Ⅱ級(jí),煤塵具有爆炸性。因此有必要研究近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中,隨著工作面的推進(jìn),上層采空區(qū)氣體的分布規(guī)律,為制定科學(xué)的防滅火措施提供依據(jù)。

11＃煤層采區(qū)與9＃煤層采區(qū)都采用單翼布置,在11＃煤層沿煤層底板開(kāi)拓一條輔運(yùn)大巷,利用9＃煤層帶式輸送機(jī)回風(fēng)大巷運(yùn)煤和回風(fēng)。

11＃煤層通風(fēng)方式為中央并列式,通風(fēng)方法為抽出式通風(fēng)。通風(fēng)系統(tǒng)為:主、副斜井→9＃煤層輔運(yùn)大巷、補(bǔ)輔運(yùn)大巷→11＃煤層輔運(yùn)措施巷→11＃輔運(yùn)大巷→工作面輔運(yùn)巷→工作面→工作面回風(fēng)巷→9＃煤層回風(fēng)大巷→回風(fēng)斜井。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)實(shí)際情況在井工二礦1102輔運(yùn)巷內(nèi)每200 m布置1個(gè)鉆孔,共計(jì)8個(gè)鉆孔,監(jiān)測(cè)上覆采空區(qū)氣體變化情況。1102輔運(yùn)巷觀測(cè)鉆孔布置如圖1所示。每個(gè)測(cè)點(diǎn)隨著回采工作面的推進(jìn),依次從工作面前方進(jìn)入工作面后方,通過(guò)監(jiān)測(cè)9＃煤層采空區(qū)內(nèi)氣體參數(shù)變化,從而掌握9＃煤層采空區(qū)氣體隨11＃煤層開(kāi)采的分布規(guī)律。

圖1 1102輔運(yùn)巷觀測(cè)鉆孔布置圖

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容與方法

井下實(shí)際監(jiān)測(cè)的主要?dú)怏w有O2、N2、H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。具體的取樣方法如下:

(1)針對(duì)工作面實(shí)際推進(jìn)情況,每2 d采集一次氣樣。

(2)采樣時(shí),先將鉆孔用膠皮軟管連接到真空泵進(jìn)氣口,預(yù)抽3～5 min,然后將球膽連接到真空泵出氣口進(jìn)行采氣,再將球膽內(nèi)的氣體擠壓干凈,重復(fù)此操作3～5次(洗氣),最后再將球膽連接到真空泵的出氣口采集氣樣,直至球膽被充滿為止。

(3)采樣測(cè)試完畢后,測(cè)量工作面推進(jìn)位置并做好記錄。

(4)將氣樣送至地面化驗(yàn)室,進(jìn)行氣體組分分析。

2.3 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

通過(guò)布置在1102輔運(yùn)巷內(nèi)的8個(gè)鉆孔,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)中氣體濃度隨1103工作面向前推進(jìn)的變化情況,通過(guò)CO及O2的濃度變化來(lái)判斷上覆9＃煤層采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化程度及是否出現(xiàn)遺煤自燃現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)8個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)了上覆9＃煤層采空區(qū)中CO、O2基本變化規(guī)律,8個(gè)鉆孔采集氣樣的濃度曲線如圖2和圖3所示。

由圖2和圖3可知:

(1)1＃～5＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著工作面推進(jìn)逐漸由工作面前方進(jìn)入到工作面后方,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工作面前方時(shí),O2濃度在7%～9%之間變化,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)落到工作面后方時(shí),O2濃度逐漸升高但維持在11%～15%左右。即工作面前方O2濃度較低,隨著工作面推進(jìn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入工作面后方時(shí)監(jiān)測(cè)到的上覆采空區(qū)O2濃度升高。6＃～8＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)一直處于工作面前方,其O2濃度一直維持在7%～9%之間。

(2)1＃～5＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)隨著工作面推進(jìn)逐漸由工作面前方落到工作面后方,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工作面前方時(shí)CO濃度幾乎為0%,當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)落到工作面后方時(shí)CO濃度逐漸升高但維持在0%～0.0003%左右。即工作面前方CO濃度較低,隨著工作面推進(jìn),當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)落到工作面后方時(shí)監(jiān)測(cè)到的上覆9＃煤層采空區(qū)CO濃度升高。6＃～8＃監(jiān)測(cè)點(diǎn)一直處于工作面前方,其CO濃度一直為0%。

圖2 8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)CO濃度與工作面距離變化曲線

圖3 8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)O2濃度與工作面距離變化曲線

(3)1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)氧氣濃度基本維持在7%～15%左右,說(shuō)明上覆9＃煤層采空區(qū)存在漏風(fēng),處于氧氣較高狀態(tài),具備自然發(fā)火的供氧條件。

(4)隨著1103工作面向前推進(jìn),11＃煤層采空區(qū)逐漸與9＃煤層采空區(qū)貫通,導(dǎo)致9＃煤層已經(jīng)壓實(shí)的采空區(qū)整體重新向下垮落從而引起9＃煤層采空區(qū)地表塌陷形成漏風(fēng)通道,導(dǎo)致漏風(fēng)。9＃煤層采空區(qū)存在漏風(fēng)導(dǎo)致采空區(qū)中O2濃度升高,O2又為采空區(qū)中遺煤氧化提供條件,遺煤發(fā)生氧化導(dǎo)致CO濃度升高。從監(jiān)測(cè)結(jié)果得到11＃煤層上覆9＃煤層采空區(qū)中O2、CO濃度隨11＃煤層工作面推進(jìn)逐漸升高,總體O2濃度在7%～15%之間變化,CO濃度在0%～0.0003%之間變化,具有自然發(fā)火條件,理論分析與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果吻合。

3 應(yīng)對(duì)措施

隨著11＃煤層的開(kāi)采,9＃煤層采空區(qū)存在著極大的自然發(fā)火隱患。因此建議采取以下措施避免9＃煤層采空區(qū)自燃危害到11＃煤層工作面的正常生產(chǎn)。

(1)及時(shí)密閉1103工作面上覆9＃煤層采空區(qū)并保持密閉良好性,減少采空區(qū)漏風(fēng)量,填堵采空區(qū)與地面塌陷裂隙,控制漏風(fēng)通道。O2是浮煤氧化的必要條件,通過(guò)控制采空區(qū)的漏風(fēng)量,可以縮小浮煤氧化帶的范圍,氧化帶的范圍越小,自然發(fā)火的危險(xiǎn)性就越低。

(2)采用均壓防滅火技術(shù),并結(jié)合其他堵漏/惰化技術(shù),隔離煤與氧接觸,使煤與氧接觸機(jī)率減小。采用特定的防滅火材料噴灑在浮煤上,包裹煤體,在煤體表面形成一層膜,因此,被包裹的浮煤的表面與O2的接觸面積大大減少,控制煤與O2的氧化程度。向浮煤噴灑阻化劑改變煤分子表面結(jié)構(gòu),能夠抑制煤的氧化進(jìn)程,降低煤氧復(fù)合熱效應(yīng),從而使煤與氧的自燃氧化反應(yīng)至發(fā)火的周期變大,在這種情況下,實(shí)現(xiàn)快速推進(jìn),把氧化帶滯留在采空區(qū)的時(shí)間縮短,能夠控制采空區(qū)自然發(fā)火情況。

(3)加強(qiáng)日常防滅火檢查,定期對(duì)工作面、上覆采空區(qū)、工作面上隅角、回風(fēng)流等的氣體取樣分析,發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)分析原因,采取相應(yīng)措施處理。

4 結(jié)束語(yǔ)

礦井火災(zāi)是煤礦主要災(zāi)害之一,時(shí)刻威脅著煤礦井下的安全生產(chǎn)。火災(zāi)的治理工作不僅是通風(fēng)安全技術(shù)中一項(xiàng)重要內(nèi)容,而且對(duì)煤礦安全生產(chǎn)起到關(guān)鍵性作用。通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)中煤平朔煤業(yè)有限責(zé)任公司井工二礦1103工作面上覆采空區(qū)氣體分布規(guī)律的研究,發(fā)現(xiàn)了一些存在的問(wèn)題并提出了解決方法,為近距離煤層群開(kāi)采制定科學(xué)的防滅火措施提供了依據(jù),并對(duì)安全開(kāi)采通防決策奠定了基礎(chǔ)。對(duì)近距離煤層開(kāi)采下分層時(shí)防止上分層采空區(qū)自然發(fā)火具有一定的參考價(jià)值和借鑒作用。

[1] 王省身,張國(guó)樞.礦井火災(zāi)防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1990

[2] 吳玉國(guó),鄔劍明,王俊峰.煤層自燃指標(biāo)氣體的試驗(yàn)研究[J].中國(guó)煤炭,2007(4)

[3] 徐嚴(yán)軍,張守寶.極近距離煤層開(kāi)采的瓦斯分源治理技術(shù)[J].中國(guó)煤炭,2012(12)

[4] 張勇.上分層煤柱下的下分層綜放開(kāi)采技術(shù)實(shí)踐與分析[J].中國(guó)煤炭,2006(10)

[5] 鮮學(xué)福,王宏圖等.我國(guó)煤礦礦井防滅火技術(shù)研究綜述[J].中國(guó)工程科學(xué),2001(3)

[6] 余明高.我國(guó)煤礦防滅火技術(shù)的最新發(fā)展及應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2000(1)

[7] 褚廷湘,楊勝?gòu)?qiáng)等.近距離煤層綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2008(11)

[8] 陳晨,齊慶杰.礦井火災(zāi)防治技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].煤炭技術(shù),2009(3)

Gas distribution law in the goaf of upper slice in close distance coal seams

LiQiang1,Wu Jianming2,Wu Yuguo2,Jin Jin3
(1.Qibin Administration of Work Safety,Hebi,Henan 458030,China; 2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China; 3.The People＇s Government of Qibin District Hebi,Hebi,Henan 458030,China)

Aimed at the problems of abandoned coal spontaneous combustion in overlying goaf occurred frequently in process of lower slice mining in close distance coal seams in No.2 underground mine of China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,beforehand punching and pipe laying were applied to monitor the distribution law and concentration of the gas from the goaf of middle and upper slices with the lower workface driving in close distance coal seams,and the abandoned coal spontaneous combustion situation in the goaf of upper slice was predicted and forecasted. According the theoretical analysis and the results,the problems of abandoned coal spontaneous combustion did not happen.

goaf of upper slice,gas distribution law,fire prevention and extinguishing,lower slice,close distance coal seams mining

TD711

A

李強(qiáng)(1988－),男,吉林東遼人,碩士研究生,主要從事煤礦安全方面的工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)

山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(20120321006),山西省青年科技研究基金(2012021022－3)