皇后煤業(yè)15105工作面采空區(qū)自燃三帶劃分技術(shù)研究

趙鴻亮

（山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司）

山西煤炭運(yùn)銷集團(tuán)盂縣恒泰皇后煤業(yè)15105 工作面采空區(qū)頂板的不易跨落，導(dǎo)致工作面大量風(fēng)流穿越采空區(qū)，為遺留浮煤和冒空松動(dòng)頂煤的自燃氧化提供了良好條件［1］，一旦發(fā)生自燃火災(zāi)，后果十分嚴(yán)重。因此，開展該采空區(qū)自燃三帶劃分技術(shù)研究，確定采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，用來(lái)指導(dǎo)礦井的防滅火工作，保證工作面安全生產(chǎn)。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

15105 工作面所處水平為810 m，位于15#煤層井田中部，標(biāo)高為790～820 m。工作面傾向長(zhǎng)150 m，走向長(zhǎng)876 m，面積為131 400 m2。15105 綜放工作面位于15#煤層西南部，東部為軌道下山，南部為本礦未采煤田，距井田邊界100 m，西面為陽(yáng)煤興峪煤業(yè)。北部回風(fēng)順槽與15101回采工作面采空區(qū)相鄰，上方對(duì)應(yīng)有9#煤層采空區(qū)。

15105 工作面布置有進(jìn)風(fēng)順槽、回風(fēng)順槽、高抽巷和低位抽放巷4 條巷道，工作面共安裝支架101架。15105 工作面進(jìn)、回風(fēng)順槽及切割巷沿15#煤層底板掘進(jìn)；高抽巷沿12#煤層頂板掘進(jìn)，距15#煤層頂板約54 m；本煤層低位抽放巷沿15#煤層頂板掘進(jìn)，與回風(fēng)順槽內(nèi)錯(cuò)15 m；進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)、高抽巷大致沿煤層的走向布置，工作面切割巷沿煤層傾斜布置。

1.2 煤層情況

煤層厚度最大為8.41 m，最小為6.3 m，平均厚7.51 m。工作面總體位于單斜構(gòu)造上，北高南低，傾角為3°～5°。15#煤層屬石炭系太原組煤層，為穩(wěn)定煤層，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含0～3 層夾矸，有時(shí)有0.5 m 的砂質(zhì)泥巖偽頂。頂板為K2 石灰?guī)r，裂隙發(fā)育，中夾3 層砂質(zhì)泥巖，底板為灰黑色砂質(zhì)泥巖，富含植物化石。煤體硬度系數(shù)為1～1.5，密度為1.4 t/m3，全井田可采。煤層多以亮煤為主，暗煤次之，夾有鏡煤條帶和少量絲炭，屬優(yōu)質(zhì)貧煤。工作面內(nèi)還存在預(yù)測(cè)斷層F1、F2、F3、F4 及預(yù)測(cè)地質(zhì)異常體A1、A2。其中，預(yù)測(cè)斷層F1、F2、F3、F4斷距小于1/2煤厚，局部可能增大，不排除煤層破碎的影響，周圍瓦斯含量不確定，對(duì)回采有一定影響。

2 研究方法

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，采用兩順槽預(yù)埋管路的方法，使用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行氣體采集，氣體成分分析使用氣相色譜分析儀進(jìn)行。通過(guò)計(jì)算采空區(qū)煤自燃極限參數(shù)，根據(jù)煤自燃三帶劃分條件，劃分出煤自燃三帶范圍。

2.1 測(cè)點(diǎn)分布

在距工作面200 m 左右進(jìn)行采空區(qū)氣體成分范圍測(cè)定，間距20 m 設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，保持采空區(qū)內(nèi)部回風(fēng)側(cè)有3 個(gè)測(cè)點(diǎn)、進(jìn)風(fēng)側(cè)1 個(gè)測(cè)點(diǎn)，上下順槽進(jìn)行同時(shí)觀測(cè)［2-5］，日常測(cè)點(diǎn)隨工作面推進(jìn)向前移動(dòng)。待各個(gè)測(cè)點(diǎn)均進(jìn)入采空區(qū)150 m 后或氧氣濃度降至5%左右時(shí)結(jié)束觀測(cè)。

外用2寸鋼管對(duì)觀測(cè)束管進(jìn)行保護(hù)，束管采用單芯管鋪設(shè)。各測(cè)點(diǎn)均需每天組織專人利用手動(dòng)抽氣泵進(jìn)行抽氣檢測(cè)，取氣后送往地面色譜站進(jìn)行色譜分析［6-8］。測(cè)點(diǎn)具體分布如圖1 所示。為了防止采空區(qū)積水堵塞束管，進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)的管路距底板的高度為1m。各測(cè)點(diǎn)在不取氣時(shí)用塑料袋密封好，放置在隱蔽地點(diǎn)，加以保護(hù)［9-11］。

2.2 觀測(cè)探頭布置方法

束管在鋪設(shè)期間，針對(duì)束管采用2寸鋼管作為保護(hù)套管，為了便于區(qū)分不同監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，束管必須進(jìn)行標(biāo)記區(qū)分，束管內(nèi)徑8 mm，使用過(guò)濾式探頭安設(shè)在束管端頭。每根束管負(fù)責(zé)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的氣樣，每個(gè)取氣頭抬高1 m 以上。整個(gè)管路需要盡量貼近煤壁，探頭必須固定在煤壁下方，防止采煤過(guò)程中倒下［12-15］，如圖2所示。

測(cè)試過(guò)程中掌握實(shí)際開采時(shí)采空區(qū)浮煤分布規(guī)律，掌握采空區(qū)氧氣、甲烷、CO 等氣體濃度的分布規(guī)律，同時(shí)記錄工作面日推進(jìn)速度、日回采率、頂板跨落情況、工作面供風(fēng)量［15-16］。

3 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果及分析

3.1 采空區(qū)浮煤分布狀況

15105 工作面放頂煤開采，平均采高2.6 m，放頂4 m。工作面中部回采率在93%左右，15#煤層厚度為6.3～8.41 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察，15105 工作面在監(jiān)測(cè)區(qū)段的15#煤層未放頂回收厚度大致為0.91 m 左右，計(jì)算浮煤厚度時(shí)取0.91 m，采空區(qū)內(nèi)部空隙率可根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定為30%。根據(jù)2019 年11 月份前后觀測(cè)的工作面頂煤厚度以及工作面的回采率推斷出采空區(qū)平均浮煤厚度及寬度，采空區(qū)中部范圍內(nèi)的浮煤厚度為1.18 m。兩順槽的遺煤厚度計(jì)算結(jié)果為3.67 m。

3.2 工作面推進(jìn)情況

現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)從2020 年5月5 日至2020 年6月20 日，工作面總共推進(jìn)117 m，采空區(qū)觀測(cè)結(jié)束，每日推進(jìn)距離平均為2.4 m/d左右。

3.3 采空區(qū)不同氣體濃度及漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

3.3.1 采空區(qū)不同氣體濃度分布

按照既定方案，埋管及測(cè)點(diǎn)布置完成后，從2020年5月5號(hào)開始對(duì)1#和4#測(cè)點(diǎn)進(jìn)行取氣分析，6月20號(hào)完成現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)。根據(jù)每天的氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)，得出進(jìn)、回風(fēng)側(cè)氧氣濃度隨埋深的變化趨勢(shì)如圖3、圖4所示。

由圖3可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)的氧氣濃度隨著埋深的增加而逐漸降低，且下降速度有一個(gè)從平緩下降到快速下降的趨勢(shì)。由圖4 可知，選取的1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)的氧濃度變化規(guī)律也是隨著埋深的增加而逐漸降低；與進(jìn)風(fēng)側(cè)不同的是氧濃度下降速度隨著埋深的增加并沒有明顯的加快，而是較為平穩(wěn)地下降。這是因?yàn)榛仫L(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度較進(jìn)風(fēng)側(cè)有所降低。

對(duì)比圖3 與圖4，回風(fēng)側(cè)氧氣濃度下降速度較進(jìn)風(fēng)側(cè)快一些。以進(jìn)風(fēng)側(cè)4#測(cè)點(diǎn)與回風(fēng)側(cè)1#測(cè)點(diǎn)作比較，4#測(cè)點(diǎn)在埋深51 m 時(shí)氧氣濃度為18.98%，而1#測(cè)點(diǎn)在相同埋深時(shí)的氧氣濃度為18.09%；4#測(cè)點(diǎn)在埋深105 m 時(shí)氧氣濃度14.13%，而1#測(cè)點(diǎn)在相同埋深時(shí)的氧氣濃度為13.24%。造成這種情況的原因是回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度低于進(jìn)風(fēng)側(cè)，使得回風(fēng)側(cè)浮煤與氧氣發(fā)生復(fù)合氧化反應(yīng)的時(shí)間增加，同時(shí)新鮮空氣從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)經(jīng)歷了一定程度的消耗。

3.3.2 工作面采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

通過(guò)實(shí)際測(cè)定的氧濃度分布反推漏風(fēng)強(qiáng)度［17-18］。假定漏風(fēng)流僅沿一維流動(dòng)，當(dāng)松散煤體內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度恒定不變時(shí)，可求出漏風(fēng)強(qiáng)度與氧濃度關(guān)系

根據(jù)皇后煤業(yè)15105 工作面煤層煤樣自燃性實(shí)驗(yàn)測(cè)試，煤樣在34.8 ℃下所對(duì)應(yīng)的耗氧速度為3.766 033×10-10mol/（s·cm3），利用已測(cè)得的采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，結(jié)合式（1）可推算出進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度，其與推進(jìn)距離關(guān)系如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，15105工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度隨工作面推進(jìn)不斷降低，在距工作面75m 范圍內(nèi)，漏風(fēng)強(qiáng)度變化最大，漏風(fēng)強(qiáng)度在第一個(gè)測(cè)點(diǎn)達(dá)到最大值，之后不斷下降，最后趨于平緩。在采空區(qū)深度相同位置，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度普遍明顯高于回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度，這與之前分析的現(xiàn)場(chǎng)氧濃度隨埋深變化情況相同，再次表明了進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量大于回風(fēng)側(cè)。

4 皇后煤業(yè)15105采空區(qū)三帶劃分

采空區(qū)中的遺煤自燃必須具有一定厚度的浮煤，浮煤氧化產(chǎn)生的熱量得以積聚；要有足夠的氧氣濃度，以使浮煤產(chǎn)生足夠的氧化熱，用來(lái)提供煤體升溫所需熱能；漏風(fēng)強(qiáng)度不宜過(guò)大，以免產(chǎn)生的熱量被風(fēng)流帶走。根據(jù)15#煤層的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和理論分析得知：

（1）在起始溫度為20 ℃時(shí)，煤層實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為94 d，以礦井實(shí)際溫度20 ℃為起始溫度，則煤層最短自然發(fā)火期為94 d。

（2）下限氧濃度在50 ℃左右，只要氧氣濃度低于此溫度的下限氧濃度，浮煤就不會(huì)自燃。浮煤厚度小于0.418 m 時(shí)，下限氧濃度值大于21%（體積分?jǐn)?shù)），浮煤不會(huì)自燃。浮煤厚度增加，下限氧濃度值迅速降低。

按照皇后煤業(yè)15105 工作面的實(shí)際情況，以推進(jìn)速度為2.4 m/d 來(lái)計(jì)算，推進(jìn)長(zhǎng)度達(dá)到184 m，需推進(jìn)77 d，由煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)煤樣溫度升至60 ℃，當(dāng)采空區(qū)浮煤厚度為1.18 m時(shí)，下限氧濃度為4.26%，當(dāng)氧濃度低于此值時(shí)，浮煤不會(huì)自燃，故采用漏風(fēng)強(qiáng)度0.014 cm3/（s·cm2）及下限氧濃度4.26%作為劃分皇后煤業(yè)15105 工作面采空區(qū)煤自燃三帶的界限，以此提高三帶劃分的可靠性，以便采取預(yù)防措施，更好地預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)測(cè)點(diǎn)氧濃度觀測(cè)結(jié)果及其趨勢(shì)線劃出的采空區(qū)三帶分布如圖7所示。

5 結(jié) 論

（1）確定了皇后煤業(yè)15105 采空區(qū)隨著埋深的增加，氧濃度不斷下降，工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度隨工作面推進(jìn)不斷降低，在距工作面125 m 范圍內(nèi)，漏風(fēng)強(qiáng)度變化最大，之后不斷下降，最后趨于平緩。漏風(fēng)強(qiáng)度在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)最高，中部次之，在回風(fēng)側(cè)最低。漏風(fēng)強(qiáng)度從進(jìn)風(fēng)側(cè)經(jīng)采空區(qū)中部至回風(fēng)側(cè)不斷遞減。

（2）參考15#煤層自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果確定了采空區(qū)自燃三帶的分布范圍。