豹子溝煤礦采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律研究

趙素平

（山西省煤炭進(jìn)出口集團(tuán)蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204 ）

煤的自然發(fā)火是煤礦重大災(zāi)害之一，而采空區(qū)中的遺煤，往往是自然發(fā)火的重要危險(xiǎn)源，要防止采空區(qū)遺煤自燃，需搞清采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，才可針對(duì)性地采取采空區(qū)注氮、堵漏風(fēng)等技術(shù)措施。本文對(duì)豹子溝煤業(yè)采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律進(jìn)行研究，并為制定防止采空區(qū)浮煤自燃的措施提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”概述

1.1 采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”概述

對(duì)于大多數(shù)的礦井，采空區(qū)頂板管理為自然垮落法管理頂板，隨著工作面從開(kāi)切眼一直向前推進(jìn)，切頂線之后的采空區(qū)頂板開(kāi)始逐漸垮落，在該區(qū)域冒落的頂板比較松散，間隙較大，風(fēng)流也較大，在該區(qū)域的浮煤通過(guò)氧化作用產(chǎn)生的能量隨風(fēng)流帶走，該區(qū)域因無(wú)法聚集熱量而不能發(fā)生自然發(fā)火，該區(qū)域?yàn)椤吧釒А被?“冷卻帶”；隨著工作面的推進(jìn)，原冒落的松散區(qū)域被壓實(shí)，裂隙變少，風(fēng)流強(qiáng)度減弱，該區(qū)域由于存在足夠的氧氣與浮煤氧化產(chǎn)生熱量，而不能被風(fēng)流帶走，最終因氧化產(chǎn)生的熱量不斷聚集與浮煤又產(chǎn)生激烈的氧化反應(yīng)，導(dǎo)致出現(xiàn)明火燃燒現(xiàn)象，該區(qū)域?yàn)椤把趸匀紟А保浑S著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)冒落區(qū)基本被壓實(shí)，漏風(fēng)基本消失，漏風(fēng)風(fēng)流流經(jīng)“氧化自燃帶”時(shí)，其所含的氧氣已被大量消耗，一般氧氣濃度下降到7%以下，因此無(wú)法提供氧氣而不能使煤氧化反應(yīng)，遺煤處于窒息狀態(tài)，該區(qū)域?yàn)椤爸舷А薄?/p>

1.2 采空區(qū)自燃“三帶”的劃分指標(biāo)

根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可將采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”按照以下指標(biāo)進(jìn)行劃分：

（1）根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速劃分。這種劃分方法主要是在實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)實(shí)驗(yàn)?zāi)M的方法進(jìn)行的，一般根據(jù)采空區(qū)風(fēng)速劃分為：散熱帶的風(fēng)速大于0.004m/s，自燃帶的風(fēng)速在0.0016～0.004m/s，窒息帶的風(fēng)速一般小于0.0016m/s。

（2）根據(jù)氧氣濃度劃分。該方法常在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)中使用，不同礦井的臨界氧濃度也各不相同，大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際得知豹子溝煤礦煤層自然發(fā)火標(biāo)志性氣體測(cè)定中所確定的煤自然發(fā)火的臨界氧濃度劃分為：散熱帶的氧氣濃度大于18%，自燃帶的氧氣濃度7～18%；窒息帶的氧氣濃度小于7%。

（3）根據(jù)測(cè)點(diǎn)的升溫特征劃分。該劃分指標(biāo)只是補(bǔ)充依據(jù)，參考指標(biāo)，因?yàn)闇囟缺O(jiān)測(cè)能明顯地測(cè)量出采場(chǎng)溫度的變化規(guī)律，說(shuō)明采空區(qū)有煤進(jìn)行氧化反應(yīng)活動(dòng)，但目前還沒(méi)有準(zhǔn)確的界限。

2 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布

2.1 采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置

以豹子溝煤礦綜放工作面10101工作面為研究對(duì)象，對(duì)采空區(qū)的自燃“三帶”分布進(jìn)行研究，主要采用束管監(jiān)測(cè)技術(shù)對(duì)煤層氧化自燃過(guò)程進(jìn)行觀測(cè)并進(jìn)行早期預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。建立束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與在10101工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷沿著壁面鋪設(shè)兩組束管的溫度探頭進(jìn)行連接，束管每組3根，各束管采樣頭的間距為20m，共設(shè)置6個(gè)測(cè)點(diǎn)，在進(jìn)、回風(fēng)巷對(duì)稱(chēng)分布3個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置示意圖如圖1所示。

圖1 10101工作面束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析

在監(jiān)測(cè)地點(diǎn)利用氣囊采集氣體進(jìn)行分析，或者利用地面束管系統(tǒng)直接進(jìn)行氣樣分析，分析的參數(shù)主 要 有 O2、N2、CO2、CO、CH4、C2H6和 C2H4，每天采集1次，同時(shí)測(cè)量?jī)纱尾蓸訒r(shí)工作面推進(jìn)的距離，部分記錄數(shù)據(jù)如表1所示。

通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知：10101工作面采空區(qū)氧氣濃度隨著距切頂線距離的增大而減小，但氧氣濃度降低的速率變化不一，跟工作面周?chē)h(huán)境有關(guān)。采空區(qū)靠近工作面上隅角附近的測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度，隨著工作面的持續(xù)推進(jìn)呈持續(xù)下降的趨勢(shì)，降低的幅度較明顯，這是由于漏風(fēng)風(fēng)流氧濃度經(jīng)過(guò)采空區(qū)浮煤的自燃氧化消耗后造成的。另外，監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)隨著工作面正常推進(jìn)，采空區(qū)的氧氣濃度分布規(guī)律并不是以工作面的中心線對(duì)稱(chēng)的，在進(jìn)風(fēng)側(cè)的區(qū)域氧氣濃度較高，可見(jiàn)，10101工作面采空區(qū)“氧化自燃帶”與“窒息帶”的界線也是不對(duì)稱(chēng)分布的。

表1 部分測(cè)點(diǎn)溫度統(tǒng)計(jì)表

從氧氣濃度監(jiān)測(cè)角度分析可知，在進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的“三帶”分布為：散熱帶寬度為小于27.2m，氧化帶寬度為27.2～72m，窒息帶為大于72m；在回風(fēng)巷側(cè)“三帶”分布為散熱帶寬度小于17.6m，氧化帶寬度為17.6～67m，窒息帶為大于67m。從溫度變化角度監(jiān)測(cè)結(jié)果分析可知，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)22.4m后采空區(qū)進(jìn)入“氧化自燃帶”，浮煤發(fā)生自熱氧化，煤溫升高，當(dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)67m后采空區(qū)進(jìn)入“窒息帶”，自熱氧化過(guò)程受到抑制，溫度開(kāi)始下降，通過(guò)溫度劃分的采空區(qū)自燃“三帶”范圍與氧氣濃度劃分結(jié)果基本一致。各點(diǎn)溫度變化規(guī)律如圖2和圖3所示。各測(cè)點(diǎn)都是在進(jìn)入采空區(qū)20m后出現(xiàn)CO濃度增加，在進(jìn)入采空區(qū)70m后CO濃度急劇下降，說(shuō)明在采空區(qū)內(nèi)20m至70m范圍內(nèi)出現(xiàn)了煤氧化過(guò)程，但隨著工作面的推進(jìn)，測(cè)點(diǎn)處進(jìn)入了“窒息帶”，煤氧化過(guò)程被抑制，最終都趨于平穩(wěn)。在實(shí)測(cè)過(guò)程中，沒(méi)有監(jiān)測(cè)到乙烯氣體，表明采空區(qū)浮煤沒(méi)有發(fā)生劇烈氧化反應(yīng)。

圖2 進(jìn)風(fēng)側(cè)各測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律圖

圖3 回風(fēng)側(cè)各測(cè)點(diǎn)溫度變化規(guī)律圖

3 結(jié)論

針對(duì)豹子溝煤礦10101綜放工作面實(shí)際情況，科學(xué)設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)方案，從氧氣濃度監(jiān)測(cè)角度、溫度變化角度和CO濃度變化角度，對(duì)該工作面采空區(qū)“三帶”分布進(jìn)行劃分，散熱帶小于27.2m，氧化自燃帶 27.2～74.5m，窒息帶大于74.5m，利用溫度檢測(cè)作為劃分采空區(qū)“三帶”的輔助指標(biāo)，所測(cè)溫度都低于21℃，說(shuō)明采空區(qū)被壓實(shí)較好，供氧比較微弱，所得到結(jié)果與氧氣濃度劃分結(jié)果基本一致。這樣就為防止采空區(qū)自然發(fā)火提供了可靠依據(jù)，便于采取針對(duì)性預(yù)防措施。