采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”測(cè)定及自燃防治技術(shù)研究

于國(guó)志 李富強(qiáng) 鄭 馨

（沈陽(yáng)焦煤股份有限公司紅陽(yáng)三礦，遼寧 遼陽(yáng) 111307）

紅陽(yáng)三礦北二1210-2 工作面最大采深-948 m，該工作面為下覆回采煤層，屬于Ⅲ類(lèi)不易自燃，最短發(fā)火期87 d。在回采過(guò)程中有兩條（5 m 寬和10 m 寬）煤柱一直伴隨回采結(jié)束，煤柱上層不采煤層遺落在采空區(qū)內(nèi)，容易引起自然發(fā)火，對(duì)防火工作非常不利。為了防止礦井在回采過(guò)程發(fā)生煤自燃災(zāi)害，保證礦井安全生產(chǎn)，有必要通過(guò)雙參數(shù)（O2—CO）的濃度值來(lái)分析劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”寬度和發(fā)火危險(xiǎn)程度，有針對(duì)性地采取正確可靠的防火措施，為礦井火災(zāi)防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

紅陽(yáng)三礦北二1210-2 工作面所采煤層為12 煤與13 煤的復(fù)合煤層。12 煤由12-1 煤和12-2 煤組成，12-1 煤平均厚1.60 m，12-2 煤平均厚1.45 m，兩層煤層間距平均為1.00 m，夾矸巖性為泥巖。12-2 煤與13 煤層間距為1.30 m，夾矸巖性為細(xì)砂巖。

工作面設(shè)計(jì)為三巷布置，“W 型”通風(fēng)，兩側(cè)順槽入風(fēng)，中間順槽回風(fēng)，工作面面長(zhǎng)409 m。其中工作面上段長(zhǎng)181 m，回采13 煤，下段長(zhǎng)228 m，回采12-2 煤與13 煤，工作面可推進(jìn)長(zhǎng)度為929 m。

緊鄰北側(cè)1#運(yùn)輸順槽（下順）有4.5 m 寬12煤與13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤將會(huì)留在頂板；1210-2 中順回風(fēng)順槽北側(cè)間隔9 m 后，有10 m 寬12 煤與13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤和部分12-2 煤將會(huì)留在頂板，未采的12 煤層會(huì)垮落至采空區(qū)內(nèi)，有自然發(fā)火隱患。

該工作面共有斷層18 處，其中落差＜0.5 m 有1 處，0.5 m ≤落差＜1 m 有8 處，落差≥1 m 有9 處。

2 自然發(fā)火測(cè)定

2.1 測(cè)定方法

煤炭氧化后隨著氧化進(jìn)程的不同將依次釋放出各種氣體，這些氣體的出現(xiàn)及釋放量基本能準(zhǔn)確反映煤炭氧化自燃程度。因此，準(zhǔn)確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時(shí)地預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)煤炭自燃情況，為防治工作提供科學(xué)指導(dǎo)。

該測(cè)定利用向采空區(qū)內(nèi)埋入的束管取氣樣化驗(yàn)分析，采用雙參數(shù)（O2—CO） 的濃度值確定采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”寬度和發(fā)火危險(xiǎn)程度，采用綜合數(shù)據(jù)分析能夠更準(zhǔn)確地判斷不同區(qū)間段的自然發(fā)火情況，更加充分保證“三帶”范圍劃分下防火措施應(yīng)用的科學(xué)性、合理性。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶“劃分依據(jù)

根據(jù)實(shí)際情況及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定技術(shù)條件等因素影響，采用以氧氣濃度劃分法為主，輔助CO 濃度測(cè)定，判斷“三帶”區(qū)段內(nèi)自然發(fā)火發(fā)展程度。

3 個(gè)區(qū)段內(nèi)的O2濃度隨采空區(qū)垮落密實(shí)度的不同而漏風(fēng)風(fēng)速不同，O2濃度會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)O2濃度值的大小，將采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火劃分為“三帶”，即散熱帶（O2≥18%，）、氧化升溫帶（18%＞O2＞7%，）、窒息帶（O2≤7%）。

煤炭自燃的決定性因素是氧氣濃度的供給。通過(guò)測(cè)定采空區(qū)氧氣濃度的大小，作為劃分氧化自燃“三帶”的依據(jù)，由于束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用，使之變得簡(jiǎn)便可行。通過(guò)采空區(qū)預(yù)設(shè)取樣束管，結(jié)合氣相色譜儀，對(duì)采空區(qū)氣體成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，這是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法，也是最有效的實(shí)測(cè)方法。這種實(shí)測(cè)方法的關(guān)鍵在于采空區(qū)測(cè)點(diǎn)的設(shè)置。

2.3 采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置

該測(cè)定點(diǎn)布置在有煤柱的下段工作面，沿工作面方向布置7 個(gè)測(cè)點(diǎn)。在下順槽貼近煤幫布置第一個(gè)測(cè)點(diǎn)。根據(jù)煤柱卸壓角保護(hù)范圍計(jì)算，得出了采空區(qū)不易冒落區(qū)，該區(qū)應(yīng)布置測(cè)點(diǎn)，即在靠近下順槽5 m 寬煤柱邊沿的下風(fēng)側(cè)布置第2 個(gè)測(cè)點(diǎn)。第6個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在10 m 寬煤柱邊沿的上風(fēng)側(cè)，第7 個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在回風(fēng)順槽正對(duì)采空區(qū)內(nèi)，其他3 個(gè)測(cè)點(diǎn)按照50 m 間距，均勻布置。每個(gè)測(cè)點(diǎn)布置一根束管，并用Φ4 mm 帶有螺紋絲口的鐵管做外套保護(hù)，防止束管進(jìn)入采空區(qū)后被砸斷，每回采1.4 m 延接一次護(hù)套管，并使用黃泥封堵護(hù)套管內(nèi)孔，同時(shí)每天人工對(duì)束管取一次氣樣使用氣相色譜儀進(jìn)行化驗(yàn)。測(cè)點(diǎn)束管布置如圖1。

圖1 測(cè)點(diǎn)束管布置示意

2.4 測(cè)定數(shù)據(jù)分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，O2濃度分布場(chǎng)在采空區(qū)內(nèi)具有一定的規(guī)律，但受采空區(qū)邊界保護(hù)煤柱及多種物理因素影響又有不同，如圖2。

圖2 束管監(jiān)測(cè)O2 曲線圖

靠近入風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)的散熱帶寬度為28 m、氧化升溫帶寬度為30 m，靠近回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)的散熱帶寬度為13 m、氧化升溫帶寬度為15 m，中部采空區(qū)散熱帶寬度為13 m、氧化升溫帶寬度為15 m，如圖3。

圖3 北二1210-2 采空區(qū)自然“三帶”區(qū)間分布圖（m）

分析圖2、圖3 可知，受采空區(qū)保護(hù)煤柱影響，靠近入回風(fēng)側(cè)煤幫10 m 左右范圍內(nèi)的采空區(qū)散熱帶和氧化升溫帶區(qū)間都要比采空區(qū)中部寬15 m，靠近回風(fēng)側(cè)煤柱附近前后1～2 m 范圍內(nèi)進(jìn)入散熱帶和氧化升溫帶滯后采空區(qū)中部4～5 m，說(shuō)明煤柱未采煤層進(jìn)入采空區(qū)后比再生頂板要有更好的完整性，較大的塊體之間更容易形成空隙。從測(cè)定數(shù)據(jù)可以看出，排除受煤柱的因素影響，“三帶”的分界線基本與工作面平行，再生頂板下開(kāi)采破碎的采空區(qū)頂板垮落基本一致，靠近回風(fēng)順槽側(cè)的采空區(qū)沒(méi)有形成與工作回風(fēng)壓力相等的低負(fù)壓渦流區(qū)，說(shuō)明“W型”通風(fēng)方式無(wú)回風(fēng)隅角，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流運(yùn)移軌跡呈一次方程流動(dòng)。

檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，從進(jìn)入采空區(qū)開(kāi)始就有CO，其濃度入風(fēng)巷道側(cè)采空要比采空區(qū)中部和回風(fēng)側(cè)采空區(qū)值要小，且其出現(xiàn)的要晚。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示CO濃度與O2濃度成反比，并且在氧化升溫帶區(qū)間內(nèi)沒(méi)有明顯的增長(zhǎng)，進(jìn)入窒息帶后濃度值保持一個(gè)較平穩(wěn)的狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)自然發(fā)火跡象。采空區(qū)CO測(cè)定曲線如圖4。

圖4 采空區(qū)CO 濃度測(cè)定曲線圖

在測(cè)氧法劃分出采空區(qū)自燃“三帶”后，通過(guò)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體CO 對(duì)其輔助驗(yàn)證。數(shù)據(jù)分析顯示，在散熱帶：CO 濃度沒(méi)有增加，說(shuō)明測(cè)定的散熱帶沒(méi)有蓄熱條件，沒(méi)有自然發(fā)火危險(xiǎn)；氧化升溫帶：CO 濃度稍有升高，有輕微氧化現(xiàn)象，說(shuō)明采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速的降低構(gòu)成了蓄熱和氧化條件且沒(méi)有將產(chǎn)生的CO 及時(shí)稀釋沖淡，應(yīng)加強(qiáng)重視遺煤在氧化升溫帶內(nèi)的防火措施；窒息帶：CO 濃度較氧化升溫帶又稍有升高，O2濃度降到2%～7%之間后，CO 濃度處在比較平穩(wěn)狀態(tài)且沒(méi)有發(fā)展到自然發(fā)火濃度值，沒(méi)有因?yàn)樵谇椎販匦顭岷兔貉趸顭釛l件下出現(xiàn)自然發(fā)火跡象。采用雙參數(shù)（O2—CO）測(cè)定采空區(qū)自燃“三帶”的技術(shù)應(yīng)用及測(cè)定點(diǎn)的布置方式通過(guò)實(shí)際應(yīng)用得到了驗(yàn)證，符合采空區(qū)自燃“三帶”的劃分標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)應(yīng)用是可行和可靠的。

3 自然發(fā)火防治措施

3.1 CO 來(lái)源分析及防火重點(diǎn)

北二1210-2 采煤工作面為下覆開(kāi)采，在上覆開(kāi)采中留有平均100 mm 厚的浮煤，在上覆回采過(guò)程中遺留在采空區(qū)中，期間與O2充分接觸后出現(xiàn)CO，吸附在遺煤和垮落的頂板碎矸縫隙中。在該回采過(guò)程中與細(xì)碎的再生頂板一起暴露在工作面及液壓支架后面，從工作面頂板落煤及碎矸中檢測(cè)到（1～1.5）×10-5濃度的CO，即可證明再生頂板和上覆遺煤中存有CO。

根據(jù)采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律，從采空區(qū)入風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)的氣體濃度值是疊加的，越靠近回風(fēng)側(cè)巷道其值越高。從檢測(cè)數(shù)據(jù)觀察在本層煤回采中沒(méi)有出現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，煤柱附近測(cè)定的CO 濃度較其他測(cè)定濃度值相對(duì)要大，但還沒(méi)有達(dá)到自然發(fā)火濃度臨界值以上，且其不是成線性不斷增長(zhǎng)，說(shuō)明本層開(kāi)采從工作面煤層暴露開(kāi)始到進(jìn)入采空區(qū)窒息帶期間沒(méi)有嚴(yán)重的自然發(fā)火危險(xiǎn)。

煤柱上部的1.6 m 厚的煤體落入采空區(qū)后會(huì)垮落形成較多破碎面，與O2接觸后極易氧化、蓄熱產(chǎn)生自然發(fā)火隱患，因此重視煤柱的防火及正確防火措施的采取是今后防火工作的重點(diǎn)。

3.2 防火措施

從采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定的數(shù)據(jù)，分析得出重點(diǎn)防火位置是入回風(fēng)巷道煤幫、兩條煤柱及有一定厚度的頂板遺煤。在遺煤進(jìn)入采空區(qū)58 m 以后就已經(jīng)完全進(jìn)入窒息帶，以后便可以不用采取防火措施。

目前實(shí)際采取的措施：

（1）向兩條煤柱及其附近和有頂板遺煤的位置注入能夠完全覆蓋遺留在采空內(nèi)遺煤的白泥；

（2）向入回風(fēng)巷幫鋪掛防滅火材料，達(dá)到煤幫與O2隔絕，防止出現(xiàn)氧化；

（3）在入風(fēng)順槽向采空區(qū)埋入注砂管，每回采20～30 m 時(shí)向采空區(qū)注一次砂，通過(guò)壓力控制注砂量，起到封堵采空區(qū)漏風(fēng)目的；

（4）控制回采進(jìn)度，在為期35 d 回采距離58 m 的“三帶”測(cè)定數(shù)據(jù)顯示中沒(méi)有出現(xiàn)自然發(fā)火，證明35 d 的自然發(fā)火期沒(méi)有達(dá)到最短發(fā)火期，時(shí)間上是安全的，月回采58 m 是安全距離，即確定在采取以上防火措施的情況下，一個(gè)月內(nèi)平均每天的推進(jìn)度的安全距離是不小于1.66 m。

4 結(jié)語(yǔ)

運(yùn)用O2濃度值的大小測(cè)定出北二1210-2 工作面“三帶”范圍，運(yùn)用CO 濃度值驗(yàn)證“三帶”區(qū)段的自然發(fā)火的發(fā)展程度。采空區(qū)自然“三帶”劃分結(jié)果表明，沿采空區(qū)走向上，采空區(qū)氧化帶的范圍非線性分布，入風(fēng)巷道側(cè)區(qū)段寬度最大，煤柱段次之，采空區(qū)其他部分基本一致。從采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定的數(shù)據(jù)，結(jié)合工作面回采實(shí)際，分析得出重點(diǎn)防火位置是入回風(fēng)巷道煤幫、兩條煤柱及有一定厚度的頂板遺煤，以此為指導(dǎo)，提出了注白泥、鋪掛防滅火材料、埋注砂管、控制回采進(jìn)度等治理措施，起到了良好的防滅火效果。