三道沟煤矿综采工作面采空区自燃“三带”划分与漏风测定

曹乃夫

（1.煤科集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

我国煤矿的自然发火问题是十分严重的。据统计，具有自然发火危险的矿井约占47%，矿井自然发火又占总发火次数的94%，其中采空区自然占内因火灾的60%[1-2]。这种火灾造成工作面封闭，冻结大量煤炭资源和昂贵生产设备，造成工作面、采空区风流紊乱，影响矿井正常生产接续，并造成人员伤亡[3]。而神府东胜煤田大多具有浅埋深、（极）近距离煤层群赋存、（特）厚（易）自燃等特点，矿井安全生产面临着火灾的严重威胁[4]。通过对采空区自燃“三带”分布规律及范围确定的研究，揭示出其与顶板垮落规律和采空区漏风流流场的关系；准确的确定出采空区“三带”的范围及分布位置；根据划分的“三带”范围，准确地计算出预防采空区自然发火的工作面最低推进速度，合理组织生产；最终针对研究结果制定出针对采空区自燃“三带”的有效地防灭火措施[5]。以三道沟煤矿35106综采工作面作为研究背景，对其采空区自然发火“三带”进行合理划分，确定其35106综采工作面的安全回采速度。并对采空区漏风进行测定，测定出漏风风速以掌握其漏风规律进而提出封堵漏风措施，避免采空区遗煤自燃。

1 矿井概况

三道沟煤矿位于陕西省府谷县西北，距县城约25 km，行政区划隶属府谷县庙沟门镇管辖。矿井可采储量为926.95 Mt，矿井生产能力为9.00 Mt/a时，服务年限为76.3年。其中首采区服务年限30.2年，预留区服务年限46.1年。35106工作面是三道沟煤矿5-2上煤层三盘区第6个综采工作面，采面呈东西向布置，上部为东风联办煤矿，北邻35105采空区，东邻三采区集中辅运巷，南邻35107工作面（实体煤），西部为切眼（切眼呈南北向），切眼向西为5-2上煤与5-2煤合层位置。35106工作面设计走向长度2 803 m，倾向长度294.5 m，地面标高为1 179.6～1 281.5 m，煤层底板标高 1 091.4～1 114.9 m，设计采高2.1 m。回采工艺为长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法，全部垮落法处理采空区顶板。

2 现场布置及监测气体分析

2.1 现场监测点布置

沿工作面回风巷外帮预埋φ50 mm钢管300 m，间隔50 m布置4个测点，沿运输巷外帮预埋埋φ50 mm钢管150 m，间隔50 m布置4个测点，钢管内敷设单芯束管和温度补偿线，回风巷侧取气点位置距最近测点150 m，运输巷侧取气点通过其最近的联巷引出，以便长期观测采空区气体及温度变化。工作面监测点布置示意图如图1。

图1 监测点布置示意图

每个监测点内均布置有采样束管和温度传感器，随着工作面的推进，监测点依次进入“散热带”、“氧化带”和“窒息带”，观测采空区浮煤各个氧化阶段的气体浓度和温度的变化。监测点探头布置方式如图2。

三道沟煤矿35106工作面采空区自燃“三带”现场观测，共历时37 d，工作面累计推进287.5 m。

图2 监测点探头布置方式

2.2 监测气体分析

测点进入采空区后即开始取气分析及温度测定，从而得出随工作面推进采空区各测点的温度和O2、CO、CO2、CH4、C2H6、C2H4、C2H2等气体的浓度变化规律，直至测点取样分析结果表明该位置已经进入窒息带为止。记录每日工作面的推进度，以便推算测点距工作面的距离。正常情况下按工作面每推进6 m测取1次温度和气体成份数据。若有异常，则根据具体情况而定，可在异常测点每日测取3次数据。每日对两巷及架后位置浮煤厚度进行实地观测并作记录。

2.2.1 氧气浓度变化规律

35106工作面运输巷1#监测点进入采空区92.8 m左右时，氧气浓度降至17.84%。随着工作面的推进，除部分区域受采空区漏风影响，氧气浓度间歇上升以外，总体呈持续下降的趋势。当运输巷1#监测点进入采空区241.5 m左右时，氧气浓度降至7%以下。35106工作面回风巷1#监测点进入采空区69.8 m左右时，氧气浓度降至18%以下。当回风巷1#监测点进入采空区203.9 m左右时，氧气浓度下降至7%以下。氧气浓度变化规律如图3。

图3 氧气浓度变化规律

2.2.2 一氧化碳浓度变化规律

35106工作面运输巷侧监测点未检测到CO。随着回风巷1#监测点逐渐进入采空区，CO浓度呈现规律性的先上升后下降的趋势。35106工作面回风巷1#监测点进入采空区8 m左右时，CO浓度约为22×10-6。当回风巷1#监测点进入采空区99 m左右时，CO浓度达到32×10-6，此时氧气浓度为16%～17%，表明此处漏风适宜，煤氧复合反应热量得到积蓄，CO产生量增加，符合煤自然发火规律。此后，随着供氧不足，煤氧复合反应减弱，CO浓度在7.5×10-6～21×10-6之间上下波动，但总体呈下降趋势。35106工作面回风巷1#监测点CO浓度随埋入采空区深度的变化曲线如图4。

图4 1#监测点CO浓度随埋入采空区深度的变化曲线

2.2.3 二氧化碳浓度变化规律

随着监测点逐渐进入采空区，35106工作面运输巷1#监测点、回风巷侧1#监测点CO2浓度总体呈上升趋势，运输巷1#监测点CO2浓度最高为1.32%，回风巷侧 1#监测点CO2浓度最高为 2.86%。35106工作面运输巷1#监测点、回风巷1#监测点CO2浓度随埋入采空区深度的变化曲线如图5。

图5 1#监测点CO2浓度随埋入采空区深度的变化曲线

3 采空区自燃“三带”分布范围及安全推进速度

3.1 35106工作面采空区自燃“三带”划分

根据三道沟煤矿35106工作面采空区自燃“三带”现场观测数据，结合5-2上煤层自燃临界氧浓度指标测试结果，以氧气浓度7%～18%作为采空区自燃“三带”范围划分的依据。35106工作面采空区自燃“三带”分布范围见表1。采空区“三带”剖面图如图6[6]。三道沟煤矿35106工作面采空区运输巷侧氧化升温带较宽，为148.7 m；回风巷侧较窄，为134.1 m。

表1 采空区自燃“三带”范围 m

图6 采空区自燃“三带”分布剖面

3.2 35106工作面安全推进速度

根据三道沟煤矿5-2上煤层最短自然发火期τ和35106工作面采空区氧化带宽度Lmax，可推算出35106工作面的最小安全推进速度Vmin为4.65 m/d。

当工作面推进速度大于4.65 m/d时，采空区没有自然发火的危险；若工作面连续超过32 d平均推进速度小于4.65 m/d时，采空区将有自然发火危险。

根据35106工作面正常日平均推进速度v=8.09 m/d，大于工作面的最小安全推进速度，因此在正常回采过程中，采空区不会发生遗煤自然发火。

4 堵漏防灭火措施封堵漏风

基于上述对采空区自燃“三带”分布情况研究及工作面安全推进速度，应采用综合防灭火措施，如加快回采速度，进行实时监测监控，注浆，注氮等。采空区自燃带分布随着风量、采空区顶板垮落、垮落带破碎煤岩体的性质和周边的漏风情况等因素有关[7]。又因神府东胜煤田浅埋深的特殊地质条件，采空区漏风严重也为采空区自燃提供充足氧气。因此，对采空区进行有效地封堵漏风减少空气进入可有效避免采空区遗煤自燃现象的发生。为了进一步判定31506工作面采空区与地表之间的裂隙沟通情况，掌握矿井上下漏风规律，为科学制定防灭火方案提供依据。因此，实施了以SF6示踪气体为检测手段的漏风通道测定试验。

4.1 井上下漏风测定原理及材料

4.1.1 SF6示踪气体测漏风原理

SF6在常温下具有高稳定性，是一种无色、无味、无毒、无腐蚀性、不燃、不爆炸的气体，在地面及井下的环境中含量极低，化学稳定性好，检测灵敏度高，扩散性强，是常用的示踪气体之一。用SF6示踪气体定性测定漏风的测试方法为：根据矿井基础资料分析可能的漏风通道、漏风源、漏风汇；在漏风源中释放SF6气体，在漏风汇每隔一定时间用球胆采集气样；将采集的气样送达实验室分析，由气相色谱仪（电子捕获器）测定SF6气体浓度；根据气样分析结果确定漏风通道[8]。

4.1.2 漏风测定仪器及工具材料

1）SF6释放装置。SF6气体、钢瓶、减压阀（包括稳压阀和稳流阀）和流量计等。

2）SF6分析仪器。TIF xp-1a卤素检漏仪和SF6色谱分析仪，用于对采集的气样进行定性和定量分析。

3）工具材料。SF6气体释放钢管、软管、负压采样器、球胆、扎带、标签纸，用于气样采集、存储、时间节点标注等[9-10]。

4.2 井上下漏风测定

4.2.1 释放点与接收点

结合矿井通风方式以及35106工作面现场实际，选取工作面切眼对应地表处一标志性裂隙作为示踪气体SF6释放点，工作面回风隅角作为示踪气体SF6接收点，释放点与接收点高程差为110 m，释放点与接收点直线距离约为440 m。SF6释放点与接收点平面示意图如图7。

图7 SF6释放点与接收点平面示意图

4.2.2 释放 SF6气体

在地表裂隙插入SF6气体释放钢管（图8），连接好SF6气体释放装置，使用SF6释放器将SF6气体通过软管释放，记录释放的开始和结束时间。将SF6气体以压力3 MPa、流量5 L/min释放，从13：30开始至14：30结束持续释放60 min，共释放SF6气体约1.848 kg。

图8 SF6气体释放钢管

4.2.3 气样采集

借助TIF xp-1a型卤素检漏仪综合确定开始采样的时间，采样共持续65 min，合计采样7次，气体采样顺序表见表2。

表2 气样采集顺序表

4.2.4 气样检测与分析

气样检测结果见表3。从表3可以看出，采集的1号气样即分析出示踪气体SF6，说明SF6气体随地面漏风流到达到35106工作面回风隅角的时间可能要早于13：50，进一步结合卤素检漏仪第1次接收到微弱信号分析，把SF6气体于13：45左右到达工作面回风隅角的时间作为参考值。分析结果显示，随时间变化7个气样的SF6浓度变化不大，地表停止释放后，示踪气体在一定时间段内保持较稳定的逸出，说明地表漏风通道较通畅、具有一定的漏风量且较稳定。以释放点与接收点间的直线距离（约440 m）作为最短的漏风路线长度计算，35106工作面地表可能的漏风风速约为22～30 m/min。

表3 气样检测结果

4.2.5 封堵漏风措施

1）地面裂隙封堵。对回采工作面地表的裂隙进行排查，重点对“两道两线”采动裂隙“O”形圈区域进行排查，及时回填地表裂隙，保证回填质量，减少地表与采空区之间漏风通道，避免地表向采空区漏风。地表裂隙随采随填，回填进度不得滞后工作面回采100 m。由于采动后地表裂隙不稳定时间较长，需定期对已回填的裂隙进行勘查再回填。

2）加强密闭的施工质量。严格按设计施工，对密闭及周围巷道围岩进行全面喷浆堵漏，防止漏风，同时还要监测密闭漏风，定期进行压差测定工作。

3）工作面上下端头封堵。工作面两巷及时退锚，使顶板充分垮落；进风隅角悬挂挡风帘，回风隅角采取增阻措施，设置挡风帘导风，或每推进50 m砌筑丝袋墙或采用无机材料充填，减少采空区漏风量。

5 结论

1）根据5-2上煤层自燃临界氧浓度指标，氧化升温带宽度运输巷为148.7 m，回风巷为134.1 m。35106工作面最小安全推进速度为4.65 m/d,当工作面推进速度大于4.65 m/d时，采空区没有自然发火的危险；若工作面连续超过32 d平均推进速度小于4.65 m/d时，采空区将有自然发火危险。

2）现场考察表明，35106工作面地表出现了不同程度的裂缝。通过对地表裂缝漏风的定性分析，表明这些裂缝存在漏风，漏风风速约22～30 m/min。

3）通过对35106工作面采空区漏风的定性测定表明，只要地表出现了较宽的裂缝，就一定存在漏风，因此，在采空区地表发现沉陷和裂缝时应及时采取堵漏措施。

4）对地面裂隙进行排查并及时封堵。地表裂隙随采随填，回填进度不得滞后工作面回采100 m。由于采动后地表裂隙不稳定时间较长，需定期对已回填的裂隙进行勘查再回填

5）加强巷道密闭施工质量，对工作面上下端头进行封堵以便减少采空区漏风。