三道溝煤礦綜采工作面采空區自燃“三帶”劃分與漏風測定

曹乃夫

（1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順113122）

我國煤礦的自然發火問題是十分嚴重的。據統計，具有自然發火危險的礦井約占47%，礦井自然發火又占總發火次數的94%，其中采空區自然占內因火災的60%[1-2]。這種火災造成工作面封閉，凍結大量煤炭資源和昂貴生產設備，造成工作面、采空區風流紊亂，影響礦井正常生產接續，并造成人員傷亡[3]。而神府東勝煤田大多具有淺埋深、（極）近距離煤層群賦存、（特）厚（易）自燃等特點，礦井安全生產面臨著火災的嚴重威脅[4]。通過對采空區自燃“三帶”分布規律及范圍確定的研究，揭示出其與頂板垮落規律和采空區漏風流流場的關系；準確的確定出采空區“三帶”的范圍及分布位置；根據劃分的“三帶”范圍，準確地計算出預防采空區自然發火的工作面最低推進速度，合理組織生產；最終針對研究結果制定出針對采空區自燃“三帶”的有效地防滅火措施[5]。以三道溝煤礦35106綜采工作面作為研究背景，對其采空區自然發火“三帶”進行合理劃分，確定其35106綜采工作面的安全回采速度。并對采空區漏風進行測定，測定出漏風風速以掌握其漏風規律進而提出封堵漏風措施，避免采空區遺煤自燃。

1 礦井概況

三道溝煤礦位于陜西省府谷縣西北，距縣城約25 km，行政區劃隸屬府谷縣廟溝門鎮管轄。礦井可采儲量為926.95 Mt，礦井生產能力為9.00 Mt/a時，服務年限為76.3年。其中首采區服務年限30.2年，預留區服務年限46.1年。35106工作面是三道溝煤礦5-2上煤層三盤區第6個綜采工作面，采面呈東西向布置，上部為東風聯辦煤礦，北鄰35105采空區，東鄰三采區集中輔運巷，南鄰35107工作面（實體煤），西部為切眼（切眼呈南北向），切眼向西為5-2上煤與5-2煤合層位置。35106工作面設計走向長度2 803 m，傾向長度294.5 m，地面標高為1 179.6～1 281.5 m，煤層底板標高 1 091.4～1 114.9 m，設計采高2.1 m。回采工藝為長壁后退式一次采全高綜合機械化采煤方法，全部垮落法處理采空區頂板。

2 現場布置及監測氣體分析

2.1 現場監測點布置

沿工作面回風巷外幫預埋φ50 mm鋼管300 m，間隔50 m布置4個測點，沿運輸巷外幫預埋埋φ50 mm鋼管150 m，間隔50 m布置4個測點，鋼管內敷設單芯束管和溫度補償線，回風巷側取氣點位置距最近測點150 m，運輸巷側取氣點通過其最近的聯巷引出，以便長期觀測采空區氣體及溫度變化。工作面監測點布置示意圖如圖1。

圖1 監測點布置示意圖

每個監測點內均布置有采樣束管和溫度傳感器，隨著工作面的推進，監測點依次進入“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，觀測采空區浮煤各個氧化階段的氣體濃度和溫度的變化。監測點探頭布置方式如圖2。

三道溝煤礦35106工作面采空區自燃“三帶”現場觀測，共歷時37 d，工作面累計推進287.5 m。

圖2 監測點探頭布置方式

2.2 監測氣體分析

測點進入采空區后即開始取氣分析及溫度測定，從而得出隨工作面推進采空區各測點的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等氣體的濃度變化規律，直至測點取樣分析結果表明該位置已經進入窒息帶為止。記錄每日工作面的推進度，以便推算測點距工作面的距離。正常情況下按工作面每推進6 m測取1次溫度和氣體成份數據。若有異常，則根據具體情況而定，可在異常測點每日測取3次數據。每日對兩巷及架后位置浮煤厚度進行實地觀測并作記錄。

2.2.1 氧氣濃度變化規律

35106工作面運輸巷1#監測點進入采空區92.8 m左右時，氧氣濃度降至17.84%。隨著工作面的推進，除部分區域受采空區漏風影響，氧氣濃度間歇上升以外，總體呈持續下降的趨勢。當運輸巷1#監測點進入采空區241.5 m左右時，氧氣濃度降至7%以下。35106工作面回風巷1#監測點進入采空區69.8 m左右時，氧氣濃度降至18%以下。當回風巷1#監測點進入采空區203.9 m左右時，氧氣濃度下降至7%以下。氧氣濃度變化規律如圖3。

圖3 氧氣濃度變化規律

2.2.2 一氧化碳濃度變化規律

35106工作面運輸巷側監測點未檢測到CO。隨著回風巷1#監測點逐漸進入采空區，CO濃度呈現規律性的先上升后下降的趨勢。35106工作面回風巷1#監測點進入采空區8 m左右時，CO濃度約為22×10-6。當回風巷1#監測點進入采空區99 m左右時，CO濃度達到32×10-6，此時氧氣濃度為16%～17%，表明此處漏風適宜，煤氧復合反應熱量得到積蓄，CO產生量增加，符合煤自然發火規律。此后，隨著供氧不足，煤氧復合反應減弱，CO濃度在7.5×10-6～21×10-6之間上下波動，但總體呈下降趨勢。35106工作面回風巷1#監測點CO濃度隨埋入采空區深度的變化曲線如圖4。

圖4 1#監測點CO濃度隨埋入采空區深度的變化曲線

2.2.3 二氧化碳濃度變化規律

隨著監測點逐漸進入采空區，35106工作面運輸巷1#監測點、回風巷側1#監測點CO2濃度總體呈上升趨勢，運輸巷1#監測點CO2濃度最高為1.32%，回風巷側 1#監測點CO2濃度最高為 2.86%。35106工作面運輸巷1#監測點、回風巷1#監測點CO2濃度隨埋入采空區深度的變化曲線如圖5。

圖5 1#監測點CO2濃度隨埋入采空區深度的變化曲線

3 采空區自燃“三帶”分布范圍及安全推進速度

3.1 35106工作面采空區自燃“三帶”劃分

根據三道溝煤礦35106工作面采空區自燃“三帶”現場觀測數據，結合5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標測試結果，以氧氣濃度7%～18%作為采空區自燃“三帶”范圍劃分的依據。35106工作面采空區自燃“三帶”分布范圍見表1。采空區“三帶”剖面圖如圖6[6]。三道溝煤礦35106工作面采空區運輸巷側氧化升溫帶較寬，為148.7 m；回風巷側較窄，為134.1 m。

表1 采空區自燃“三帶”范圍 m

圖6 采空區自燃“三帶”分布剖面

3.2 35106工作面安全推進速度

根據三道溝煤礦5-2上煤層最短自然發火期τ和35106工作面采空區氧化帶寬度Lmax，可推算出35106工作面的最小安全推進速度Vmin為4.65 m/d。

當工作面推進速度大于4.65 m/d時，采空區沒有自然發火的危險；若工作面連續超過32 d平均推進速度小于4.65 m/d時，采空區將有自然發火危險。

根據35106工作面正常日平均推進速度v=8.09 m/d，大于工作面的最小安全推進速度，因此在正常回采過程中，采空區不會發生遺煤自然發火。

4 堵漏防滅火措施封堵漏風

基于上述對采空區自燃“三帶”分布情況研究及工作面安全推進速度，應采用綜合防滅火措施，如加快回采速度，進行實時監測監控，注漿，注氮等。采空區自燃帶分布隨著風量、采空區頂板垮落、垮落帶破碎煤巖體的性質和周邊的漏風情況等因素有關[7]。又因神府東勝煤田淺埋深的特殊地質條件，采空區漏風嚴重也為采空區自燃提供充足氧氣。因此，對采空區進行有效地封堵漏風減少空氣進入可有效避免采空區遺煤自燃現象的發生。為了進一步判定31506工作面采空區與地表之間的裂隙溝通情況，掌握礦井上下漏風規律，為科學制定防滅火方案提供依據。因此，實施了以SF6示蹤氣體為檢測手段的漏風通道測定試驗。

4.1 井上下漏風測定原理及材料

4.1.1 SF6示蹤氣體測漏風原理

SF6在常溫下具有高穩定性，是一種無色、無味、無毒、無腐蝕性、不燃、不爆炸的氣體，在地面及井下的環境中含量極低，化學穩定性好，檢測靈敏度高，擴散性強，是常用的示蹤氣體之一。用SF6示蹤氣體定性測定漏風的測試方法為：根據礦井基礎資料分析可能的漏風通道、漏風源、漏風匯；在漏風源中釋放SF6氣體，在漏風匯每隔一定時間用球膽采集氣樣；將采集的氣樣送達實驗室分析，由氣相色譜儀（電子捕獲器）測定SF6氣體濃度；根據氣樣分析結果確定漏風通道[8]。

4.1.2 漏風測定儀器及工具材料

1）SF6釋放裝置。SF6氣體、鋼瓶、減壓閥（包括穩壓閥和穩流閥）和流量計等。

2）SF6分析儀器。TIF xp-1a鹵素檢漏儀和SF6色譜分析儀，用于對采集的氣樣進行定性和定量分析。

3）工具材料。SF6氣體釋放鋼管、軟管、負壓采樣器、球膽、扎帶、標簽紙，用于氣樣采集、存儲、時間節點標注等[9-10]。

4.2 井上下漏風測定

4.2.1 釋放點與接收點

結合礦井通風方式以及35106工作面現場實際，選取工作面切眼對應地表處一標志性裂隙作為示蹤氣體SF6釋放點，工作面回風隅角作為示蹤氣體SF6接收點，釋放點與接收點高程差為110 m，釋放點與接收點直線距離約為440 m。SF6釋放點與接收點平面示意圖如圖7。

圖7 SF6釋放點與接收點平面示意圖

4.2.2 釋放 SF6氣體

在地表裂隙插入SF6氣體釋放鋼管（圖8），連接好SF6氣體釋放裝置，使用SF6釋放器將SF6氣體通過軟管釋放，記錄釋放的開始和結束時間。將SF6氣體以壓力3 MPa、流量5 L/min釋放，從13：30開始至14：30結束持續釋放60 min，共釋放SF6氣體約1.848 kg。

圖8 SF6氣體釋放鋼管

4.2.3 氣樣采集

借助TIF xp-1a型鹵素檢漏儀綜合確定開始采樣的時間，采樣共持續65 min，合計采樣7次，氣體采樣順序表見表2。

表2 氣樣采集順序表

4.2.4 氣樣檢測與分析

氣樣檢測結果見表3。從表3可以看出，采集的1號氣樣即分析出示蹤氣體SF6，說明SF6氣體隨地面漏風流到達到35106工作面回風隅角的時間可能要早于13：50，進一步結合鹵素檢漏儀第1次接收到微弱信號分析，把SF6氣體于13：45左右到達工作面回風隅角的時間作為參考值。分析結果顯示，隨時間變化7個氣樣的SF6濃度變化不大，地表停止釋放后，示蹤氣體在一定時間段內保持較穩定的逸出，說明地表漏風通道較通暢、具有一定的漏風量且較穩定。以釋放點與接收點間的直線距離（約440 m）作為最短的漏風路線長度計算，35106工作面地表可能的漏風風速約為22～30 m/min。

表3 氣樣檢測結果

4.2.5 封堵漏風措施

1）地面裂隙封堵。對回采工作面地表的裂隙進行排查，重點對“兩道兩線”采動裂隙“O”形圈區域進行排查，及時回填地表裂隙，保證回填質量，減少地表與采空區之間漏風通道，避免地表向采空區漏風。地表裂隙隨采隨填，回填進度不得滯后工作面回采100 m。由于采動后地表裂隙不穩定時間較長，需定期對已回填的裂隙進行勘查再回填。

2）加強密閉的施工質量。嚴格按設計施工，對密閉及周圍巷道圍巖進行全面噴漿堵漏，防止漏風，同時還要監測密閉漏風，定期進行壓差測定工作。

3）工作面上下端頭封堵。工作面兩巷及時退錨，使頂板充分垮落；進風隅角懸掛擋風簾，回風隅角采取增阻措施，設置擋風簾導風，或每推進50 m砌筑絲袋墻或采用無機材料充填，減少采空區漏風量。

5 結論

1）根據5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標，氧化升溫帶寬度運輸巷為148.7 m，回風巷為134.1 m。35106工作面最小安全推進速度為4.65 m/d,當工作面推進速度大于4.65 m/d時，采空區沒有自然發火的危險；若工作面連續超過32 d平均推進速度小于4.65 m/d時，采空區將有自然發火危險。

2）現場考察表明，35106工作面地表出現了不同程度的裂縫。通過對地表裂縫漏風的定性分析，表明這些裂縫存在漏風，漏風風速約22～30 m/min。

3）通過對35106工作面采空區漏風的定性測定表明，只要地表出現了較寬的裂縫，就一定存在漏風，因此，在采空區地表發現沉陷和裂縫時應及時采取堵漏措施。

4）對地面裂隙進行排查并及時封堵。地表裂隙隨采隨填，回填進度不得滯后工作面回采100 m。由于采動后地表裂隙不穩定時間較長，需定期對已回填的裂隙進行勘查再回填

5）加強巷道密閉施工質量，對工作面上下端頭進行封堵以便減少采空區漏風。