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(dāng)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(yù)埋一定數(shù)量的熱電偶、抽氣管來實(shí)現(xiàn)測試采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)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(jìn)而劃分采空區(qū)自燃“三帶”。

對(duì)于測溫法，由于連接信號(hào)采集器與熱電偶間的導(dǎo)線較細(xì)，在生產(chǎn)過程中很容易被損壞，易導(dǎo)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(shí)，抽氣管的保護(hù)較易實(shí)現(xiàn)，故這一方法得到了較廣泛的應(yīng)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(jìn)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(shí)監(jiān)測的方法，對(duì)采空區(qū)內(nèi)部不同位置的情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，為工作面防滅火工作提供指導(dǎo)。

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(bǔ)給，涌水量2 m3/h；工作面西側(cè)為實(shí)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(bǔ)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(diǎn)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(zhǔn)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(jìn)，束管進(jìn)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(xiǎn)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(jìn)風(fēng)巷道和回風(fēng)巷道內(nèi)，隨著工作面推進(jìn)，每間隔20 m預(yù)埋1個(gè)三通(保護(hù)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(hù)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(dòng)采樣(或者采用移動(dòng)式采樣泵或真空泵逐點(diǎn)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(shí)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(yù)先埋設(shè)采樣束管，同時(shí)每間隔20 m位置留出1個(gè)束管取樣口，三通保護(hù)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(yīng)檢查各個(gè)束管通氣性。

圖1 工作面束管監(jiān)測測點(diǎn)布置示意

圖2 三通保護(hù)及氣體取樣管示意

2.1.3 觀測實(shí)施方案

上、下風(fēng)巷束管布置完畢后，第一個(gè)束管進(jìn)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(dòng)采樣、自動(dòng)分析。測試主要?dú)怏w包括O2、CO、CH4等濃度值，記錄各測點(diǎn)距離工作面位置，以及各個(gè)樣本組分的分析結(jié)果及時(shí)間。將各測點(diǎn)、各組分的分析結(jié)果在坐標(biāo)紙上標(biāo)注，以掌握各測點(diǎn)、各組分氣體濃度的變化趨勢。整個(gè)采樣工作從第一點(diǎn)開始直至工作面回采過第一采樣點(diǎn)300 m。當(dāng)采空區(qū)內(nèi)某一測點(diǎn)氣樣中的O2濃度值穩(wěn)定并低于8%時(shí)，認(rèn)為該處已經(jīng)進(jìn)入采空區(qū)窒息帶內(nèi)，隨即停止該點(diǎn)的觀測工作，并將該點(diǎn)至工作面距離作為采空區(qū)危險(xiǎn)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(xiǎn)區(qū)域。一般學(xué)者認(rèn)為以氧濃度劃分采空區(qū)自燃“三帶”的標(biāo)準(zhǔn)是：通風(fēng)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(fēng)量2 300 m3/min左右，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)0～59 m，C(O2)≥18%，為通風(fēng)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(fēng)側(cè)采空區(qū)0～40 m，C(O2)≥18%，為通風(fēng)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(jìn)，采空區(qū)內(nèi)氧濃度逐漸降低。在同一測點(diǎn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度高于回風(fēng)側(cè)，可以認(rèn)為進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度的降低速度更慢。進(jìn)風(fēng)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(fēng)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(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)0～30 m，C(O2)≥18%，為通風(fēng)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(fēng)側(cè)采空區(qū)0～10 m，C(O2)≥18%，為通風(fēng)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(jìn)風(fēng)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(fēng)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(jìn)速度確定。采空區(qū)的“三帶”隨工作面的推進(jìn)向前移動(dòng)，煤自燃發(fā)火期51 d，以自燃帶距工作面最遠(yuǎn)105 m計(jì)算，工作面月推進(jìn)速度應(yīng)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(jìn)速度高于1.72 m/d，采空區(qū)就不會(huì)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(shí)際計(jì)劃，3203工作面平均日推進(jìn)度為5.3 m，速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過采空區(qū)發(fā)生遺煤自燃現(xiàn)象時(shí)的臨界推進(jìn)速度，因此在正常開采條件下，不會(huì)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(jìn)速度，月進(jìn)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?；夭善陂g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(fēng)瓦斯?jié)舛扰c工作面風(fēng)量隨工作面退尺變化關(guān)系。工作面配風(fēng)量基本為2 200～3 000 m3/min，在工作面停產(chǎn)期間配風(fēng)量下調(diào)至680～1 500 m3/min，回風(fēng)瓦斯?jié)舛然镜陀?.5%.實(shí)現(xiàn)了煤層安全高效生產(chǎn)。

圖6 工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛扰c風(fēng)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(shí)間的變化規(guī)律，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測預(yù)報(bào)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(dòng)態(tài)，及時(shí)制定工作面推進(jìn)速度調(diào)整方案或防滅火計(jì)劃。