王莊煤業(yè)3801工作面采空區(qū)自燃三帶劃分研究

李會(huì)兵

(山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046000)

礦井火災(zāi)長期作為礦井五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著我國煤炭安全開采。在礦井火災(zāi)中，超過60%是由于采空區(qū)遺留煤炭自燃引發(fā)的，尤其對(duì)于大采高工作面回采，工作面斷面整體增大，需要風(fēng)量增加，采空區(qū)漏風(fēng)量隨之增多，加之工作面遺煤進(jìn)入采空區(qū)，為煤自燃創(chuàng)造了良好的條件，也給礦井防滅火工作帶來了極大困難[1-3]。探測(cè)采空區(qū)煤自燃“三帶”(散熱帶、自燃帶、窒息帶)的分布范圍、有針對(duì)性的采區(qū)防滅火措施，防治采空區(qū)遺煤自燃，對(duì)于礦井安全開采具有重要意義[4-5]。本文以王莊煤業(yè)3號(hào)煤層3801工作面采空區(qū)遺煤自燃防治為背景，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，準(zhǔn)確劃分了采空區(qū)煤自燃“三帶”，研究結(jié)果為礦井3號(hào)煤層防滅火工作提供了科學(xué)依據(jù)。

1 工程概況

山西長治王莊煤業(yè)有限責(zé)任公司隸屬于長治市長治縣，生產(chǎn)規(guī)模240萬t/a，井田面積16.690 2 km2，礦井采用斜井開拓，采用主通風(fēng)機(jī)全負(fù)壓抽出式通風(fēng)方式。3號(hào)煤層為不易自燃煤層，自燃傾向性等級(jí)為III級(jí)，具有爆炸危險(xiǎn)性。礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為11.01 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為2.6 m3/t，礦井瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井。

3801綜采工作面位于礦井3號(hào)煤層，煤層傾角1～6°，煤層平均厚度5.07 m，走向長度838.20 m，傾向長度242.17 m，工作面配風(fēng)量1 884 m3/min。工作面直接頂為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度5.20 m，屬中等穩(wěn)定頂板。老頂為細(xì)粒砂巖或中粒砂巖，平均厚度5.30 m，致密堅(jiān)硬，屬堅(jiān)硬巖石。直接底板為泥巖、砂質(zhì)泥巖，平均厚度 2.63 m，屬軟弱-中硬巖石。

2 “三帶”劃分依據(jù)

采空區(qū)氧氣含量能夠直接反應(yīng)煤氧化的情況，本次“三帶”劃分主要以采空區(qū)氧氣含量為主，一氧化碳、二氧化碳等其他氣體含量為輔。本次試驗(yàn)工作面氧氣含量指標(biāo)定為：通風(fēng)散熱帶O2含量≥18.0%，在通風(fēng)散熱帶內(nèi)，由于采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，造成采空區(qū)內(nèi)含氧量增加，遺煤氧化加劇，氧化生成的熱量被漏風(fēng)帶走，導(dǎo)致熱量不易集聚，整體溫度較低，遺煤不易自燃，定為通風(fēng)散熱帶；自燃帶O2含量10%～18.0%，該區(qū)域采空區(qū)漏風(fēng)依然嚴(yán)重，氧氣濃度較大，然而由于遺煤氧化生成的熱量不易被漏風(fēng)帶走，更容易氧化自燃，因此定為自燃帶；窒息帶O2含量≤10%，該區(qū)域采空區(qū)漏風(fēng)量小，含氧量較低，遺煤氧化生成的熱量少，遺煤自燃的可能性小，因此定為窒息帶。

3 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)分析

3.1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方案

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示：在采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)埋設(shè)取樣頭布置測(cè)點(diǎn)1、2，取樣管路采用束管，束管的外部采用D50 mm鋼管作為保護(hù)管，避免頂板來壓或端頭支架壓力對(duì)束管造成壓斷或破壞。束管的前端布置如圖2所示：取樣頭為2寸保護(hù)圓柱形鋼管，將鋼管上端封嚴(yán)，并將取樣頭鉆上無數(shù)的小孔，以便氣體進(jìn)入取樣頭，將束管單管伸入取樣頭并用封泥將進(jìn)口封嚴(yán)。束管單管從取樣頭出來后從采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的兩趟鋼管中穿出。隨著工作面的推進(jìn)，束管埋管逐漸伸入采空區(qū)內(nèi)，人工間斷地采樣監(jiān)測(cè)采空區(qū)束管測(cè)點(diǎn)的O2含量，以此劃分采空區(qū)三帶范圍。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖2 氣體取樣管的設(shè)置及保護(hù)(mm)

觀測(cè)期間要確認(rèn)整個(gè)束管及接點(diǎn)處無泄漏，每天采1次樣，每次采樣完后盡快分析；每個(gè)束管進(jìn)行氣體采樣之前，應(yīng)將束管內(nèi)的空氣排空，以保證氣樣來自采空區(qū)之內(nèi)；每次采樣時(shí)，應(yīng)詳細(xì)記錄工作面的生產(chǎn)情況，包括回采距離、采空區(qū)冒落、瓦斯涌出等。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場(chǎng)對(duì)3801工作面進(jìn)回風(fēng)兩條巷道采空區(qū)O2含量進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1及圖3、圖4所示。由圖表可以看出，在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣含量隨采空區(qū)深度延伸不斷降低。采空區(qū)5 m處，氧氣含量20.22%，采空區(qū)20 m處，氧氣含量18.45%，直到深入采空區(qū)125 m處，氧氣含量下降到了9.38%。在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣含量同樣隨采空區(qū)深度延伸不斷降低。采空區(qū)5 m處，氧氣含量19.16%，采空區(qū)10 m處，氧氣含量17.92%，直到深入采空區(qū)60 m處，氧氣含量下降到了9.64%。

表1 兩巷道采空區(qū)氧氣濃度變化

圖3 進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2含量隨采空區(qū)深度變化

圖4 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2含量隨采空區(qū)深度變化

由于工作面監(jiān)測(cè)是在上小隅角吊掛擋風(fēng)簾、導(dǎo)風(fēng)簾，風(fēng)量暢通，三角區(qū)無懸頂?shù)那闆r下監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，因此得到3801工作面采空區(qū)三帶分布范圍：在進(jìn)風(fēng)側(cè)由支架切頂線向采空區(qū)小于20 m為通風(fēng)散熱帶，在支架切頂線向采空區(qū)方向20～125 m為自燃帶，向采空區(qū)大于125 m為窒息帶。在回風(fēng)側(cè)由支架切頂線向采空區(qū)小于10 m為通風(fēng)散熱帶，在支架切頂線向采空區(qū)方向10～60 m為自燃帶，向采空區(qū)大于60 m為窒息帶，如圖5所示。采空區(qū)散熱帶和自燃帶總長為125 m，該區(qū)域內(nèi)氧氣充足，溫度適宜，為采空區(qū)遺煤自燃創(chuàng)造了良好的條件，應(yīng)當(dāng)提前制定采空區(qū)防滅火措施，防治采空區(qū)遺煤自燃。

圖5 采空區(qū)三帶分布范圍

4 工作面最小安全推進(jìn)度

根據(jù)工作面最小安全推進(jìn)度計(jì)算公式：

式中:L為散熱帶和自燃帶總長度，m;T為最短自然發(fā)火期，d。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，3801工作面采空區(qū)散熱帶和自燃帶總長為125 m，3號(hào)煤層最短自然發(fā)火期為113 d，因此該工作面生產(chǎn)過程中最小安全推進(jìn)度為1.1 m/d。當(dāng)工作面生產(chǎn)推進(jìn)度大于1.1 m/d時(shí)，采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火的概率較小，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)管理，預(yù)防為主；當(dāng)工作面生產(chǎn)推進(jìn)度小于1.1 m/d時(shí)，采空區(qū)遺煤自燃發(fā)火的概率較大，應(yīng)該及時(shí)關(guān)注遺煤自燃情況，采取對(duì)應(yīng)的防滅火措施。然而根據(jù)礦井生產(chǎn)實(shí)際情況，只要保證工作面正常生產(chǎn)不發(fā)生長時(shí)間停產(chǎn)現(xiàn)象，采空區(qū)遺煤基本不會(huì)發(fā)生自燃，日常應(yīng)該以預(yù)防為主、治理為輔進(jìn)行采空區(qū)遺煤自燃管理。

5 結(jié) 語

1) 3801工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃三帶分別為：散熱帶：0～20 m，自燃帶：20～125 m，窒息帶為大于125 m。

2) 3801工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃三帶分別為：散熱帶：0～10 m，自燃帶：10～60 m，窒息帶為大于60 m。

3) 根據(jù)自燃“三帶”分布范圍，得出3801工作面最小安全推進(jìn)度為1.1 m/d,在目前的開采條件和推進(jìn)速度條件下，采空區(qū)遺煤不會(huì)自燃，不需要采取主動(dòng)防滅火措施。