束管監(jiān)測華勝煤礦3203回采工作面采空區(qū)自然發(fā)火情況

趙基國

(山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206)

采空區(qū)自燃“三帶”觀測是工作面防火的重要手段之一，當前常用的觀測方法為測溫法和測氣體濃度法兩種[1]。測溫法、測氣體濃度法主要是在采空區(qū)預埋一定數(shù)量的熱電偶、抽氣管來實現(xiàn)測試采空區(qū)內(nèi)各點溫度、氣體(主要是O2、CO等)濃度變化的目的，再根據(jù)觀測數(shù)據(jù)繪制等溫線、氣體濃度等值線，進而劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

對于測溫法，由于連接信號采集器與熱電偶間的導線較細，在生產(chǎn)過程中很容易被損壞，易導致觀測工作的失敗，故這一方法目前使用較少。而使用測氣體濃度法時，抽氣管的保護較易實現(xiàn)，故這一方法得到了較廣泛的應用。為深入研究礦井采空區(qū)不同位置處氣體成份組成、提高采空區(qū)內(nèi)部監(jiān)測范圍精度、進一步深入分析采空區(qū)“三帶”的變化規(guī)律，本文在華勝礦3203工作面利用多芯束管同時監(jiān)測的方法，對采空區(qū)內(nèi)部不同位置的情況進行實時監(jiān)控，為工作面防滅火工作提供指導。

1 3203回采工作面概況

華勝煤業(yè)位于山西省蒲縣縣城東部20 km處，行政區(qū)劃屬喬家灣鄉(xiāng)管轄。生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a，面積8.961 1 km2。工作面北側(cè)為3202工作面，已回采，該工作面無地質(zhì)構(gòu)造，工作面主要水源為上覆含水層補給，涌水量2 m3/h；工作面西側(cè)為實體煤層，南側(cè)為3204工作面未開采煤層及小煤窯破壞區(qū)，主要水源為上覆含水層補給，東側(cè)為3條大巷。傾斜長度199 m，走向可采長度500 m，平均采高2.4 m。采用走向長壁綜采一次采全高后退式回采，全部冒落法管理頂板。最短自然發(fā)火期為51 d。

2 采空區(qū)自燃“三帶”監(jiān)測

2.1 束管布置

2.1.1 束管測點位置布置

在綜合考慮工作面現(xiàn)狀和礦井現(xiàn)有設(shè)施的基礎(chǔ)上，擬準備在工作面上、下隅角區(qū)域布置采樣束管。隨著工作面的推進，束管進入采空區(qū)，通過束管采樣，分析采空區(qū)不同位置束管氣體成份[2]，確定CO、CH4、O2等氣體濃度，判斷采空區(qū)煤自燃狀態(tài)，根據(jù)O2濃度的變化規(guī)律，確定采空區(qū)自燃危險區(qū)域和窒息帶的范圍分布[3]。

束管共有8組，分別設(shè)置在進風巷道和回風巷道內(nèi)，隨著工作面推進，每間隔20 m預埋1個三通(保護管)，長10 cm，內(nèi)置1根束管，能夠監(jiān)測160 m范圍。置入采空區(qū)的束管需放置在2寸保護鐵管中，鐵管沿底板靠外幫一側(cè)放置。利用已有束管系統(tǒng)自動采樣(或者采用移動式采樣泵或真空泵逐點人工采樣)，通過地面氣相色譜分析采樣氣體成份。多芯束管可監(jiān)測的采空區(qū)范圍為0～300 m，8組同時監(jiān)測的范圍為0～160 m，工作面束管布置示意見圖1。

2.1.2 束管采樣口布置

在工作面上、下隅角區(qū)域預先埋設(shè)采樣束管，同時每間隔20 m位置留出1個束管取樣口，三通保護及氣體取樣管的設(shè)置見圖2。隔離密封材料可采用橡膠塞或者適量黃泥，在完成密封后應檢查各個束管通氣性。

圖1 工作面束管監(jiān)測測點布置示意

圖2 三通保護及氣體取樣管示意

2.1.3 觀測實施方案

上、下風巷束管布置完畢后，第一個束管進入工作面后開始采樣，采樣主要使用礦井原有的束管系統(tǒng)，自動采樣、自動分析。測試主要氣體包括O2、CO、CH4等濃度值，記錄各測點距離工作面位置，以及各個樣本組分的分析結(jié)果及時間。將各測點、各組分的分析結(jié)果在坐標紙上標注，以掌握各測點、各組分氣體濃度的變化趨勢。整個采樣工作從第一點開始直至工作面回采過第一采樣點300 m。當采空區(qū)內(nèi)某一測點氣樣中的O2濃度值穩(wěn)定并低于8%時，認為該處已經(jīng)進入采空區(qū)窒息帶內(nèi)，隨即停止該點的觀測工作，并將該點至工作面距離作為采空區(qū)危險帶寬度的參考依據(jù)。

2.2 工作面束管監(jiān)測結(jié)果分析

1) 采空區(qū)自燃危險區(qū)域。一般學者認為以氧濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”的標準是：通風散熱帶為C(O2)≥18%；自燃帶為18%>C(O2)>10%；窒息帶為C(O2)<10%[1]。華勝礦3203工作面“三帶”束管觀測結(jié)果如圖3和圖4所示。

束管監(jiān)測期間，工作面配風量2 300 m3/min左右，進風側(cè)采空區(qū)0～59 m，C(O2)≥18%，為通風散熱帶；59～105 m，18%>C(O2)>10%，為氧化自燃帶；105 m之后，C(O2)<10%，為窒息帶；回風側(cè)采空區(qū)0～40 m，C(O2)≥18%，為通風散熱帶；40～81 m，18%>C(O2)>10%，為自燃帶；81 m之后，C(O2)<10%，為窒息帶。

圖3 采空區(qū)深部氧氣濃度隨工作面距離變化關(guān)系

由圖3可知，隨著工作面向前推進，采空區(qū)內(nèi)氧濃度逐漸降低。在同一測點，進風側(cè)氧濃度高于回風側(cè)，可以認為進風側(cè)氧濃度的降低速度更慢。進風側(cè)氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關(guān)系回歸曲線為：

y=7×10-8x4-3×10-5x3+0.001 8x2-0.081 3x+21.155

回風側(cè)氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關(guān)系回歸曲線為：

y=3×10-9x4-2×10-5x3+0.004 2x2-0.112 6x+19.267

工作面壓注液態(tài)CO2期間，采空區(qū)深部O2濃度隨工作面距離變化關(guān)系如圖4所示。從圖中可看出，進風側(cè)采空區(qū)0～30 m，C(O2)≥18%，為通風散熱帶；30～66 m，18%>C(O2)>10%，為氧化自燃帶；66 m之后，C(O2)<10%，為窒息帶；回風側(cè)采空區(qū)0～10 m，C(O2)≥18%，為通風散熱帶；10～32 m，18%>C(O2)>10%，為自燃帶；32 m之后，C(O2)<10%，為窒息帶。

圖4 壓注CO2后采空區(qū)深部氧濃度隨工作面距離變化曲線圖

壓注液態(tài)CO2后進風側(cè)氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關(guān)系回歸曲線為：

y=5.3×10-7x4-8.8×10-5x3+0.002 9x2-0.127x+20.964

壓注液態(tài)CO2后回風側(cè)氧氣濃度C(x)與工作面距離x之間關(guān)系回歸曲線為：

y=-7×10-7x4+1×10-4x3-0.004 6x2-0.325 6x+21.451

2) 工作面極限推進速度確定。采空區(qū)的“三帶”隨工作面的推進向前移動，煤自燃發(fā)火期51 d，以自燃帶距工作面最遠105 m計算，工作面月推進速度應大于58 m，可以避免三帶中的遺煤發(fā)生自燃。

因此，若工作面推進速度高于1.72 m/d，采空區(qū)就不會發(fā)生煤炭自燃事件，否則就有可能自燃發(fā)火。按照工作面實際計劃，3203工作面平均日推進度為5.3 m，速度遠遠超過采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃現(xiàn)象時的臨界推進速度，因此在正常開采條件下，不會引起浮煤自燃。

如圖5所示，工作面回采期間保持較高的推進速度，月進尺約120 m，工作面采空區(qū)未觀測到CO。束管監(jiān)測區(qū)域(退尺780～970 m)，CO濃度得到了很好的控制。工作面正常回采期間上隅角CO濃度為(4～76)×10-6，平均18×10-6，CO峰值出現(xiàn)在工作面停采收作期間。

圖5 束管監(jiān)測期間工作面上隅角CO濃度變化曲線圖

圖6為工作面回采期間回風瓦斯?jié)舛扰c工作面風量隨工作面退尺變化關(guān)系。工作面配風量基本為2 200～3 000 m3/min，在工作面停產(chǎn)期間配風量下調(diào)至680～1 500 m3/min，回風瓦斯?jié)舛然镜陀?.5%.實現(xiàn)了煤層安全高效生產(chǎn)。

圖6 工作面回風瓦斯?jié)舛扰c風量隨退尺變化關(guān)系曲線圖

3 結(jié) 語

通過在工作面采空區(qū)布置束管監(jiān)測采空區(qū)內(nèi)部氣體含量變化情況，得到了采空區(qū)內(nèi)部氣體成分隨時間的變化規(guī)律，能夠較為準確地預測預報采空區(qū)內(nèi)煤炭自燃情況，掌握采空區(qū)自燃“三帶”發(fā)展動態(tài)，及時制定工作面推進速度調(diào)整方案或防滅火計劃。