魏墻煤礦工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分

崔魏 崔峰

摘要：采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分是煤礦井下防滅火工作的重要基礎(chǔ)。本文基于魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)自燃“三帶”的現(xiàn)場實(shí)測和分析，確定了魏墻煤礦3號(hào)煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律。研究成果對(duì)魏墻煤礦采空區(qū)防滅火具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：自燃;采空區(qū);魏墻煤礦

0 引言

礦井火災(zāi)是煤礦的主要災(zāi)害之一，其中自然發(fā)火是最常見的礦井火災(zāi)[1-3]。因此合理確定采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分劃分是煤礦井下防滅火工作的重要基礎(chǔ)。只有準(zhǔn)確、適時(shí)地掌握采空區(qū)自燃“三帶”的劃分，才能及時(shí)采取有效措施預(yù)防[4，5]礦井自然發(fā)火災(zāi)害的發(fā)生。

魏墻煤礦3號(hào)煤為Ⅰ類自燃煤層，為預(yù)防煤炭自燃，需進(jìn)行工作面采空區(qū)自燃“三帶”測試。采用現(xiàn)場埋設(shè)抽氣管路，通過管路抽取采空區(qū)氣樣，送入氣相色譜儀進(jìn)行分析，得出采空區(qū)各種氣體濃度變化規(guī)律，并通過埋設(shè)的溫度探頭測定采空區(qū)溫度變化情況，從而研究分析出采空區(qū)自熱變化與分布規(guī)律，確定工作面合理的回采進(jìn)度，為制定符合客觀實(shí)際的防滅火措施提供依據(jù)。

1 現(xiàn)場測試方案的確定

采空區(qū)自燃“三帶”的測定，應(yīng)有正確合理的測點(diǎn)布置方式及先進(jìn)的技術(shù)測試設(shè)備與手段，通過采空區(qū)溫度和氣體的成份變化規(guī)律的測定，正確全面的分析煤炭氧化變化規(guī)律，并得出魏墻煤礦3號(hào)煤工作面的自燃“三帶”分布。

本項(xiàng)目采用高精度萬用表作為測試儀表，測溫元件采用集成溫度傳感器AD590（測溫范圍為-55℃～+150℃，非線性誤差為±0.3℃）;以色譜儀分析采空區(qū)氣體成份為依據(jù)，獲得綜采工作面采空區(qū)內(nèi)與自然發(fā)火有關(guān)的各種基礎(chǔ)參數(shù)，在此基礎(chǔ)上合理確定綜采工作面各種防滅火技術(shù)的具體工藝。

1.1實(shí)施的具體內(nèi)容

現(xiàn)場試驗(yàn)采用埋設(shè)抽氣管路的方法，通過管路抽取采空區(qū)氣樣，送入氣相色譜儀進(jìn)行分析，得出采空區(qū)各種氣體濃度變化規(guī)律，并通過埋設(shè)的溫度探頭測定采空區(qū)溫度變化情況，從而研究分析出采空區(qū)自熱變化與分布規(guī)律，確定綜采工作面自燃“三帶”的分布范圍。并以此為理論依據(jù)，合理確定各種綜放面防滅火技術(shù)的具體工藝參數(shù)及合理的工作面回采進(jìn)度，制定符合客觀實(shí)際的防滅火技術(shù)方案。

1.2測試管路與測點(diǎn)布置

1）測點(diǎn)的設(shè)置

抽氣管和溫度傳感器AD590的布置方式采用兩順槽埋管的方式。由于現(xiàn)場條件的限制，在工作面兩順槽共設(shè)6個(gè)測點(diǎn)，測點(diǎn)設(shè)置示意圖見圖1。

2）鋪設(shè)方法及采樣

①將3寸無縫鋼管截成每根6m長，兩端焊接快速接頭，沿兩順槽靠近外側(cè)鋪設(shè)，再將抽氣管與測溫導(dǎo)線一齊穿入套管內(nèi)，套管之間用快速接頭連接牢固。

②采樣周期為每日采樣一次，通過采樣器在井下抽取采空區(qū)氣樣至氣囊中，帶到地面送入氣相色譜儀分析。并每日測定溫度一次，從而得出隨工作面推進(jìn)采空區(qū)的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等氣體的濃度變化規(guī)律。

③記錄每日工作面的推進(jìn)度，以便推算測點(diǎn)距工作面的距離。

1.3數(shù)據(jù)記錄與整理

根據(jù)參數(shù)測定結(jié)果記錄每天各測點(diǎn)的溫度和氣體成份（CO、O2、CO2、N2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2）及濃度變化情況。根據(jù)變化曲線分析采空區(qū)煤炭氧化規(guī)律、采空區(qū)氣體分布變化規(guī)律及煤炭自燃“三帶”。

2 魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)溫度及氣體成份實(shí)測數(shù)據(jù)

2020年9月19日至2020年10月3日，對(duì)魏墻煤礦1313綜采面采空區(qū)煤炭自燃“三帶”進(jìn)行了實(shí)測。

將每天采集的氣樣，進(jìn)行氣相色譜分析。通過色譜分析發(fā)現(xiàn)：所有氣樣中都未檢測出乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）產(chǎn)生，氣樣中的甲烷濃度容易受到煤層本身瓦斯賦存的干擾，1313工作面瓦斯含量較低，且對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”劃分無參考價(jià)值，故不做分析。

3?魏墻煤礦1313采空區(qū)溫度及氣體成份變化規(guī)律分析

3.1采空區(qū)溫度實(shí)測分析

對(duì)魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)溫度實(shí)測分析可知：

（1）膠運(yùn)順槽、回風(fēng)順槽中各測點(diǎn)溫度均呈現(xiàn)先上升后下降趨于平穩(wěn)的趨勢。由于工作面嚴(yán)格按照煤層頂?shù)装暹M(jìn)行回采，采空區(qū)遺煤量少，因此采空區(qū)溫度整體升高幅度在3～4℃，升幅較小。回風(fēng)順槽中三個(gè)測點(diǎn)最高溫度分別為：4#為29.6℃，5#為30.6℃，6#為30.1℃;膠運(yùn)順槽中三個(gè)測點(diǎn)最高溫度分別為：1#為28.9℃，2#為29.2℃，3#為30.1℃。

（2）回風(fēng)順槽三個(gè)測點(diǎn)在距離工作面0～45m左右范圍內(nèi)溫度升高較為緩慢，變化范圍不大，45～146m范圍內(nèi)溫度升高較快，146m左右后溫度呈現(xiàn)下降趨勢。膠運(yùn)順槽三個(gè)測點(diǎn)在0～80m范圍內(nèi)溫度升高較為緩慢，80～170m范圍內(nèi)溫度升高較快，170m左右后溫度呈現(xiàn)下降趨勢。

3.2采空區(qū)氧氣濃度實(shí)測分析

魏墻煤礦1313工作面各測點(diǎn)采空區(qū)氧氣濃度實(shí)測結(jié)果表明：

（1）回風(fēng)順槽一側(cè)工作面推進(jìn)至45m左右各測點(diǎn)氧氣濃度降低至18%，各測點(diǎn)氧氣濃度降低至18%的位置分別為：4#測點(diǎn)45m，5#測點(diǎn)47m，6#測點(diǎn)44m。各測點(diǎn)進(jìn)入窒息區(qū)域（氧氣濃度低于6%）的位置為：4#測點(diǎn)為距工作面146m，氧氣濃度為5.35%;5#測點(diǎn)為距工作面158m，氧氣濃度為5.96%;6#測點(diǎn)為距工作面160m，氧氣濃度為5.87%。

（2）膠運(yùn)順槽一側(cè)工作面在推進(jìn)至75m左右各測點(diǎn)氧氣濃度降低至18%，各測點(diǎn)氧氣濃度降低至18%的位置分別為：1#測點(diǎn)81m，2#測點(diǎn)76m，3#測點(diǎn)74m。各測點(diǎn)進(jìn)入窒息區(qū)域（氧氣濃度低于6%）的位置分別為：1#測點(diǎn)為距離工作面176m，氧氣濃度為5.74%;2#測點(diǎn)為距離工作面178m，氧氣濃度為5.35%;3#測點(diǎn)為距離工作面180m，氧氣濃度為5.28%。

（3）各測點(diǎn)氧氣濃度隨著工作面的推進(jìn)，氧氣濃度逐漸下降，膠運(yùn)順槽一側(cè)氧氣濃度在74m后氧氣濃度降至18%，回風(fēng)順槽一側(cè)氧氣濃度在44m后氧氣濃度降至18%，氧氣濃度下降緩慢。膠運(yùn)順槽一側(cè)74m以后，回風(fēng)順槽一側(cè)44m后氧氣濃度下降較快。分析可能原因?yàn)椋簻y點(diǎn)剛埋入采空區(qū)后，由于頂板垮落未能壓實(shí)，漏風(fēng)嚴(yán)重，導(dǎo)致氧氣濃度下降緩慢，隨著測點(diǎn)繼續(xù)埋入采空區(qū)深部，礦山壓力作用下頂板垮落壓實(shí)，氧氣濃度下降趨勢較快。

參考國內(nèi)外的一些劃分依據(jù)并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，以氧氣濃度在6%～18%為自燃帶的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分。根據(jù)各測點(diǎn)氧氣濃度變化趨勢劃分采空區(qū)自燃“三帶”范圍如表1所示。

從各個(gè)測點(diǎn)氧氣濃度的分布規(guī)律分析：魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)靠近膠運(yùn)順槽一側(cè)自燃“三帶”的范圍是從工作面向采空區(qū)的距離：散熱帶<74m，自燃帶74～180m，大于180m為窒息帶。采空區(qū)靠近回風(fēng)順槽一側(cè)自燃“三帶”的范圍是從工作面向采空區(qū)的距離：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，大于160m為窒息帶。

4.3采空區(qū)一氧化碳濃度實(shí)測分析

魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)一氧化碳濃度實(shí)測結(jié)果可知：在整個(gè)測試過程中回風(fēng)順槽中3個(gè)測點(diǎn)（4#、5#、6#測點(diǎn)）監(jiān)測到CO氣體，CO最大濃度分別為18.6ppm、20.5ppm、18.1ppm。

通過對(duì)采空區(qū)一氧化碳、溫度實(shí)測及結(jié)合煤層自燃標(biāo)志性氣體測試分析認(rèn)為，CO氣體可能來源于周圍鄰近采空區(qū)。

4.4采空區(qū)二氧化碳濃度實(shí)測分析

1313工作面采空區(qū)二氧化碳濃度實(shí)測結(jié)果分析可知：

（1）從各測點(diǎn)二氧化碳釋放濃度分析可知：隨著測點(diǎn)至工作面距離的增加，CO2釋放量也相應(yīng)逐漸增加。1#測點(diǎn)的最高值為0.31%、2#測點(diǎn)為0.42%、3#測點(diǎn)為0.31%、4#測點(diǎn)為3.18%、5#測點(diǎn)為3.43%、6#測點(diǎn)為3.50%。通過測試結(jié)果可以看出回風(fēng)順槽一側(cè)CO2濃度明顯高于膠運(yùn)順槽一側(cè)，這是因?yàn)槭苈╋L(fēng)路線的影響從而造成的。

（2）從各測點(diǎn)的CO2濃度分析，隨著測點(diǎn)距工作面距離的增加，各測點(diǎn)濃度也存在一定的變化，說明采空區(qū)內(nèi)各處有不同程度的煤炭發(fā)生氧化。

4.5魏墻煤礦 1313工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分

工作面采空區(qū)自燃 “三帶”通常是根據(jù)氧氣濃度為標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)行劃分，項(xiàng)目參考國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)以及結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況，主要以氧氣濃度6%～18%為自燃帶的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行劃分，同時(shí)以采空區(qū)內(nèi)溫度變化規(guī)律進(jìn)行輔助驗(yàn)證。劃分結(jié)果為：

回風(fēng)順槽一側(cè)：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，窒息帶>160m。

膠運(yùn)順槽一側(cè)：散熱帶0～74m，自燃帶74～180m，窒息帶>180m。

實(shí)測采空區(qū)自燃“三帶”范圍如圖2所示。

對(duì)魏墻煤礦1313回采工作面現(xiàn)場采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度進(jìn)行實(shí)測，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在75m左右維持在18%，實(shí)測自燃“三帶”范圍較大，說明采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)情況較為嚴(yán)重，分析認(rèn)為主要以下兩點(diǎn)原因造成：○11313回采工作面推進(jìn)速度為15m/d左右，較快的推進(jìn)速度造成采空區(qū)冒落不實(shí)，采空區(qū)內(nèi)孔隙率大，風(fēng)流滲入較遠(yuǎn);○2在輔助運(yùn)輸巷內(nèi)采用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，巷道內(nèi)風(fēng)壓為正，且在礦壓作用聯(lián)絡(luò)巷密閉墻可能產(chǎn)生裂隙，從而引起聯(lián)絡(luò)巷密閉處存在一定程度漏風(fēng)。

4.6魏墻煤礦1313工作面最低推進(jìn)速度計(jì)算

由以上測試分析可知，魏墻煤礦1313工作面最大散熱帶寬度為74m時(shí)自燃帶寬度為106m，3號(hào)煤層實(shí)際條件下最短自然發(fā)火期為33天，則預(yù)防采空區(qū)自燃的工作面最低推進(jìn)速度可按下式計(jì)算：

Vi>（Lz+Lb）/T m/月=（106+74）/33*30=163.6 m/月

式中：Vi ——工作面推進(jìn)度，m/月;Lz——自燃帶寬度，106m;Lb——散熱帶寬度，74m;T——最短發(fā)火期，月。

考慮足夠的安全系數(shù)（取1.2），則建議1313回采工作面預(yù)防采空區(qū)自燃推進(jìn)速度為Vs>1.2*163.6m/月=196.3 m/月。

4?結(jié)論

（1）通過現(xiàn)場實(shí)測回采工作面采空區(qū)內(nèi)部溫度、氣體成分變化規(guī)律，以氧氣濃度在6%～18%為氧化自燃帶標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行自燃“三帶”范圍劃分，同時(shí)以溫度變化規(guī)律輔助驗(yàn)證。魏墻煤礦1313回采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍為：

回風(fēng)順槽一側(cè)：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，窒息帶>160m。

膠運(yùn)順槽一側(cè)：散熱帶0～74m，自燃帶74～180m，窒息帶>180m。

（2）最低推進(jìn)度計(jì)算：根據(jù)劃分的自燃“三帶”范圍，計(jì)算出魏墻煤礦1313回采工作面最低推進(jìn)速度為196.3 m/月。

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第一作者簡介：崔魏（1983—），男，陜西渭南人，采礦工程師，現(xiàn)任陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司韓家灣煤炭公司安全副總，18691232816，289728270@qq.com。