近距離煤層聯合開采自然發火規律研究

遲克勇 張振乾

(1.山西工程職業學院，山西省太原市，030032； 2.太原理工大學安全與應急管理工程學院，山西省太原市，030024)

近年來，隨著開采深度和強度的增加、采空區范圍的擴大、厚煤層綜采放頂煤技術的廣泛應用以及近距離煤層群開采的相互影響，造成采空區遺煤量多、漏風嚴重，大大增加了煤層自然發火危險性。特別是在近距離煤層開采時，由于煤層間距較小，受采動影響，上下煤層間采空區容易形成漏風通道，并且采空區遺煤在高度上呈立體分布，導致煤層自燃更加嚴重、自燃規律更加復雜，預測和治理難度加大。積極開展近距離自燃煤層聯合開采采空區自然發火規律的研究，建立近距離煤層聯合開采自燃火災防治的綜合技術體系，對有效防止煤層自然發火，保證礦井的安全生產具有重要意義。

近距離煤層自然發火防治的關鍵在于確定近距離上下煤層采空區之間的漏風通道。目前國內外學者和現場工程技術人員對礦井漏風檢測技術進行過許多研究，提出了許多測定方法。應用SF6示蹤氣體檢測礦井采空區漏風是煤礦井下最常用的測定方法之一。鄔劍明等研究采用CFD模擬技術、束管采樣分析技術和SF6示蹤測定技術結合起來，模擬采空區空氣流動的規律，判定采空區自燃危險區域；王輝躍針對綜放工作面周圍存在老空區和老巷的情況，利用SF6示蹤氣體查找了工作面和膠帶運輸巷的漏風通道，并定量測定了漏風量，為防治自然發火提供基礎參數。但現場實際過程中由于近距離煤層聯合開采采空區巷道連接關系復雜，存在“多源多匯”的漏風關系，采用單一方法很難有效檢測采空區漏風的大小和確定近距離上下煤層采空區之間的漏風通道。能位測定一方面可以了解采空區周圍巷道漏風源和漏風匯之間的能位關系，為定性分析采空區的漏風關系提供理論基礎，另一方面利用通風網絡能位圖，可以方便地分析通風系統中相鄰分支節點間的壓能關系，借以判斷其間的漏風通道是否存在和漏風方向。通過能位測定可為利用示蹤技術定量檢測采空區漏風提供前期準備，避免盲目性。現場實際表明，能位測定與SF6示蹤技術相結合的方法可以快速準確檢測復雜采空區漏風通道、判斷漏風方向和估計漏風風速。該方法有利于提高復雜采空區漏風檢測的科學性和準確性，對減少采空區漏風，預防近距離煤層聯合開采采空區煤炭自燃具有重要意義。

1 礦井及工作面概況

山西靈石華苑煤業有限公司位于靈石縣兩渡鎮景家溝附近，設計生產能力0.90 Mt/a，礦井服務年限14.1 a。礦井首采區布置在二采區，采用9#煤層和10#煤層工作面聯合開采，外錯垂直布置。工作面聯合開采巷道布置平面圖見圖1。

圖1 工作面聯合開采巷道布置平面示意圖

9201工作面和10201工作面均為首采面，9201工作面平均采高1.12 m，工作面長150 m；10201工作面平均采高4.2 m，工作面長170 m。10201工作面位在9201工作面正下方，外錯10 m布置。兩個工作面層間距為5.28 m，前后錯距設計為78 m，在實際生產過程中結合支護等因素，目前暫控制在30～40 m之間。9#煤層和10#煤層均屬自燃煤層，含硫高，存在自然發火危險，其中9#煤層為薄煤層開采，回采率高，采空區遺煤少，不易發生自燃，而10#煤層為厚煤層，采空區遺煤相對較多，自燃危險性較大，同時由于9#、10#煤層為近距離煤層聯合開采，9#與10#煤層采空區相互連通，存在漏風通道，且9#煤層保護煤柱會丟入到10#煤層采空區，增加了采空區遺煤自燃危險性。

2 近距離煤層聯合開采采空區自然發火規律

近距離煤層采空區是由上下煤層采空區和夾矸共同組成的復雜松散體，其松散體物理化學作用復雜，空氣滲流場呈非穩態變化，從而使得近距離煤層采空區自然發火過程十分復雜。華苑煤業9#、10#煤層為近距離煤層聯合開采，外錯垂直布置，在開采過程中具有以下特點和規律。

(1)近距離煤層工作面采空區遺煤在空間上，具有分層分布的特點。9#煤層采用長壁式薄煤層綜采采煤方法，煤層薄、回采率高，采空區基本沒有遺煤，但其保護煤柱在10#煤層的采空區范圍內，易破壞或丟入到10#煤層采空區；10#煤層為厚煤層，采用長壁式厚煤層一次采全高綜采采煤方法，采空區存在一定量的遺煤，因此，近距離煤層采空區呈現“10#層遺煤-矸石-9#層保護煤柱”分布，采空區“三帶”分布在高度上存在一定的差異。

(2)9#煤層為薄煤層開采，采空區發火幾率低，但其保護煤柱在本煤層開采期間經歷初次氧化，在10#煤層開采過程中處在下部煤層的冒落裂隙帶內，易再次被漏風氧化，從而導致其保護煤柱發火危險性增加。

(3)10#煤層采空區中部發火率低，周邊發火幾率高，采空區周邊主要包括開切眼、巷道和停采線，即“兩道兩線”，在其附近由于老頂及部分直接頂呈懸臂梁結構，該結構與煤壁、底板形成冒落三角區，其密實性差，且不易壓實，冒落三角區沿采空區四周連通，成為采空區內部漏風的主要通道；另外，9#煤層保護煤柱可能丟入到冒落三角區內，加大了采空區松散浮煤，從而使得10#煤層采空區周邊的發火幾率高，中部自然發火幾率低。

(4)9#煤層停采線附近自然發火危險性較大。停采線周圍遺留大量松散煤體，工作面停采撤架、封閉周期較長，其氧化升溫時間長，因此停采線附近自然發火危險性較大。另外，上層煤停采密閉后，在下分層的繼續開采過程中，其停采線兩端風壓差最大，漏風作用時間長，且為固定地點漏風，因此，上煤層停采線附近自燃危險性最大。

3 聯合開采采空區漏風規律研究

根據現場漏風測定的需要，結合現場巷道布置的具體實際，在現場調查基礎上制定了能位測定測試方案。根據9201工作面和10201工作面布置條件，共選擇測點9個，沿預先選定的測定線路采用逐點測定法測定，具體布置顯示如圖1所示。此時9201工作面剩余推進長度約620 m，在剩余推進長度約290 m處施工1條探巷，且已貫通；10201工作面剩余推進長度約665 m，錯距約45 m。其中進風巷10201工作面滯后9201工作面約42 m，回風巷10201工作面滯后9201工作面約47 m。利用上述儀器對9個測點的絕對靜壓、溫度、相對濕度、密度、風速、風量等進行測算，取井底車場為位能基準面，測算結果如表1所示。

表1 測點參數測定結果

依據測定結果，以井底車場1#測點作為基準，可計算得到各測點相對1#測點能位值。根據計算結果，可以得出9201工作面進風口、進風隅角、回風隅角、回風口的壓能均高于10201工作面各對應點的壓能，同時根據工作面進回風量發現，9201工作面回風量比進風量少了31 m3/min，而10201工作面回風量比進風量多了55 m3/min，因此，華苑煤業近距離煤業開采過程中如果存在漏風，則主要由9#煤層采空區流向10#煤層采空區。

4 示蹤氣體測定漏風技術

4.1 第一次釋放

根據前面能位測定可知，華苑煤業近距離煤層開采過程中如果存在漏風，則主要由9#煤層采空區流向10#煤層采空區，因此，在9#煤層進風隅角瞬時釋放SF6氣體，在10#煤層進風隅角、10#煤層回風隅角和10#煤層束管監測點接收。第一次釋放SF6測定測點布置如圖2所示。釋放地點為9201工作面進風隅角處，此時距開切眼620 m；接收地點為10201工作面進風隅角、回風隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采樣點(此時埋入采空區深度分別約74 m、56 m、38 m、20 m和2 m)。釋放量為5 kg；釋放10 min后進行取樣，之后每隔10 min取樣1次，共15次；風流中氣樣使用吸氣球采樣，束管氣樣使用專用抽氣泵采樣，并用球膽存儲。采樣球使用前在地面進行了3次換氣沖洗，使球膽中完全不含有SF6，并進行氣密性試驗。井下采樣時直接取樣，并立即用彈簧夾子和繩封閉氣嘴，以防漏氣。取樣完成后立即送實驗室進行氣樣分析。

圖2 第一次釋放SF6測定測點布置圖

通過本次SF6瞬時釋放和接收測試結果可知，在7個SF6接收點中僅10#煤層回風隅角接收到了在9#煤層進風隅角釋放的SF6氣體，但其出現的濃度較低，且僅在釋放后80～90 min期間出現，漏風風速約2.5 m/min，說明9#煤層采空區與10#煤層采空區之間由于壓差較小，采空區壓實條件較好，從9#煤層流向10#煤層采空區的漏風通道不暢通，漏風量很小，因此，9#煤層采空區漏風對10#煤層采空區自燃影響不大。

4.2 第二次釋放

為了測試10#煤層工作面采空區漏風狀況，在10201工作面進風隅角釋放SF6氣體，在工作面回風側布置的束管監測點采集氣樣分析，判斷本煤層采空區的漏風范圍及漏風通道，為研究10#煤層采空區漏風規律提供依據。為減少第一次SF6釋放試驗的影響，間隔3 d，待第一次釋放的SF6基本排除完后進行第二次試驗。第二次釋放SF6測定測點布置如圖3所示。釋放地點為10201工作面進風隅角處，此時距開切眼652 m；接收地點為10201工作面回風隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采樣點(此時埋入采空區深度分別約79 m、61 m、43 m、25 m和7 m)。釋放量為10 kg；在釋放10 min后開始采樣，之后每隔10 min取樣1次，共12次。

圖3 第二次釋放SF6測定測點布置圖

根據示蹤氣體的峰值濃度到達采樣點時刻計算風速，漏風軌跡簡化為直線考慮，則第二次釋放各測點的SF6氣體濃度隨時間變化曲線如圖4所示，瞬時釋放SF6測定結果見表2。

由圖4和表2可知，由于10#煤層頂板冒落性較好，1#和2#束管采樣點在釋放110 min后檢測到SF6氣體，但其濃度極小，說明該處漏風通道不暢；3#、4#和5#束管采樣點SF6氣體濃度較高，說明該處漏風通道較好，漏風風速在1.65～2.67 m/min；而在工作面回風隅角SF6氣體濃度最高，且在第一次采樣就檢測到，說明釋放的SF6氣體主要沿工作面及工作面采空區后部未壓實區域流動，該區域也是工作面漏風供氧區域，即工作面自燃危險區域。10201工作面采空區漏風線路如圖5所示。

圖4 第二次釋放各測點的SF6氣體濃度隨時間變化曲線

表2 瞬時釋放SF6測定結果

5 結論

(1)通過能位測定，9201工作面壓能均高于10201工作面各對應點的壓能，華苑煤業近距離煤層開采過程中采空區溝通時如果存在漏風，則主要由9#煤層采空區流向10#煤層采空區。

(2)通過在9201工作面進風隅角瞬時釋放SF6示蹤氣體，在9201工作面進風隅角、回風隅角、1#～5#束管采樣點接收測試結果可知，在7個SF6接收點中僅10#煤層回風隅角接收到了在9#煤層進風隅角釋放的SF6氣體，但其出現的濃度較低，且僅在釋放后80～90 min期間出現，漏風風速約2.5 m/min。表明采空區壓實條件較好，從9#煤層流向10#煤層采空區的漏風通道不暢通，漏風量很小。因此，9#煤層采空區漏風對10#煤層采空區自燃影響不大。

圖5 10201工作面采空區漏風示意圖

(3)通過在10201工作面進風隅角瞬時釋放SF6示蹤氣體，在10201工作面回風隅角、1#～5#束管采樣點接收測試結果可知，在工作面采空區61 m前范圍內由于冒落的巖石未完全壓實，漏風通道較好，是煤自燃的危險區域。10201工作面部分風流沿工作面后方未壓實區流動，建議生產過程中在工作面上下隅角加設擋風簾，以減少向采空區的漏風。