陕西彬长文家坡矿4105工作面采空区自燃“三带”规律分布研究

2022-02-17陈庆刚

煤 2022年2期

陈庆刚

(陕西咸阳彬州市小章镇文家坡矿业公司，陕西彬州 713500)

众所周知，煤炭资源约占我国一次性能源消费量比例的70%，而矿井火灾是煤矿主要灾害之一。据统计，全国重点煤矿中有自然发火危险的矿井约占47%，其中60%的煤矿自然发火都与采空区有关[1-3]。通过对工作面采空区自燃“三带”的观测，可以较为准确地反映陕西彬长文家坡矿综放工作面采空区遗煤氧化情况和自燃危险区域分布范围，通过现场实测和理论分析，采用温度、气样成分(氧气，一氧化碳)变化情况来准确划分采空区自燃“三带”[4-6]。

本文通过对陕西彬长文家坡矿业有限公司4105综放工作面自燃“三带”进行研究，为确定采空区防灭火工艺各类参数提供依据，指导了工作面安全生产，为煤层防灭火工作提供了借鉴。

1 工程概况

4105综放工作面位于41盘区，是陕西彬长文家坡矿业公司第二个综放工作面，东临4104采空区，西接4106准备工作面，南依41盘区开拓大巷，北靠42盘区开拓大巷。该工作面坐标范围为X：3 888 272～3 891 145；Y：36 505 840～36 506 040；工作面煤层埋深536.4～778.9 m，运顺标高+471～+377 m，回顺标高+459～+378 m，走向长度2 873 m，倾向长度200 m。工作面两巷布置分别为4105回风巷道、4105运输巷道。

4105工作面回采煤层为4号煤，呈黑色，半暗淡型，沥青光泽，褐黑色条痕，参差状、阶梯状断口，条带状结构，层状构造。该工作面具有简单的煤层结构，其煤层中含有4层夹矸，从下到上排序：第一层夹矸厚度0.2～0.3 m，第二层夹矸厚度为0.2～0.5 m，第三层夹矸厚度为0.3～2.5 m，第四层夹矸厚度为0.1～0.3 m。夹矸岩性为泥岩、中砂岩。该工作面回采期间的绝对瓦斯涌出量为2.91 m3/min，但在通过断层等构造时，瓦斯涌出量会增大。

2 “三带”的划分标准及其分析

2.1 划分标准

煤的自发燃烧会影响采矿作业安全并会对环境、经济、社会和岩土工程产生影响[7]。而采空区自燃“三带”的分布状态、范围对矿井防灭火起决定性作用。根据氧化带的长度确定月最小推进距离，可以指导矿井的安全生产。目前，传统的采空区自燃三带划分有 3 个指标: 氧气浓度、漏风风速、温升[8-9]。

1) 根据氧气浓度划分。根据氧气浓度来划分采空区自燃“三带”是最适用的方法，相应的参数如下：

不自燃带：O2浓度>15%；自燃带：15%≥O2浓度≥5%；窒息带：O2浓度<5%.

2) 据根漏风强度划分。根据国内外学者对采场漏风的研究，采空区“三带”的范围根据漏风流速一般可分为：①不自燃带：流速>0.24 m/min；②自燃带：0.1 m/min ≤流速≤0.24 m/min；③窒息带：流速< 0.1 m/min。

3) 温度法。目前，温升速率法主要是通过在采空区埋设热电偶探头，实现远距离测温，以了解采空区遗煤的温度变化清况。如果K值大，则反映采空区自燃危险性大，通常认为K≥1 ℃/d的区域就是氧化带。

2.2 实测分析

在该矿，温度不适合作为自燃“三带”划分的主要指标，主要原因是采空区内并非所有位置的温度都会在同一时间内上升到该固定值。而且该工作面采用了注浆防灭火和注氮防灭火措施，因此该工作面采空区的温度不具备指导意义。但是，如果当采空区温度有明显变化时，以采空区温度上升速率划分最好，因为温度的上升速率变化更能直接说明采空区煤炭氧化的情况。因此本次测试结果根据氧气浓度、一氧化碳浓度来划分4105工作面采空区的自燃“三带”分布。

3 采空区自燃“三带”划分规律

3.1 现场监测方案

在井下实际测量采空区自燃“三带”时，应根据煤层地质情况和采掘工艺来选取相应合理的测试设备和最佳的测点布置情况。因此本方案采用束管监测系统和气相色谱仪分析测试系统相结合的方式，准确地对采空区内的气体浓度等煤层自然发火的基础参数进行测定。根据气体浓度的变化规律，找出煤层采空区遗煤自燃的变化规律。

束管监测系统由三部分组成，分别为采样点、测试钢管与保护套管、气泵。其中设置采样点在工作面支架第60号、第90号、第105号架及上隅角。由于采样束管在伸入采空区以后容易被上方冒落的岩石砸断，因此将直径为DN40的钢管作为其保护套管。测试中，抽气束管和2寸保护套管的铺设长度均为150 m左右。在束管端头安设之前所述的抽气泵作为气体采集的工具。由于现场条件的限制，在工作面支架第60号、第90号、第105号及上隅角共设4个测点，各测点设置位置如图1所示：1号测点设置在第60号支架，待该点进入采空区时进行采气观察；2号测点设置在第90号支架；3号测点设置在第105号支架；4号测点设置在工作面上隅角，且这4个检测点观察时间一样。4个取样点，随工作面推移，持续观察125 m，一共27 d。

图1 工作面监测点安装图

3.2 观察数据分析

数据的采集工作是在测点安装完毕后随即开始的，现场对4105工作面进回风两条巷道采空区 O2与CO含量进行了监测，经过27 d的束管采集，并将采集到的气样在实验室进行分析，确定井下采空区气体成分及浓度，监测结果如图2所示。

图2 各取样点CO浓度随推采度变化曲线

由4105综放工作面采空区各取样点CO浓度分布图可以得到，4号测点，即第60号支架处CO浓度随采空区深度慢慢递增，浓度呈现一条先升后降然后又升的光滑的曲线，并且在采空区125 m时达到CO浓度的最大值4 700×10-6。在采空区2号、3号监测点，CO浓度变化的曲线相似，其浓度变化曲线都是随着工作面的掘进逐渐上升，并且在采空区46.8 m时达到浓度的巅峰，分别是122×10-6，167×10-6。在采空区1号测点CO浓度呈现先降低，然后又升高，最后再降低的变化曲线。随着工作面从3.2推进至17.6 m时，浓度从最开始的178×10-6降至129×10-6；当采空区继续从17.6 m推进至27.8 m时，CO的浓度又从129×10-6上升至最高点238×10-6，但是随着工作面继续从27.8推进至125 m时，CO的浓度又波动似地下降至最低点4 900×10-6。

由图3可知，工作面推进以后，O2浓度变化表现为一条趋减的曲线，在22.6～67 m这个区间骤减，这是因为此区间段顶板容易垮落，工作面孔隙率变大，漏风率变大，导致新鲜空气无法进入后部采空区，从而O2的浓度大幅度降低。而后随着工作面的持续推进，没有新的顶板断裂，进回风巷的漏风率与孔隙率变化不大，从而O2的浓度没有太大的变化，且处于一个相对平稳的状态。

图3 各取样点O2浓度随推采度变化曲线

4105综放工作面采空区自燃“三带”划分，见表1。

表1 4105工作面采空区自燃“三带”分布 m

1) 回风巷道测点的氧气浓度随着工作面的推进而迅速降低。当进入采空区深度约3.2 m后，氧气浓度已降至15%；当进入采空区的深度达到41.6 m时，氧气浓度降低至5%以下并进入窒息带。这主要`是由于回风侧的漏风强度低，再加上采空区中间的顶板塌陷、压实度较高，风流扩散难度大，导致迅速降低了该区域的氧气浓度。

2) 运输侧的漏气强度较大。当采空区深度达到52 m时，氧气浓度下降至15%.当采空区深度达到120 m时，氧气浓度下降至5%进入窒息区。

3.3 自燃“三带”的划分

采空区自燃“三带”分布，如图4所示。

图4 采空区自燃“三带”的分布图

由图4可得，4105工作面采空区遗煤氧化自燃“三带”分布范围为：进风侧散热带为0～52 m;氧化自燃带为52～120 m；大于120 m为窒息带。回风侧散热带为0～3.2 m;氧化自燃带为3.2～41.6 m；大于41.6 m为窒息带。4105运输巷道氧化自燃带的宽度为52～120 m，回风巷道的宽度为3.2～41.6 m。在上述宽度范围内，氧气浓度为5%～15%，属于煤炭易自燃区域。因为有充足的氧气，漏风量小，因此具有良好的储热环境。这一结果说明该矿的4105工作面的采空区顶板为易冒落的坚硬岩层，顶板冒落后采空区很难压实，使得采空区漏风增大，氧气浓度下降缓慢。自燃带宽度较长，使煤炭自燃的防治工作变得困难。