綜采工作面采空區(qū)“三帶”觀測及分析

姬 凡

（陜西有色榆林煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000）

引言

采空區(qū)漏風是導致采空區(qū)遺煤自燃的主要原因。在正常回采期間，為了確保綜采面采空區(qū)浮煤不發(fā)生自燃，杭來灣煤礦劃分煤自燃“三帶”，即散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶，同時根據(jù)確定的危險區(qū)域針對性的采取采空區(qū)注氮、堵漏風等防治措施。本文根據(jù)杭來灣礦30105工作面開采過程中的開采厚度以及采空區(qū)實際的遺煤情況，采用現(xiàn)場觀測的方法并確定實際條件下杭來灣礦30105綜采面“三帶”分布規(guī)律和自燃危險區(qū)域，為該工作面采空區(qū)自燃火災防治提供依據(jù)。

1 自燃“三帶”觀測方法

1.1 工作面概況

杭來灣煤礦30105工作面位于首采盤區(qū)（一盤區(qū)），在井田的東北部。工作面西北側為主回撤通道，東北側為30105工作面回風順槽和30104工作面采空區(qū)，西南側為30105工作面膠運順槽，東南側為30105工作面切眼。工作面長度4313.3m，寬度299.1 m，煤層平均厚度9.2 m，設計采高5.0 m。煤層具有自然發(fā)火傾向，最短自然發(fā)火期為52 d[1-2]。

1.2 采空區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測方法

采空區(qū)的氣體觀測采用兩順槽預埋管路的方法，同時布置束管與溫度測點，氣體采用負壓抽氣泵取樣進行色譜分析。設計采空區(qū)測定范圍為225 m，每間隔75 m設一個測點，進、回風順槽各設置3個測點，分別編號1~6號。根據(jù)工作面回采進度，待測點進入采空區(qū)后開始進行連續(xù)觀測。后根據(jù)現(xiàn)場情況采空區(qū)兩側各補加100 m管路，兩側總計325 m。具體分布如圖1所示。

2 監(jiān)測結果及分析

2.1 采空區(qū)浮煤分布狀況

杭來灣礦30105工作面設計采高5 m、回采率93%，工作面每日推進速度平均在17.7 m/d。通過查看采空區(qū)表明，空區(qū)存在部分遺煤，局部厚度達到0.5 m。一是采空區(qū)遺煤厚度達到一定程度，二是浮煤氧化產(chǎn)生的熱量能夠很好地被儲存；三是氧氣濃度能夠保證氧化持續(xù)；四是漏風強度不能過大，以免產(chǎn)生的熱量讓風流帶走[3-4]。

2.2 采空區(qū)氧氣氣體濃度規(guī)律

煤體周邊氧氣濃度較高，導致遺煤產(chǎn)生緩慢氧化，并生成部分反應熱，是導致熱量積聚的主要原因。30105工作面氧氣濃度檢測結果如圖2、圖3所示。

由圖2可知，1號測點埋深達到310 m左右時氧氣濃度可達19%，2號測點埋深達到200 m時氧濃度依然高于19%。表明該采空區(qū)進風側存在漏風問題，通過分析表明漏風原因包括兩個方面：采空區(qū)進風側頂板垮落不及時導致導致采空區(qū)的孔隙較大；采用混凝土及黃土的密閉不嚴[5-6]。

由圖3可知，三個測點中氧濃度最先降到15%的是4號測點，4號測點進入采空區(qū)120 m時，氧氣濃度為15%。該工作面回風氣體中氧濃度較高，但與進風側相比氧氣降低較快，空區(qū)回風側的漏風量相對較小。

2.3 采空區(qū)漏風強度分布規(guī)律

采用氧氣濃度測算法對松散媒體的漏風強度進行核算，該方式具有誤差小、計算精度高的特點，計算公式如（1）式所示。

根據(jù)30105工作面煤樣自燃性實驗測試，測定的耗氧速度為1.150 76×10-10mol/（s·cm3），結合式（1）可推算出進、回風側的采空區(qū)漏風強度與推進距離的關系如圖5和6所示。

通過對圖4和5分析可知，該工作面進、回風側漏風強度與工作面推進深度呈反比，在距工作面50 m之內(nèi)的漏風強度較大，在50～100 m范圍之內(nèi)漏風強度顯著降低，并在150 m左右開始趨于平緩，進風側漏風強度明顯普遍高于回風側。根據(jù)漏風強度的分析結果可知，進風側漏風嚴重，這應當是防滅火工作的重點區(qū)域[7-8]。

3 采空區(qū)煤自燃“三帶”分布

根據(jù)30105綜采工作面現(xiàn)場監(jiān)測結果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場采空區(qū)遺煤分布不均勻，漏風嚴重，考慮到實驗誤差及安全性，采用普遍接受的的氧濃度為18%及5%作為杭來灣礦“三帶”的劃分界限。當氧氣含量大于18%時，劃定為散熱帶；當氧濃度介于5%～18%時，劃定為升溫帶；當氧濃度于10%時，劃定為窒息帶[9-12]。根據(jù)現(xiàn)場氧濃度的監(jiān)測結果劃定采空區(qū)“三帶”如圖6所示。

由圖6可知，進風側散熱帶最深處距工作面350m，最淺處距工作面170 m，回風側散熱帶最深處距工作面205 m，最淺處距工作面50 m，由此可知，采空區(qū)進風側散熱帶寬度大于回風側，這是因為進風側漏風嚴重，遺煤氧化熱量散失量大于回風側。受風流的影響，進風側窒息帶最深處距工作面480 m處，最淺距工作面300 m，回風側窒息帶最深處距工作面460 m，最淺處距工作面265 m，由此可知回風側窒息帶寬度大于進風側[13-15]。根據(jù)現(xiàn)場觀測結果，取中間值即2號測點及5號測點結果，確定杭來灣礦30105工作面采空區(qū)三帶現(xiàn)場觀測結果如表1所示。

表1 30105采空區(qū)現(xiàn)場觀測自燃“三帶”范圍 m

4 30105采空區(qū)極限推進速度

通過對采空區(qū)氧濃度變化曲線的分析，回風側散熱帶至窒熄帶氧濃度均值=12.5%。實驗氧氣濃度與實際氧氣濃度的相似比例系數(shù)計算公式如式2所示。

30105工作面遺煤的最短自然發(fā)火期τmin=52 d，則極限推進速度

因此，當工作面推進速度大于4.12 m/d時，采空區(qū)遺煤的發(fā)火危險性較小；當工作面推進速度小于4.12 m/d，采空區(qū)自燃發(fā)火風險較高，必須采取相應防滅火技術措施。

5 結論

1）由于進風側的漏風強度較大的緣故，進、回風側氧氣濃度降低幅度存在較大差異，具體表現(xiàn)為回風側氧氣濃度的下降幅度較進風側下降幅度大。

2）以O2作為指標氣體，通過束管檢測系統(tǒng)，有效對30105采空區(qū)遺煤自燃“三帶”進行劃分。采空區(qū)進風側：散熱帶與氧化升溫帶的臨界點為270 m，氧化升溫帶與窒息帶的臨界點為360 m；采空區(qū)回風測：散熱帶與氧化升溫帶的臨界點為130 m，氧化升溫帶與窒息帶的臨界點為305 m。

3）計算得出30105工作面日推進速度大于4.2 m的情況下，采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃的可能性較小。