綜放工作面注氮條件下采空區(qū)自燃“三帶”劃分

卓聰志

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山西 太原 030053）

對(duì)開(kāi)采自燃、容易自燃煤層的礦井，采空區(qū)自然發(fā)火是回采工作面的潛在隱患，因采空區(qū)自然發(fā)火而引發(fā)的事故往往會(huì)造成極其嚴(yán)重的人員傷亡和難以挽回的經(jīng)濟(jì)財(cái)產(chǎn)損失。由于綜放工作面采空區(qū)遺煤較多，采空區(qū)存在自然發(fā)火的安全隱患[1-2]。因此，需要對(duì)汾源煤業(yè)5-102 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行分析，并計(jì)算工作面的安全推進(jìn)度，為工作面實(shí)現(xiàn)安全回采提供技術(shù)保障。

1 5-102 綜放工作面基本情況

汾源煤業(yè)礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為1.45 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為0.89 m3/t，回采工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.93 m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.10 m3/min，屬低瓦斯礦井。礦井目前主要開(kāi)采5 號(hào)煤層，屬自燃煤層，最短自然發(fā)火期83 d，煤塵具爆炸性。

5-102 綜放工作面位于一采區(qū)南側(cè)，北部為回風(fēng)下山，西部為設(shè)計(jì)的5-104 工作面，東部、南部均為未開(kāi)采的實(shí)體煤，東部距可采區(qū)邊界最小平距為138 m，蓋山厚度381～417 m。5 號(hào)煤層煤厚9.9～19 m，平均厚度14.77 m，煤層傾角23°～27°，平均傾角25°。5-102 綜放工作面煤層整體呈單斜構(gòu)造，煤層走向?yàn)镹13°W～N8°E，傾向?yàn)镾W～NW。該工作面煤層頂?shù)装迩闆r如表1所示。

表1 5-102 綜放工作面煤層頂板情況

5-102 綜放工作面走向長(zhǎng)650 m，傾斜寬108 m，采用“U”型通風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)際配風(fēng)量為900 m3/min。5-102 綜放工作面的割煤高度、 放煤高度分別為2.8 m、11.97 m，一刀一放，割煤步距0.6 m。采用全部垮落法管理頂板。

5-102 綜放工作面采用注氮措施進(jìn)行防滅火。礦井地面建有PSA97-1000 型碳分子篩變壓吸附制氮裝置1 套，配備SA-250A 型固定式風(fēng)冷型螺桿空氣壓縮機(jī)1 臺(tái)。氮?dú)廨斔凸苈方?jīng)地面制氮站由副斜井敷設(shè)Φ159 mm×4.5 mm 型煤礦井下用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂覆層復(fù)合無(wú)縫鋼管經(jīng)過(guò)輔運(yùn)大巷連接至5-102 綜放工作面運(yùn)輸巷口，進(jìn)風(fēng)巷用Φ133 mm×4 mm 型煤礦井下用纖維增強(qiáng)樹(shù)脂覆層復(fù)合無(wú)縫鋼管，與大巷Φ159 mm×4.5 mm 型管路通過(guò)三通連通。工作面推進(jìn)度大于0.6 m/d時(shí)，采用8 h 間斷性注氮； 推進(jìn)度小于0.6 m/d時(shí)，停采撤架期間，或因遇地質(zhì)破碎帶、機(jī)電設(shè)備等原因造成工作面推進(jìn)緩慢時(shí)，采用連續(xù)性注氮，注氮量510 m3/h。

2 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法

2.1 采空區(qū)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)

綜合國(guó)內(nèi)外研究成果，綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)為[3-6]：散熱帶氧氣濃度＞18%；氧化帶氧氣濃度8%≤O2≤18%； 窒息帶氧氣濃度＜8%。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)點(diǎn)布置

利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用局部布點(diǎn)法布置測(cè)點(diǎn)如圖1所示。束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由測(cè)試鋼管、保護(hù)套管和抽采泵組成，在5-102 綜放工作面兩道預(yù)先埋設(shè)束管，采用Φ50 mm 鋼管約48 根、花管8個(gè)和2 根高壓膠管，每個(gè)花管內(nèi)均設(shè)置1 個(gè)氣體取樣頭和1 個(gè)溫度傳感器。井下束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)連接地面氣相色譜儀分析測(cè)試系統(tǒng)，束管測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)后，利用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)每日采集一次采空區(qū)氣樣分析氧氣濃度數(shù)據(jù)。人工采樣分析采空區(qū)氧氣濃度也是每日采一次樣。針對(duì)工作面實(shí)際推進(jìn)情況，適當(dāng)調(diào)整采樣與分析的時(shí)間間隔。

圖1 5-102 綜放工作面采空區(qū)測(cè)點(diǎn)布置

（1）沿5-102 綜放工作面進(jìn)風(fēng)巷底板布置束管測(cè)點(diǎn)1 和束管測(cè)點(diǎn)2，邁步間距30 m，且距注氮釋放口21 m。沿5-102 綜放工作面回風(fēng)巷底板布置束管測(cè)點(diǎn)3 和束管測(cè)點(diǎn)4，邁步間距30 m。

（2）5-102 綜放工作面采空區(qū)束管使用Φ50 mm無(wú)縫鋼管進(jìn)行保護(hù)，托管法蘭盤(pán)來(lái)連接無(wú)縫鋼管。束管及保護(hù)管沿巷道底板鋪設(shè)，距幫0.1 m。

（3）5-102 綜放工作面采空區(qū)束管測(cè)點(diǎn)1、束管測(cè)點(diǎn)3 進(jìn)入采空區(qū)30 m 時(shí)，預(yù)埋束管測(cè)點(diǎn)2、束管測(cè)點(diǎn)4。如束管測(cè)點(diǎn)1、束管測(cè)點(diǎn)3 監(jiān)測(cè)氧氣濃度大于等于8%，嚴(yán)禁切斷測(cè)點(diǎn)束管，直到測(cè)點(diǎn)氧氣濃度小于8%。

每隔80 m 留設(shè)人工采樣口，利用束管直通與預(yù)埋束管進(jìn)行連接。人工采樣時(shí)，利用CFZ20 型氣體自動(dòng)負(fù)壓采樣器進(jìn)行采樣。束管監(jiān)測(cè)時(shí)，束管直通與預(yù)埋束管進(jìn)行連接監(jiān)測(cè)。

3 綜放工作面采空區(qū)數(shù)據(jù)采集及分析

3.1 綜放工作面采空區(qū)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度變化

自2021年1月10日到2021年3月16日，5-102 綜放工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)束管測(cè)點(diǎn)1 距工作面距離及氧氣濃度變化曲線如圖2所示。

圖2 工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)束管測(cè)點(diǎn)1 氧氣濃度變化

自2020年12月6日到2021年1月16日，5-102 綜放工作面回風(fēng)側(cè)束管測(cè)點(diǎn)3 距工作面距離及氧氣濃度變化曲線如圖3所示。

圖3 工作面回風(fēng)側(cè)束管測(cè)點(diǎn)3 氧氣濃度變化

3.2 綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果

根據(jù)采空區(qū)氧氣濃度變化情況，按照上述綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)，5-102 綜放工作面采用注氮防火條件下，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)30 m前為散熱帶，30～80.5 m 為氧化帶，80.5 m 后為窒息帶；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)18 m 前為散熱帶，18～31 m為氧化帶，31 m 后為窒息帶。工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果如圖4所示。

圖4 工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果

3.3 綜放工作面安全推進(jìn)度（最小推進(jìn)度）

利用下式計(jì)算5-102 綜放工作面安全推進(jìn)度（最小推進(jìn)度）。

式中：Vmin為綜放工作面安全推進(jìn)度 （最小推進(jìn)度），m/d；Lmax為綜放工作面采空區(qū)氧化帶最大寬度，取值50.5 m；τmin為5 號(hào)煤的最短自然發(fā)火期，取值83 d；γ 為因井下與地面空氣存在密度差而取的安全系數(shù)，取值1.2。

將上述各項(xiàng)參數(shù)代入式（1）經(jīng)計(jì)算可以得出，Vmin=0.73 m/d。

綜上分析，5-102 綜放工作面在采取現(xiàn)行的防滅火措施條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)度≤0.73 m/d 時(shí)，采空區(qū)可能發(fā)生自然發(fā)火； 當(dāng)工作面推進(jìn)度＞0.73 m/d 時(shí)，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性較低。而目前5-102 綜放工作面平均推進(jìn)度為1.2 m/d，因此，工作面在采取開(kāi)放式、連續(xù)性注氮的措施情況下，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性較低。

4 結(jié)論

通過(guò)采用束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)汾源煤業(yè)5-102綜放工作面采空區(qū)氧氣濃度變化情況，劃分工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍，并計(jì)算工作面的安全推進(jìn)度，得出的主要結(jié)論如下：

1）5-102 綜放工作面采用注氮防火條件下，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)30 m 前為散熱帶，30～80.5 m 為氧化帶，80.5 m 后為窒息帶?；仫L(fēng)側(cè)采空區(qū)18 m 前為散熱帶，18～31 m 為氧化帶，31 m 后為窒息帶。

2）5-102 綜放工作面在采取現(xiàn)行的防滅火措施條件下，當(dāng)工作面推進(jìn)度≤0.73 m/d 時(shí)，采空區(qū)可能發(fā)生自然發(fā)火； 當(dāng)工作面推進(jìn)度＞0.73 m/d時(shí)，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性較低。而目前5-102 綜放工作面平均推進(jìn)度為1.2 m/d。

因此，工作面在采取開(kāi)放式、連續(xù)性注氮的措施情況下，采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)性較低。