Y型通風抽采條件下采空區自燃“三帶”研究

張清清

(1.中煤科工集團 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)

采空區遺煤自燃在礦井火災中占很大比例，是礦井內因火災的主要表現形式，嚴重威脅礦井的安全生產[1]。采空區自燃“三帶”分布規律是科學制定采空區防滅火措施的主要依據[2]。近年來，國內外專家學者對不同條件下的采空區自然發火及采空區自燃“三帶”的測定進行了大量研究。白銘波等[3]研究了U型通風綜采工作面的采空區自燃“三帶”分布情況；付田田等[4]研究了易自燃特厚煤層綜放開采工作面U型通風條件下，采空區自燃“三帶”分布情況；張清清[5]研究了偏W型通風條件下，采空區自燃“三帶”分布情況；桂小紅等[6]對綜放工作面Y型通風條件下采空區自燃“三帶”分布規律進行了研究。對于采用沿空留巷工藝的高瓦斯厚煤層回采工作面來說，采空區插管抽采是治理回采工作面瓦斯超限的常用手段，但在抽采負壓的疊加作用下，采空區的漏風將會更加嚴重[7]，這為采空區遺煤自燃提供了極為便利的條件。本文在前人研究的基礎上[8-10]，以神磊煤業150202回采工作面為研究背景，通過現場實測的方法，對回采工作面沿空留巷Y型通風在采空區插管抽采條件下采空區的自燃“三帶”分布規律進行了實測，測定結果對回采工作面采空區防滅火措施的制定及瓦斯抽采參數優化具有指導意義。

1 工作面概況

1.1 工作面基本情況

150202工作面可采走向長度1 200 m，工作面切眼長度150 m.根據礦井生產地質報告和現場揭露情況來看，工作面地質條件相對簡單，層位穩定，起伏變化不大，圍巖穩定性較好。工作面區域15號煤層厚度5.39～7.60 m，平均6.11 m，煤層結構較簡單，實測工作面區域殘余瓦斯含量5.58 m3/t，預測工作面最大絕對瓦斯涌出量為35.37 m3/min，相對瓦斯涌出量為7.64 m3/t，瓦斯來源主要是鄰近層及采空區。工作面區域煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類自燃煤層。工作面采用綜采放頂煤采煤方法，全部垮落法管理頂板，采用沿空留巷技術，工作面通風方式為Y型通風，運輸巷道和軌道巷進風，回風巷回風。

1.2 工作面瓦斯抽采情況

150202工作面采空區選用插管方法進行瓦斯抽采，具體施工方法為：在工作面回風巷靠采空區一側打設封堵墻，墻體厚度0.5 m，從回采推進56 m處開始，以后每5 m在封堵墻內留設1根長度為0.8 m的D325 mm抽放管，回風巷內敷設D426 mm瓦斯抽采支管，利用長度為2.5 m的D325 mm可伸縮軟管將封堵墻上預留的抽放管與D426 mm抽放管留設的三通進行連接，并按規定要求加裝閥門，形成抽采系統，對采空區瓦斯進行抽采。當工作面推過封堵墻上最前面的抽采管10 m后開始抽采，推過150 m后關閉閥門，停止對采空區的瓦斯抽采。

2 采空區自燃“三帶”觀測

2.1 采空區測點布置

為研究Y型通風及瓦斯抽采共同作用下工作面采空區自燃“三帶”的分布情況，在150202工作面軌道巷布置1號、2號、3號測點，測點間距40 m.在回風巷內利用沿空留巷的便利條件，布置4號、5號、6號測點，測點間距40 m.隨著工作面的推進，各測點逐步埋入采空區，如圖1所示，其中，4號測點距離留巷巷幫10 m，5號測點距離留巷巷幫80 m，6號測點距離留巷巷幫110 m，每個測點均為一個束管氣體監測點，束管用DN50無縫鋼管進行保護。為了防止采空區積水堵塞束管，每個采樣頭抬高1 m，將DN50無縫鋼管兩端分別焊接法蘭用以保護鋼管的快速連接，再將束管一起穿入鋼管內，每個測點安裝1個采樣器。采樣器的做法如圖2所示，上部焊鐵板封堵，防止水和煤渣掉入采樣器，采樣器側壁打設進氣孔，方便采集采空區氣體，在采樣器下部用密閉材料密封，防止采空區有毒有害氣體通過保護鋼管涌出，同時為避免各測點被頂板垮落的矸石壓壞，保護鋼管放實，在安設測點時專門搭設保護木垛。

圖1 工作面采空區自燃“三帶”測點布置示意(m)

圖2 采樣器制作示意

2.2 觀測結果分析

測點布置完畢后隨工作面推采，各測點逐步進入采空區，并從測點埋入采空區開始用采氣泵進行采氣觀測，采氣周期為1天1次，氣體采集以后帶到地面，利用氣相色譜儀分析氣體組分。

2.2.1 O2濃度測定結果及分析

采空區O2濃度是分析采空區自燃 “三帶”分布最常用的指標，O2濃度與遺煤的氧化能力、采空區的煤巖垮落密實度、采空區漏風等密切相關。根據現場實測數據，繪制出工作面進風側和回風側O2濃度隨工作面距離變化關系，如圖3所示。

圖3 采空區O2濃度隨推進距離的變化規律

從圖3(a)可以看出，隨著工作面向前推進，軌道巷側采空區3個測點O2濃度變化規律基本一致，均呈不斷下降的趨勢，在工作面推進50 m時，采空區O2濃度降至18%以下；當推進至150 m時，O2濃度降至8%以下，隨著工作面的繼續推進，O2濃度進一步降低，最終穩定在4%左右。

從圖3(b)可以看出，位于回風側的4號測點開始階段O2濃度下降非常緩慢，這是因為4號測點距離留巷巷幫僅10 m，且150202工作面回采期間，采空區沿空留巷一側采用了插管抽采的方法對采空區瓦斯進行抽采，在抽采負壓的作用下，加大了留巷巷幫的漏風量，致使4號測點O2濃度下降緩慢，工作面推進150 m以后，停止了對采空區的瓦斯抽采，4號測點O2濃度開始快速下降，最后穩定在5%左右。5號、6號點均位于采空區中部，變化規律基本一致，均呈不斷下降趨勢。在工作面推進70 m時，采空區中部O2濃度下降至18%.當工作推進至160 m時，采空區中部O2濃度下降至8%，隨后O2濃度持續下降，最終穩定在5%.

2.2.2 CO濃度測定結果及分析

CO 濃度變化可以作為初期采空區遺煤氧化程度的標志，CO濃度越高，表明遺煤氧化程度越劇烈。軌道巷側與回風巷側CO濃度隨工作面距離變化關系如圖4所示。

圖4 采空區CO濃度隨推進距離的變化規律

由圖4(a)可以看出，軌道巷側采空區各測點CO濃度總體呈現先升高再降低的趨勢。從CO濃度隨推進距離的變化規律可以看出，各測點埋入深度較淺時，CO濃度變化不大；當各測點埋入采空區深度超過50 m以后，CO濃度開始大幅度上升；隨著工作面的繼續推進，CO濃度不斷波動上升，當各測點進入采空區160 m以后，CO濃度開始快速下降。

由圖4(b)可以看出回風巷側CO濃度隨推進距離的變化規律，4號測點CO濃度埋入深度在150 m以前相對較小，這是因為4號測點距離留巷巷幫較近，在留巷巷幫一側設置了抽放管，在抽采負壓的作用下，4號測點處于散熱帶，所在區域幾乎不產生CO.此外，在抽采負壓的作用下，采空區中部氧化產生的CO大部分被抽走，致使此處CO濃度較低。4號測點埋入150～210 m期間，CO濃度相對較大，這是因為工作面推過150 m以后，停止了對采空區的瓦斯抽采，4號測點采空區區域O2濃度快速下降，該區域重新進入氧化帶，采空區遺煤自燃產生CO；測點埋入210 m以后，O2濃度降至8%以下，采空區遺煤自燃速度下降，CO濃度因此再次降低，最終穩定在2×10-6左右。5號、6號測點位于采空區中部，工作面埋入深度小于70 m時，CO濃度變化不大；當測點埋入深度大于70 m時，CO開始大幅增高；當工作面推過160 m時，開始大幅下降至8%以下。

2.2.3 O2和CO濃度測定結果對比分析

通過將CO濃度與O2濃度的變化對比分析可知，CO濃度的變化與采空區O2濃度的變化密切相關。當采空區O2濃度在8%～18%之間時，CO濃度較高，這是因為O2濃度在此區間時，遺煤氧化速度較快，產生的CO的量相對較多；當采空區O2濃度小于8%或大于18%時，CO濃度相對較低，這是因為采空區遺煤不具備氧化條件，產生的CO的量較少。因此，分析CO濃度也能夠在一定程度上提高采空區自燃“三帶”劃分的準確性。

3 采空區自燃“三帶”的確定

根據自然發火期的特點以及參考國內外的采空區自燃“三帶”的劃分標準，神磊煤業采用O2濃度作為采空區自燃“三帶”主要劃分依據，O2濃度大于18%為“散熱帶”，O2濃度8%～18%為“氧化帶”，O2濃度小于8%為“窒息帶”[11-13]。

根據上述標準，結合150202工作面采空區自燃“三帶”所測數據，分析得出采空區進回風側及采空區中部2個測點的自燃“三帶”范圍，如表1所示。

表1 150202工作面采空區自燃“三帶”范圍

依據150202工作面采空區自燃“三帶”范圍，以氧濃度8%和18%為等值線，得出150202工作面采空區自燃“三帶”分布范圍，如圖5所示。

圖5 150202工作面采空區自燃“三帶”范圍圖(m)

由圖5可以看出，由于在回風巷巷幫預埋了瓦斯抽采管，對采空區進行瓦斯抽采，導致采空區漏風增加，在采空區停止抽采前，回風巷留巷巷幫側采空區無法進入窒息帶，因此造成在工作面三帶劃分中產生“拖尾”現象，影響采空區自燃“三帶”的穩定性。因此在工作面回采過程中，在保證工作面瓦斯安全的前提下，應降低采空區插管抽采范圍，從而保證工作面采空區自燃“三帶”的穩定性。

4 結 語

1) 通過對CO及O2濃度的研究分析，得到了神磊煤業150202工作面采空區自燃“三帶”的分布范圍。

2) 工作面采用Y型通風，且在留巷巷幫采用插管抽采的瓦斯治理方法，加大了回風巷側散熱帶的寬度，在工作面三帶劃分中產生“拖尾”現象。

3) 在保證回采工作面瓦斯安全的前提下，應降低回采工作面采空區插管抽采范圍，從而保證工作面采空區自燃“三帶”的穩定性。