注氮惰化條件下采空區自燃“三帶”實測及劃分研究

鄧欣雨 柳東明 柳剛

摘 要：采煤工作面采空區自然發火給全國各大煤礦安全生產帶來嚴重威脅，應采取防滅火措施加以防范。其中，采空區自燃“三帶”分布規律和自然發火危險區域劃分對于采空區防滅火工作具有重要指導意義。通過在某礦南五902綜采工作面采空區預埋束管，取樣化驗采空區氣體，并統計分析氣體濃度變化情況，合理劃分采空區自燃“三帶”，為采煤工作面防滅火工作提供科學技術支撐。

關鍵詞：自燃“三帶”;預埋束管;氣體濃度;統計分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.055

0 前言

由于工作面開采是一個隨時間、空間動態發展的過程，隨工作面推進采空區范圍不斷增大，采空區內自然發火危險區域也隨之移動[1-2]。由于南五902工作面正常回采期間，采取對采空區運順埋管開區注氮惰化措施，加之本煤層斜交高位鉆孔、上隅角明管等瓦斯抽采手段的采用，對采空區內漏風場及氧濃度場分布規律產生復雜的疊加作用影響。因此，通過統計分析南五902采空區運、回順束管氣體數據，對采空區注氮惰化條件下自燃“三帶”范圍進行劃分，為針對自然發火危險區域進一步采取防滅火措施，切實保證工作面生產安全提供技術支撐。

1 工作面概況

南五902工作面位于南五采區東部。工作面走向長1118m，傾向長160m，采用走向長壁后退式采煤法，綜合機械化采煤工藝，自然垮落法處理采空區。工作面采用“U”型通風方式，風量為1100m3/min。南五902工作面所采9煤層，為Ⅰ類易自燃煤層，自然發火期1～3個月，平均煤厚為1.79m。

工作面正常回采期間，沿運順每間隔約20m鋪設一趟注氮管，當注氮管出口進入采空區40～60m區域后開始注氮。通常采用兩趟管路同時注氮，合計注氮量1400m3/h，氮氣濃度大于97%。

2 采空區自燃“三帶”劃分依據

本次采空區自燃“三帶”測定是通過預埋束管的方式，采集采空區內部氣樣進行氣體組份分析，并依據氧氣濃度對采空區自燃“三帶”進行劃分，此種方法具有快速、準確、簡便易行等特點，是目前應用最為廣泛的“三帶”劃分方法[3-4]，具體如下：

散熱帶內由于漏風較大，氧氣濃度偏高，常取大于18%;氧化帶內的氧氣濃度為5～18%;窒息帶的氧氣濃度小于5%[5-6]。

3 工作面采空區氣體監測結果分析

隨工作面推進，沿工作面運回順間隔30～50m埋設束管，束管外套4分鋼管進行保護，每班對束管進行取樣化驗，通過對束管氣體取樣化驗結果的整理分析，現階段采空區自燃“三帶”劃分提供支撐。

3.1 運順束管監測數據

本次選取保護較為完好、受影響較小的3月31日埋設束管進行數據分析工作。運順3月31日束管隨工作面推進部分監測數據見圖1所示。

由圖1可知，隨工作面推進束管逐漸進入采空區，4月3日零點班，采空區內16m處，氧氣濃度為19.94%，說明下隅角漏風較大，尚未進入氧化帶，仍舊處于散熱帶內;由于4月4日～4月7日清明節放假，4月3日白班開始提前對工作面進行臨時封閉，封閉后采取注氮與二氧化碳混合氣體惰化采空區的措施，因而導致采空區束管氧氣濃度急劇下降至3.58%，CO2含量達23.38%，放假期間，運順側采空區內氧氣濃度始終保持在5%以下，閉區惰化效果顯著。4月9日啟封后，工作面推進至20m，采空區束管氧氣濃度恢復至17.75%，并隨工作面推進逐漸下降至13.05%，同時，CO濃度由19ppm升高至36ppm，說明束管開始進入氧化帶;4月12日運順注氮由3月26日埋管710m3/h與3月29日埋管680m3/h改為3月29日埋管680m3/h與4月1日埋管710m3/h，注氮管路與束管相對位置示意圖，如圖2所示，束管氧氣濃度迅速下降至4.31%，采空區注氮取得較好效果，起到惰化氧化帶的作用;此后，隨著束管埋入采空區深度的增加，氧氣濃度始終保持在5%以下，CO濃度維持在6ppm以下，說明采空區運順側束管進入窒息帶。

3.2 回順束管監測數據

本次選取保護較好，受其他因素影響較小的4月15日埋設束管對回順側采空區氣體情況進行分析。南五902回順4月15日束管部分監測數據見圖3所示。

隨工作面推進，4月15日束管逐漸埋入采空區，至4月17日白班，埋入11.2m范圍內，束管氧氣濃度始終保持在19%以上，說明此時束管仍處于散熱帶內;束管埋入采空區12.8m時氧氣濃度下降至13.80%，同時CO濃度由15ppm上升至67ppm，并伴隨微量乙烯出現，說明束管開始進入氧化帶，處于氧化帶內的煤體氧化速度加快;此后，隨工作面繼續推進，氧氣濃度略有反復，但均維持在18%以下，且總體呈現下降趨勢;4月22日零點班，束管埋深38.4m，氧氣濃度5.01%，CO濃度下降至12ppm;此后，束管監測氧氣濃度均保持在5%以下，CO濃度維持在10ppm以下，因此可以判定采空區回順側束管進入窒息帶。

4 注氮惰化條件下采空區自燃“三帶”劃分結論

根據南五902工作面采空區束管監測數據分析，采用氧氣濃度作為采空區自燃“三帶”劃分依據，對南五902工作面采空區自燃“三帶”進行靜態劃分。采空區自燃“三帶”劃分結果如圖4所示。

（1）運順側采空區氧化帶范圍為采空區內20.0m～32.0m，寬度12m;回順側采空區氧化帶范圍為采空區內12.8m～38.4m，寬度25.6m。

（2）工作面下隅角漏風強度及漏風半徑大于上隅角，因而造成運順側采空區散熱帶深度大于回順一側，但由于運順側埋管對采空區深、淺部同時開區注氮，使得運順側氧化帶明顯前移，現階段注氮方式起到了較好的效果。

（3）本次采空區自燃“三帶”是在采空區注氮惰化條件下測定的，因此測定結果具有一定的特殊性和指導性，能夠對相似工作面注氮惰化條件下采空區危險區域劃分提供借鑒。

參考文獻：

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[3]徐精彩，張辛亥，鄧軍等.常村煤礦2106綜放面采空區“三帶”規律及自燃危險性研究[J].湖南科技大學學報（自然科學版），2004，19（03）：1-4.

[4]尹曉雷，戴廣龍，吳彬等.綜采面動態注氮作用下采空區“三帶”分布及防滅火技術研究[J].中國安全生產科學技術，2014，10（10）：137-142.

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作者簡介：鄧欣雨（1989-），男，遼寧調兵山人，本科，工程師，副科長，研究方向：采礦工程。