庞庄煤矿采空区“三带”范围确定及防灭火技术研究

谢中朋

(1.中国矿业大学资源与安全工程学院，北京 100083;2.首都经济贸易大学安全与环境工程学院，北京 100070)

0 引言

采空区是煤矿井下主要灾害源之一，许多重大灾害事故的发生几乎都与采空区某些因素有关。随着采矿技术的发展，工作面采空区遗煤自然发火危险性将越来越大。近年来，随着高产高效新技术的不断发展，矿井开采强度加大，采空区范围不断扩大，特别是综放开采易自燃煤层，采空区留有大量浮煤，使得采空区煤层自燃防灭火成为决定综放开采能否成功的关键因素。分析工作面采空区遗煤的自燃氧化状况，判定实际条件下工作面采空区“三带”分布规律，自燃危险区域范围及其形态［1］。对于确定回采工作面的通风方式，优化回采工作面的通风参数，确定回采工作面的安全推进速度，确保采空区遗留浮煤不出现自燃危险等，皆具有十分重要的现实意义［2］。

1 工作面概况

庞庄矿7431工作面煤层属7#煤，其煤层厚度变化范围为2～5m、平均厚度3.5m。工作面顺槽走向长度1200.7m、倾斜长120m左右。工作面通风采用“U”型通风方式。根据矿井瓦斯鉴定等级，庞庄矿属于高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，煤层具有自然发火倾向性，自燃等级为Ⅰ类或Ⅱ类，即容易自燃或自燃，煤层自然发火期一般为5～12个月，最短为1～3个月。

2 采空区“三带”划分

随着工作面向前推进，由于矿山压力的作用，当煤体由冒落松散区(散热带)逐渐进入顶板离层区时，冒落岩块开始承压，并逐渐压实，其孔隙率降低，风阻增大，漏风强度处于易于遗煤自燃氧化的状态，该段温度显著上升、氧气浓度下降、一氧化碳浓度大增(氧化带)［3］。随着工作面进一步向前推进，当冒落岩块逐渐压实进入压实区时，由于漏风的减少，氧气浓度难以维持遗煤自燃，原处于自燃状态的遗煤，也因为缺氧而窒息，此时温度也开始缓慢下降、一氧化碳浓度逐渐趋缓(窒息带)［4］。

另外，由于采空区进风巷侧处于新鲜漏风流中，所以氧气浓度下降较慢;而回风巷侧处于漏风汇中，风流沿途受到氧化及生成气体的涌入，氧气浓度下降较快，一氧化碳浓度则相对较高。其三带分布示意图如图1所示。

图1 采空区自燃危险区域静态分布图

3 采空区“三带”范围实测及分析

3.1 束管取样分析系统的建立

庞庄矿7431工作面倾向长120m，分别在进、回风侧布置2个测点，每个测点埋设一根束管，(随着工作面的逐步推进，4个测点分别先后进入冷却带、自燃带和窒息带)。在抽气站用防爆抽气泵抽取气体，取样气体成分用中国矿业大学自燃模拟实验室专用色谱仪进行处理分析。取样测点布置示意图如图2所示。

图2 7431工作面测温取样测点布置示意图

3.2 采空区“三带”宽度的确定

通过对4个测点O2和CO浓度沿采空区走向变化情况进行综合分析，进风侧的1号点、2号点，回风侧4号点、5号点O2和CO浓度变化趋势如图3图4所示。

图3 O2浓度随采空区深度关系图

1)从图3、图4可以看出进风侧氧气浓度明显高于回风侧，而进风侧CO浓度明显低于回风侧，这主要是因为进风侧漏风大，不断有新鲜风流补充来稀释CO的浓度，并带走一部分热量，而回风侧CO浓度高是由于回风侧氧化更剧烈消耗大量氧气，同时采空区内部发生煤炭氧化后产生的CO随漏风流不断的聚积到回风巷导致的。

2)随工作面的推进采空区O2浓度呈逐渐下降趋势，CO浓度逐渐增大。综合分析采空区氧气、一氧化碳变化，采用氧浓度划分煤炭氧化自燃“三带”的指标参数:(O2)＞19%为散热带，15%＜(O2)＜19%为自燃带，(O2)＜15%为窒息带。依据氧浓度法及CO浓度变化，采用MIN－MAX优化理论［5］，即根据氧气浓度法和参照CO浓度的划分，散热带取二者中的最小值，自燃带取二者中的最大值，得出采空区“三带”的范围，如表1、表2所示。

表1 依O2/CO浓度大小划分采空区“三带”分布表

表2 工作面采空区“三带”范围表

4 采空区防灭火措施

4.1 三相泡沫的防灭火机理

中国矿业大学研制出了防治煤炭自燃的三相泡沫防灭火新技术［6］。三相泡沫防灭火技术集固、液、气三相材料的防灭火性能于一体，充分利用粉煤灰或黄泥的覆盖性、氮气的窒息性和水的吸热降温性进行防灭火［7］。现场应用表明，三相泡沫防灭火技术对一般采空区煤炭自然发火、大型火区及火源位置不明区域、综放工作面的高位及巷道高冒火区、倾斜俯采综放工作面采空区煤炭自然发火的治理和预防，效果相当显著［8］。其灭火机理如下:

1)包裹煤体，隔绝氧气，封堵漏风通道与煤体裂隙;

2)吸热降温，降低煤体和周围环境的温度;

3)降低采空区氧气浓度，抑制煤的氧化，窒息自燃的煤体;

4)润湿煤体，增加煤体的湿度;

5)抑制煤体自由基的产生，阻断已有自由基和官能团的链式反应［9］。

4.2 注三相泡沫的工艺程序

4.2.1 三相泡沫的制备

制好合适浓度的浆液后，首先在注浆站提前供给10min的清水，冲洗注浆管路;接着开始注泥浆;当浆液达到注发泡剂的地点后，启动螺杆泵，将发泡剂按定量比加入到注浆管路之中;当浆液和发泡剂的混合液到达发泡器后，打开气体阀门开始供气，此时形成的三相泡沫注入需要防灭火的区域，三相泡沫灌注流程如图5所示［10］。

4.2.2 注三相泡沫

在工作面的进风侧沿采空区埋设5～10 m长度的厚壁钢管作为注泡沫管路，其移动主要利用工作面的液压支架作牵引，注泡沫管随着工作面的推进而移动。注泡沫口位置应伸入到工作面采空区自燃带内，即距工作面后部溜子5～10 m的范围。

图5 三相泡沫灌注流程图

5 结论

1)随着工作面不断向前推进，采空区各测点的氧气浓度逐渐降低，采空区自燃“三带”也在不断前移。

2)对7431工作面采空区进行氧浓度及CO浓度实测，利用MIN－MAX优化理论确定了工作面采空区“三带”的宽度，从工作面向采空区深部0～27 m为散热带，27～106 m为氧化带，大于106m为窒息带。

3)根据工作面采空区的实际情况及“三带”范围，相应地提出了三相泡沫防灭火措施。采用三相泡沫防灭火，不仅使采空区氧气浓度大幅度降低，同时迅速降低遗煤温度，能有效防治煤炭自燃。

4)在整个采空区测温取样观测期间(约140m范围)，由每个测点的取样数据分析可知，采空区遗煤自燃氧化始终处于潜热期、自热期(一般为自热前期)两个阶段，没有发生采空区遗煤自燃。但于进风巷侧在距工作面约90～100m处、回风巷侧约85～96m处的“自燃带”范围里，CO有波峰出现。由此说明在这些区域(尤为进风巷侧)存在高温热源点，局部遗煤自燃氧化则较为激烈。

［1］ 杨胜强，张人伟，邱志前.综采面采空区自燃“三带”的分布规律［J］.中国矿业大学学报，2000，(1):93－96.

［2］ 史磊，秦汝祥.综采放顶煤采空区“三带”宽度的确定及防灭火技术［J］.煤炭技术，2012，(11):78－80.

［3］ 李东印，蒋东杰.不连沟煤矿特厚煤层综放面安个区自燃“三带”分布规律［J］.煤炭工程，2011，(5):86－88.

［4］ 张辛亥，刘灿.综放工作面采空区流场模拟及自燃危险区域划分［J］，西安科技大学学报，2006，26(1):6 －9.

［5］ Smith A C，Lazzara C P.Inhibition of Spontaneous Combustion of Coal，Report of Investigation United States［R］.Bureau of Mines，Pittsburgh，PA，USA 1998，P41.1 －41.4.

［6］ 李宗翔.炮采放顶煤采空区自然发火的数值模拟应用［J］.中国安全生产科学技术，2006.2，27(6):35－39.

［7］ 杨胜强，程涛.尾巷风压及风量变化对采空区自然发火影响的理论分析与数值模拟［J］.煤炭学报2011，36(2):308－312.

［8］ Deng Jun，Xu Tongmo，Xu Jingcai.Analysis of the danger zone liable to spontaneous ignition around coal roadway at fully mechanized long wall top － coal caving face［J］.Journal of Coal Science＆ Engineering(China)，2002，8(2):55－59.

［9］ 陈长华，王真.采空区自然发火位置相似模拟模型［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2009，28(9):1－3.

［10］ 康雪，陈长华.不规则介质采场渗流理论及防止采空区自然发火［J］.辽宁工程技术大学学报(自然科学版)，2010，29(1):8 －10.