李雅庄煤矿工作面采空区自然发火“三带”分布特性研究

2024-05-12徐文俊张连超

同煤科技 2024年1期

于江，徐文俊，张连超

（1.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿，山西临汾 031400；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 123000）

我国自燃或存在自燃危险的矿井已占到60%以上。当井下发生自燃时，产生高温及有毒有害气体，引起瓦斯爆炸及人员中毒等灾害，严重威胁着工人的生命安全[1-2]；由于自燃火灾封闭或烧毁了井下设备、冻结了大量宝贵的煤炭资源，每年给国家带来数十亿元的经济损失[3-4]，破坏矿井开采部署，缩短矿井服务年限，造成环境及大气污染等问题[5-6]。因此，近年来国家和企业对安全生产日益重视，加大了安全投入的强度[7]。根据国家矿山安全监察局《煤矿防灭火细则》（矿安[2021] 156 号）的规定，开采易自燃和自燃煤层时，同一煤层应当至少测定1 次采煤工作面采空区自然发火“三带”分布范围。为了杜绝矿井火灾事故的发生，完善防灭火管理，需根据霍州煤电集团有限责任公司李雅庄煤矿（简称“李雅庄煤矿”）的煤层赋存状况开展采空区自然发火“三带”分布规律研究，这对于保证矿井安全生产、避免资源损失及矿井的可持续发展具有重大意义。

1 工程背景

李雅庄煤矿位于山西省南部临汾盆地的北缘，井田南距霍州市10 km，行政区划隶属霍州市师庄乡管辖，系霍州矿区北端的一个井田，西与什林煤矿和王庄煤矿相邻。根据阜新工大安全检测检验有限责任公司出具的《煤自燃倾向性检测报告》可知，2#煤层自燃倾向性等级为II 类，属自燃煤层，最短自燃发火期为45天，煤层自燃火灾为制约矿井发展的重大隐患之一。2-801 采煤工作面煤层厚度平均为3.2 m，煤层倾角2~6°，采用一次采全高开采工艺。

2 自燃“三带”概述

自然发火是有自燃倾向性的煤层被开采破碎后在常温下与空气接触发生氧化，产生热量使其温度升高，出现发火和冒烟的现象。煤炭的氧化自燃，必须同时具备三个条件：煤层具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积，堆积厚度一般要大于0.4 m；连续的通风供氧条件；持续的蓄热环境。在矿井有煤层自燃倾向性的工作面采空区内这三个必备条件具体表现在采空区合适的漏风风速与采空区氧气体积分数供给的大小，漏风风速的大小直接影响煤炭的供氧与蓄热条件，而氧气体积分数的大小决定煤层的氧化自燃能力。因此，根据采空区漏风与氧气体积分数的大小，可将采空区的煤炭氧化自燃区域划分为三个带，即采空区自燃“三带”。

3 李雅庄煤矿工作面采空区“三带”测试方案

通过资料收集及工作面现场勘查后确定2-801采煤工作面采空区自然发火“三带”测定与划分的基本方案为：

1）测点布置方式：采用试验现场埋设抽气管路，通过管路抽取采空区气样，送入气相色谱仪进行分析，得出采空区各种气体体积分数变化规律，并通过埋设的温度探头测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区温度变化与气体分布规律，确定综采工作面采空区自然发火“三带”的分布范围。从测定结果的可靠性、施工方便性和经济性等方面考虑，在工作面的进、回风顺槽共布置4个测点（进、回风巷各2个），1#测点：设置在进风巷距工作面≥20 m 处；2#测点：沿进风巷布置，距离1#测点8 m处；3#测点：设置在回风巷距工作面≥20 m处；4#测点：沿回风巷布置，距离3#测点8 m处。

在2-801 工作面的运输顺槽、回风顺槽的煤柱帮沿底部敷设直径为8 mm的束管，采用专用的束管接头连接，做到连接处无漏气。当采样点进入采空区后进行取样分析，待测点所测得的氧气体积分数降到7%后，断开该测点。埋入采空区的束管要用DN 25~50 mm 的钢管加以保护。束管管口取样点处，应用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤堵塞束管取样口。为防止采空区积水抽进束管，束管的进口处必须抬高0.5 m。测温元件采用集成温度传感器AD590，采用CFZ22 型井下气体采样泵进行抽气取样，采样周期为每日采样一次，通过抽气泵在井下抽取采空区气样至气囊中，带到地面使用气相色谱仪进行分析。每日测定温度一次，从而得出随工作面推进采空区的温度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等碳氢气体的体积分数变化规律。2-801工作面测点及管路布置如图1所示。

图1 工作面束管测点布置图

2）三带划分判定依据：根据实测采空区内各组分气体体积分数及其变化，采用临界氧体积分数指标法（散热带（氧气体积分数>18%）、氧化带（7%≤氧气体积分数≤18%）、窒息带（氧气体积分数<7%））分析判定2-801 采煤工作面采空区测点位置自然发火“三带”的范围。

4 李雅庄煤矿工作面采空区自然发火“三带”分布特性分析

图2 为工作面推进过程中1#、2#、3#、4#测点温度值。进回风顺槽各测点温度变化趋势明显，随工作面推进整体上都是先上升后下降的趋势，符合采空区氧化带分布规律。在进风顺槽侧：1#测点在工作面推进至57.90 m，温度最高上升到32.6℃，2#测点当工作面推进至56.30 m，温度最高上升到32.7℃，随着工作面继续推进，测点进入窒息带，1#测点温度缓慢降至29.8℃，2#测点降至29.5℃。在回风顺槽侧：3#测点当工作面推进至54.70 m，温度最高上升到32.5℃，4#测点随工作面推进到53.10 m，温度最高上升到32.7℃，随着工作面继续推进，测点进入窒息带，3#测点温度最终降至29.6℃，4#测点温度降至29.6℃。从数据可以得到在进风顺槽侧峰值温度较回风顺槽侧出现的距离离工作面更远。

图2 采空区测点温度分布

因测试气样中未检测出CO、C2H4及C2H2等烯烃类气体，仅检测到O2、CO2、CH4、N2气体体积分数数据，考虑到N2的变化趋势主要由其他三种气体决定，因此只对O2、CO2、CH4进行分析，具体数据见图3、图4、图5 所示。

图3 采空区氧气体积分数测点数据

图4 采空区测点CO2分布

图5 采空区测点CH4分布

O2、CO2、CH4进行分析，具体数据见图3、4、5所示。

从图3可知，随着工作面推进，采空区内氧气体积分数由原始20.8%逐步缓慢下降，并从散热带逐步进入氧化带和窒息带。在进风顺槽侧：1#测点在距工作面约26.8 m处监测到氧气体积分数低于18%，之后，氧气体积分数继续降低，在工作面推进83.5 m后，氧气体积分数降至7.0%以下；2#测点在距工作面约24.4 m 处监测到氧气体积分数低于18%，在工作面推进81.9 m后，氧气体积分数降至7.0%以下。在回风顺槽侧：3#测点在距工作面约24.8 m 处监测到氧气体积分数低于18%，在工作面推进77.1 m 后，氧气体积分数降至7.0%以下；4#测点在距工作面约21.2 m 处监测到氧气体积分数低于18%，在工作面推进78.7 m后，氧气体积分数数据降至7.0%以下。综合进风顺槽侧和回风顺槽侧氧气监测数据，进风顺槽侧的散热带0~24.4 m、氧化带24.4~83.5 m、窒息带＞83.5 m；回风顺槽侧的散热带0~21.2 m、氧化带21.2~78.7 m、窒息带＞78.7 m。

结合图4 可以得到，进风顺槽侧1#、2#测点和回风顺槽3#、4#测点的CO2体积分数变化规律呈现先平稳后上升的趋势。其中CO2体积分数开始上升时，1#测点在工作面推进到36.8 m 处，2#测点在工作面推进到36.3 m，3#测点在工作面推进到32.4 m，4#测点在工作面推进到32.3 m 处；测试结束时，1#测点采空区CO2体积分数上升到1.86%。2#测点CO2体积分数上升到1.85%，3#测点CO2体积分数上升到1.59%。4#测点采空区CO2体积分数上升到1.82%。

采空区内CH4变化的趋势基本都是一直上升的，结合图5 可以得到进风顺槽1#测点CH4体积分数在测试结束时上升到13.47%；进风顺槽2#测点的CH4体积分数在测试结束时上升到13.66%；在回风顺槽侧3#测点CH4体积分数上升到13.78%；4#测点的CH4体积分数在测试结束时上升到13.53%。

结合采空区氧气体积分数与温度监测数据，2#煤层2-801 工作面采空区自然发火“三带”范围划分为：散热带宽度为0~21.2 m，氧化带宽度为21.2~83.5 m，85.5 以上为窒息带，如图6 所示。其中氧化带宽度为21.2~83.5 m，在这一宽度范围内，氧气体积分数为7%~18%，属于煤炭易自燃区域，既有充足的供氧条件，又由于漏风风量逐渐减小，具有良好的蓄热环境，氧化带宽度相对较宽，不利于防治煤炭自然发火。结合2-801 工作面日推进速度为3.2 m/d 左右，当工作面推进27 d后，采空区即可进入窒息带。