煤層工作面采空區自燃“三帶”劃分探討

文/李文軍，淮北礦業股份有限公司童亭煤礦

1 引言

煤炭自燃火災是礦井常見主要災害之一。我礦童亭煤礦現在正在回采的工作面有109采區的1098工作面、1011采區10112工作面。其中陳樓塊段10煤層的自燃傾向性經鑒定均為Ⅱ類，因而工作面采空區內由于遺煤堆積容易成為安全生產的隱患。

2 研究內容

2.1 主要研究內容

2.1.1 研究煤層煤氧化過程中生成的氣體與煤溫之間的關系，篩選預報煤層自然發火的標志氣體，確定預報臨界參數，建立指標氣體與煤溫的對應關系；

2.1.2 測定工作面采空區內部溫度、氣體濃度隨著工作面推進的變化規律，確定工作面采空區自燃“三帶”；

2.2 研究目標

2.2.1 確定煤層層自燃早期預報的指標氣體及其預報臨界參數；

2.2.2 查明工作面采空區自燃“三帶”寬度；

2.2.3 掌握工作面采空區自燃規律。

2.3 技術路線

2.3.1 通過對相鄰礦井開采同類煤層的自然發火規律調查，并進行現場調研，分析煤炭自燃的發生規律及其影響因素；

2.3.2 現場采集煤樣，通過實驗測試研究，對煤層的自然發火危險性、氧化特性和自燃傾向性進行鑒定評價；

2.3.3 研究煤層氧化升溫過程中各種氣體的生成規律，確定工作面煤自燃預測預報標志氣體；

2.3.4 進行工作面采空區自燃“三帶”測定，研究采空區自燃規律；

3 研究方法

3.1 “三帶”劃分指標及方法的確定

目前，確定劃分“三帶”的指標主要有三種：

①采空區漏風風速V（V>0.24m/min為散熱帶；0.24≥V≥0.1m/min為自燃帶；V＜0.1m/min為自窒息帶）；②采空區氧濃度（C）分布（認為C＜6%為窒息帶，C≥6%為自燃帶或散熱帶）；煤的氧化反應順利進行的前提條件是的供氧速度大于耗氧速度，否則則氧化過程將受到抑制；③溫度升高速率。在較長的一段時間內采空區遺煤溫升速度1℃/d，則為自燃帶。

3.2 測試系統簡介

3.2.1 測試系統功能設計

本系統主要是通過現場測試的方法研究劃分采空區自燃“三帶”的參數。系統具有以下功能：

1）測試采空區距工作面不同距離處遺煤溫度，研究采空區中煤溫隨距工作面距離變化規律；2）采集采空區距工作面不同距離處氣樣，研究采空區中氧氣濃度等氣體參數隨距工作面距離變化規律；3）通過采空區中遺煤溫度和氧氣濃度隨距工作面距離變化規律，確定采空區三帶形態和劃分方法。

3.2.2 測試方法的選擇

采用集成溫度傳感器AD590對測點的溫度進行測定。

在采空區中預埋束管對測點的氣體進行定時采集。氣樣在實驗室用氣相色譜儀進行分析。

3.2.3 溫度測試系統簡介

測溫系統由溫度傳感器、導線和測溫儀表組成。其中，選用AD590集成溫度傳感器，其系統工作原理：利用二次儀表電路產生一個與絕對溫度成正比的電流輸出，作為溫度電流轉換，該轉換器能在4～30V電壓范圍內工作，相當于一個能產生1μA/K的高阻電流源。

3.2.4 氣體測試系統簡介

測點的氣體通過抽氣泵罐裝在取樣袋中，在井上氣體分析室內進行氣體成份分析。研究采空區中測點的氧氣、瓦斯和CO等氣體濃度隨著工作面推進的變化規律。

抽氣系統與設備主要包括：

1）抽氣束管。本次試驗所選用的束管為：礦用抗靜電阻燃聚乙烯束管，型號:PE-ZKW-8mm×5，抗靜電等級:≤1060Ω/m，阻燃性能：有焰燃燒單根≤10s，無焰燃燒單根≤20s；適用于煤礦井下。

束管一端為測點，另一端與抽氣泵相連。

束管有不同的顏色。為便于準確地區分測點，安裝時將記下通向各測點束管的顏色。

2）抽氣泵。井下氣樣采集儀器用CFZ22（A）型為煤礦井下專用的防爆型氣體自動負壓采樣器，采樣器距離技術參數：

3）氣相色譜儀。本次對所采集的采空區氣體分析儀器采用氣相色譜儀。

3.2.5 測試系統的保護

為了防止溫度傳感器、測溫導線及預設氣體取樣管被采空區冒落的煤巖砸壞，需要在回采工作面以及鋪設導線的順槽內設置保護套管，將測溫導線和氣體取樣管設于保護套管內。

1）順槽保護套管。順槽保護套管設在回風順槽內，可利用原有4〞注漿管或2吋鋼管作為測溫導線和氣體采取管的保護套管。

2）工作面保護套管。工作面保護套管采用2吋鋼管，每4m為一節。套管間的連接采用快速接頭。

3）采樣器及取樣管頭的保護。為了防止AD590溫度傳感器被采空區冒落的煤巖砸壞和取樣膠管被壓實或被粉煤堵塞導致無法抽取氣樣，應對AD590溫度傳感器和預設取樣管頭進行保護。

4）保護管套的位置。為了不干擾正常的工作面生產和運輸，保護套管的鋪設位置為：

①回風順槽的保護套管，沿回風順槽鋪設在外側底部；

②回采工作面的保護套管沿回采工作面鋪設在液壓支架后部運輸溜子靠采空區側，在放頂清理浮煤后進行鋪設工作。

3.3 工作面測點布置

由于液壓支架排列較緊密，才空區無法鋪設管路，測點只能布置在機風巷位置。鋪設方法：將2吋無縫鋼管截成每根4m長，兩端焊接快速接頭，套管沿兩部架子之間的空隙放入架后的空間，再將束管管纜和測溫導線一齊穿入套管內，套管之間用快速接頭連接牢固，采樣器探頭部位用坑木加以保護。

3.4 采空區“三帶”實測與分析

1）測定時間。正常情況下每日測取一次溫度和氣體成份數據，早班入井測定。若有異常，則根據具體情況而定，可在異常測點每日測取2-3次數據。通過束管系統直接抽取氣樣送入氣相色譜儀分析并每日測定溫度一次，從而得出隨工作面推進采空區的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重烴氣體的濃度變化規律。2）考察內容。在煤礦正常回采通風的條件下，進行回采工作面的煤氧化溫度及氣體成份規律、煤炭氧化自燃“三帶”及煤炭氧化自然規律考查。3）記錄每日工作面的推進速度，以便推算測點距工作面的距離。

4 結束語

論文圍繞采空區自燃“三帶”劃分，簡單介紹了劃分的方法和內容，將對我礦采空區自燃“三帶”劃分項目實施有指導作用。