汾源礦綜放面采空區三帶的確定及防滅火實踐

王偉明

（霍州煤電集團汾源煤業公司，山西 霍州 035100）

0 引 言

與其他開采方式相比，綜放工作面的巷道掘進率低、單面產量高，但采空區遺煤多，存在自然發火的危險[1-4]。汾源礦5-101 工作面為礦井首個綜放工作面，煤層厚度大，自然發火期短，開展采空區遺煤防滅火技術研究對實現煤礦的安全生產具有重要的意義。

1 工程概況

霍州煤電汾源礦業5-101 工作面埋深為330～410 m，黃土層厚度為18～36 m。工作面開采煤層為5 號煤，含有1～3 層不穩定夾矸，煤層平均傾角為35°，平均厚度為10.5 m，煤頂頂底板如表1 所示。工作面傾斜長度105 m，走向長度728 m，綜放開采，全部垮落法處理頂板，工作面割煤高度為2.8 m，放煤高度為7.7 m。單向下行割煤，上行清煤，割煤2 刀放煤1 次，割煤步距600 mm，放煤步距1 200 mm。

表1 5 號煤頂底板巖性（m）

采用煤自燃傾向性的氧化動力學測定方法對5號煤層進行鑒定，結果表明，5 號煤層的判定指數I為738，為Ⅱ類自燃。采用程控升溫的方法確定5 號煤層的自燃標志性氣體為CO、C2H4、C2H2。當煤層出現低溫氧化現象時，可以檢測到CO。當局部溫度超過1200C 時，C2H4開始出現，氧化速度加快，當超過2860C 時，C2H2開始出現，表示煤層氧化進入劇烈反應階段。采用氧化動力學測定方法，測試推導出5 號煤的最短自然發火期為57 d。

2 “三帶”區域的確定

本次實測采用WRN 系列熱電偶和UT 系列測溫儀測試系統與束管抽氣系統，實驗室內分析采空區氣體成分，以氧氣含量為主要指標，以溫度為輔助指標，作為5-101 工作面采空區自燃“三帶”的劃分依據。

2.1 測點布置

本次測試采用在兩巷安設測點的方式，為提高精度，束管和熱電偶補償線沿采空區走向埋管，測點布置如圖1 所示。

圖1 兩巷測點布置圖

2.2 現場觀測方式

1）在工作面回采之前，兩巷各鋪設150 m 的2寸保護套管，270 m 的單芯束管和250 m 的溫度補償線。

2）在工作面兩巷將保束管、溫度補償線等穿入保護鋼管中，單芯束管外露長度不得小于500 mm。

3）在各個測點位置抽出束管和測溫導線，同時安裝探頭，用錨固劑將采樣點的三通封孔。

4）在兩巷內距離工作面120 m 處的束管和溫度補償線出口處進行取樣和觀測，頻率為每天1 次。

2.3 觀測結果

2.3.1 氧氣濃度觀測結果

當測點進入采空區后，每天采集1 次氣體樣本進行檢測，進風巷和回風巷3 號測點的觀測結果如圖2 所示。

圖2 3 號測點氧氣濃度觀測結果

由觀測結果可以看出，

1）工作面進風巷漏風相對嚴重，氧氣濃度較高。當工作面推至測點前方32.2 m 時，氧氣濃度開始下降到18%以下，并且呈逐漸下降的趨勢。當進入采空區51.9 m 時，氧氣濃度已經下降到8%以下，在工作面后方67.2 m，氧氣濃度保持穩定為3.2%。

2）進入采空區后，回風側的氧氣濃度下降較快。在工作面后方7.8 m 左右，氧氣濃度由初始的20.19%下降到17.19 %，并且基本呈線性趨勢持續下降。進入采空區20.65 m，氧氣濃度下降到8 %以下，為7.52%。

2.3.2 溫度觀測結果

采用溫升率K作為自燃三帶劃分的輔助指標，其表達式（1）：

式中：T1為采空區初始溫度，°C；T2為后期測定的采空區溫度，°C；Δd為時間差，天；ΔT為溫度差，°C。

以9 月15 日為第1 天，在觀測期內的溫升率變化曲線如圖3 所示。

圖3 兩巷溫升率變化曲線

由圖可以看出，從9 月25 日開始至10 月12日，回風側溫升速率K 基本穩定，為1 ℃/d，該時間段對應的采空區深度為7.9～21.6 m。對于進風側，從10 月24 日開始至11 月18 日，進風側溫度一直處于升高趨勢，該時間段對應的采空區深度為33～52.3 m。

2.4 “三帶”位置

根據兩巷的觀測結果，以18 %和8 %的氧氣濃度作為“三帶”劃分的依據，確定5-101 工作面兩巷采空區自燃三帶的位置見表2。

表 2 5-101 工作面“三帶”劃分（m）

3 首采面防滅火實踐

為實現綜放首采面的安全回采，采用黃泥灌漿、采空區注氮、加強監測等綜合防滅火措施[5-6]。

3.1 黃泥灌漿

利用已經建立的地面灌漿系統對采空區進行灌漿。主要設備為NL40-80 型粘土制漿機 1 臺、JFN-2B 型泥漿凈化機1 臺和100QW50-35-11 型灌漿泵2 臺。最大制漿量為50 m3/h。漿液土水比為1∶2～1∶3 之間。注漿管路為無縫鋼管，注漿方式為托管灌漿，管路布置如圖4 所示。

圖4 采空區埋管灌漿布置圖

如果工作面采空區出現煤自然發火征兆，則改用兩相泡沫進行階段性灌注，直至工作面或下隅角出現兩相泡沫外漏時停止。

3.2 采空區注氮

利用地面的3 套DM-1000 注氮系統對采空區進行注氮。工作面正常回采過程中采用開放式、間歇性注氮措施，每天注氮時間不小于16 h；遇地質構造，工作面推進速度小于1 m/d 時，每天24 h 注漿；在工作面封閉后，采用封閉式連續注氮。

在采空區預埋設注氮管路，開切眼開始每隔一定距離從順槽支管上引出預埋注氮支管，在注氮支管上安裝閘閥，以控制氮氣的注入量。根據采空區三帶的寬度，確定氮氣釋放口的間距為50 m。釋放口應高于巷道底板300 mm，與工作面平行，90°彎向采空區。如圖5 所示。

圖5 采空區注氮示意圖

3.3 應用效果

汾源礦安裝有KJ70N 型安全監控系統，可以實現對CO、溫度、煙霧等的動態監測。同時安設有JSG8 束管監測系統，可以實現采空區的自動取氣、連續監測。

從工作面回采開始，一直到工作面停采密閉后60 d，CO 氣體濃度保持在10×10-6左右，溫度低于29℃，采空區無自然發火現象。

4 結 論

1）實驗室測試表明汾源礦5 號煤層Ⅱ類自燃煤層，最短自然發火期為57 d，在綜放開采條件下的采空區存在一定的自然發火危險。

2）通過在工作面兩巷對采空區的氧氣濃度和溫度進行監測，確定進風巷和回風巷的自燃帶范圍分別為32.5～51.9 、7.8～20.6 m，該范圍是采空區防滅火治理的重點區域。

3）通過黃泥灌漿和采空區注氮等措施，工作面采空區CO 氣體濃度保持在10×10-6左右，溫度低于29℃，采空區無自然發火現象，實現了工作面的安全回采。