秦榮宏，翟小偉

(1.徐州礦務(wù)集團，江蘇 徐州 221000；2.Barapukuria Coal Mining Company Limited Chowhti,Parbatipur,Dinajipur Bangladesh;3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；4.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部 重點實驗室，陜西 西安 710054)

孟巴礦高地溫高濕環(huán)境采空區(qū)特厚遺煤自燃規(guī)律研究

秦榮宏1，2，翟小偉3，4

(1.徐州礦務(wù)集團，江蘇 徐州 221000；2.Barapukuria Coal Mining Company Limited Chowhti,Parbatipur,Dinajipur Bangladesh;3.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；4.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部 重點實驗室，陜西 西安 710054)

針對孟巴礦二分層1203工作面采空區(qū)特厚遺煤在高地溫高濕環(huán)境下存在二次氧化的復(fù)雜性特點，采用工作面兩巷預(yù)埋管路人工取氣觀測及數(shù)值模擬采空區(qū)內(nèi)O2濃度場的方法，以O(shè)2濃度及CO濃度為指標劃分了采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍，確定了工作面的最小安全推進速度為2.8m/d，為二分層工作面自燃火災(zāi)防治提供了依據(jù)。

高地溫；高濕；特厚遺煤；煤自燃

SpontaneousCombustionRuleofExtremely-thickResidualCoalinGobofMengbaCollieryunderHighTemperatureandHighHumidityEnvironment

礦井采空區(qū)煤自燃火災(zāi)嚴重威脅著礦工的生命與煤礦的安全生產(chǎn)，大量理論與實踐研究表明，煤自燃“三帶”劃分可以有針對性地指導(dǎo)采空區(qū)煤自燃防治[1]，但由于不同礦區(qū)煤層自燃傾向性不同，開采環(huán)境及方式有所區(qū)別，自燃的預(yù)測指標和“三帶”劃分依據(jù)也并不相同。目前采空區(qū)煤自燃“三帶”的預(yù)測指標與劃分依據(jù)主要有O2濃度、CO濃度、C2H2濃度、溫度與漏風(fēng)強度[2-5]等。針對孟巴礦二分層工作面在高地溫高濕環(huán)境下采空區(qū)遺煤量大、存在二次氧化等諸多因素影響煤自燃的復(fù)雜性，采用工作面兩巷鋪設(shè)束管取氣分析以及采空區(qū)內(nèi)氧濃度場數(shù)值模擬的方法，以O(shè)2濃度和CO濃度作為指標劃分了自燃“三帶”范圍，為二分層工作面采空區(qū)煤自燃防治提供了依據(jù)。

1 工作面概況

孟加拉巴拉普庫利亞煤礦(以下簡稱孟巴礦)是孟加拉國興建的第1個年產(chǎn)1.0Mt的現(xiàn)代化礦井，目前分層開采VI煤層，煤層厚38.0～40.52m，平均39.14m，變質(zhì)程度低，極易自燃。二分層1203工作面位于井田南翼采區(qū)下山南側(cè)，采用綜合機械化采煤法開采，其上方為一分層1103工作面采空區(qū)，分層間有3.3～6.5m的煤柱，采空區(qū)內(nèi)遺煤量大。工作面處于高地溫環(huán)境，煤巖初始溫度在40℃以上，為保證工作面作業(yè)溫度環(huán)境，配風(fēng)量為1300m3/min，煤系地層頂部存在含水層，工作面最大涌水量可達200m3/h，采空區(qū)內(nèi)受高溫、高濕環(huán)境及一分層遺煤二次氧化影響導(dǎo)致煤自燃危險性較大。

2 采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域觀測方法

2.1 測點布置

在工作面進、回風(fēng)兩巷預(yù)留束管及測點，束管預(yù)留長度為150m，束管外用φ50mm鋼管進行保護，兩巷各設(shè)置2個測點，分別編號1號、2號，測點間距50m，測點布置如圖1所示。由于涌水量較大，為防止采空區(qū)積水堵塞束管，每個探頭抬高1.5m以上。同時在探頭外用留有孔的鐵箱罩住，整個管路盡量貼近煤壁以防擠壓。

圖1 采空區(qū)“三帶”觀測測點布置

2.2 氣體采集及分析

主要采用氣體法，對預(yù)埋束管人工抽氣色譜分析氣體成分。隨著工作面的推進，預(yù)留測點進入采空區(qū)的深度發(fā)生變化，根據(jù)推進度測算進入采空區(qū)深度，每天定時人工采樣分析，測定在采空區(qū)不同深度時的氣體情況。

3 觀測結(jié)果及分析

3.1采空區(qū)浮煤厚度

在引起煤自然發(fā)火的4個因素中，松散煤體的堆積狀態(tài)及厚度是提供煤體自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)[6]。根據(jù)現(xiàn)場條件，1203工作面頂煤厚度較大，后部采空區(qū)內(nèi)留下大量遺煤，同時有一分層1103采空區(qū)內(nèi)二次氧化浮煤，其自燃傾向性更大[7]。根據(jù)2個分層間距及一分層采空區(qū)遺煤量，結(jié)合采出率與空隙率(按照30%計算)，推算出采空區(qū)浮煤厚度范圍為4.7～9.3m。

3.2 兩側(cè)采空區(qū)氣體分布

煤自燃過程其實就是煤氧復(fù)合反應(yīng)的過程，煤分子結(jié)構(gòu)與氧發(fā)生物理、化學(xué)吸附及化學(xué)反應(yīng)，該過程所產(chǎn)生的反應(yīng)物CO濃度能夠衡量煤自燃的程度，故研究O2濃度及CO濃度的變化規(guī)律可以用來分析采空區(qū)自燃規(guī)律。

3.2.1 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，得到回風(fēng)側(cè)采空區(qū)距工作面不同距離的O2濃度與CO濃度，如圖2所示。

圖2 回風(fēng)側(cè)測點O2及CO濃度隨距工作面距離變化

隨著工作面的推進，測點進入采空區(qū)的深度逐漸增加，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)O2濃度呈下降趨勢。在測點剛進入采空區(qū)10m時，O2濃度降到18%左右，此時下降速度開始加快，同時CO氣體產(chǎn)生速度加快；在20m位置CO濃度達到最大值時O2濃度降到10%，之后O2濃度下降速度降低，CO濃度開始下降；在45m時O2濃度達到3%以下，CO濃度基本消失。在20～45m范圍內(nèi)雖然O2濃度下降速度降低，CO濃度仍較高，仍存在氧化自燃現(xiàn)象。由于高地溫及水分的作用[8-11]，煤體在與空氣接觸初期，CO濃度較高，氧化程度大，增加了煤自燃的危險性，因此，在1203工作面推進的過程中，回風(fēng)側(cè)10～45m范圍是防滅火的重點區(qū)域。

3.2.2 進風(fēng)側(cè)采空區(qū)氣體分析

根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，得到進風(fēng)側(cè)采空區(qū)不同距離的O2濃度與CO氣體濃度規(guī)律，如圖3所示。進入采空區(qū)65m之前，O2濃度維持在18%以上，O2濃度下降速度較慢，同時未檢測到CO氣體，在65m之后O2濃度下降速度加快，同時CO氣體產(chǎn)生量增加，在O2濃度為12%時達到最大，在進入采空區(qū)115m時O2濃度達到3%以下，CO氣體基本消失。在高地溫環(huán)境下，為降低作業(yè)環(huán)境溫度，工作面配風(fēng)量較大，導(dǎo)致進風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)較大，O2濃度降低較慢，產(chǎn)生的CO氣體經(jīng)風(fēng)流稀釋作用，濃度較低。在65～115m范圍內(nèi)煤體既有良好的蓄熱環(huán)境，同時又有足夠的O2濃度，煤體氧化速度較快，自燃危險性大，是煤自燃防治的重點區(qū)域。

圖3 進風(fēng)側(cè)1號測點O2及CO濃度隨距工作面距離變化

1203工作面兩巷采空區(qū)O2濃度的分布在進風(fēng)側(cè)范圍比較大，同一位置的O2濃度，進風(fēng)側(cè)比回風(fēng)側(cè)普遍偏大，同時CO氣體與O2濃度的分布有較好的相關(guān)性，可輔助作為“三帶”范圍的劃分指標。

3.3 采空區(qū)內(nèi)部O2濃度場數(shù)值模擬

在現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)多孔介質(zhì)流體力學(xué)原理，采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對1203綜采面采空區(qū)內(nèi)部O2濃度場進行了數(shù)值模擬。根據(jù)工作面實際情況，建立采空區(qū)三維模型長200m，寬130m，計算區(qū)域劃分網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，浮煤中網(wǎng)格在x，y，z3個方向上步長為0.2m，巖石中步長為0.5m，共劃分網(wǎng)格1690000個。

由于煤自燃過程非常緩慢，因此可以認為在正常生產(chǎn)中采空區(qū)的滲流、擴散及化學(xué)反應(yīng)是穩(wěn)態(tài)過程，采空區(qū)溫度保持不變，利用如下控制方程[12]：

(1)

父母親倒是沒有多大改變，三年時間在歲月的長河中，畢竟也只是彈指一揮間。風(fēng)影在心底里最惦念的，依然還是那個紅琴，他便向母親打聽她的消息。母親幽然嘆了口氣，說這個娃子也忒怪，像是中了什么邪，以前活蹦亂跳的一個人，現(xiàn)在都不愿說話了，見了生人就躲起來，有時候見了熟人也不打聲招呼，還一天到晚的躲在樓上不下來，神經(jīng)兮兮的，你說怪不怪？在母親看來，紅琴八成是落了洞，即被什么山洞里的什么神擄去了靈魂，配了陰婚，得了相思病什么的。風(fēng)影似乎明白了什么，他瞟了一眼隨身帶來的竹笛子，心中有了主意。

回風(fēng)側(cè)O2濃度擬合方程：

y=2×10-6x5-3×10-4x4+0.0171x3-0.4262x2+3.8512x+7.7254

(2)

進風(fēng)側(cè)O2濃度擬合方程：

y=-3×10-7x4+4×10-5x3-0.0019x2+0.0264x+20.55

(3)

圖4為綜采面采空區(qū)O2濃度模擬結(jié)果，由圖4可以得出，1203工作面采空區(qū)內(nèi)部O2濃度分布范圍較大，中部O2濃度分布與進風(fēng)側(cè)相近，O2濃度3%時在工作面后方110m左右，靠近回風(fēng)側(cè)O2濃度分布范圍相對較小。

圖4 1203綜采面采空區(qū)模擬O2濃度分布規(guī)律

4 采空區(qū)煤自燃規(guī)律分析

4.1 煤自燃危險區(qū)域分布規(guī)律

現(xiàn)階段采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域的判定主要采用“三帶”劃分方法，針對確定的氧化升溫帶進行重點防治。根據(jù)兩巷采空區(qū)內(nèi)O2濃度與CO氣體的分布情況，確定散熱帶的判定條件為：C>18%；窒息帶的判定條件為：C<3%；氧化升溫帶的判定條件為：3%

根據(jù)采空區(qū)O2濃度進行自燃“三帶”分析，分析結(jié)果如圖5所示，氧化升溫帶寬度在工作面進風(fēng)側(cè)最大，達50m左右，工作面回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶的寬度較小，約為35m，在工作面中部為35～50m，平均為40m左右。

圖5 1203工作面采空區(qū)“三帶”分布

煤層自然氧化首先發(fā)生在工作面氧化升溫帶，氧化升溫帶越寬，推進速度越慢，煤體自然氧化的時間越長，越容易自燃。采空區(qū)進風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬度最大，因此最有可能發(fā)生煤層自然氧化。采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶離工作面較近，對工作面生產(chǎn)影響最大。

4.2 最小安全推進速度

(4)

式中，νmin為工作面極限推進速度，m/d；Lmax為工作面氧化升溫帶最大寬度，m。

1203工作面氧化升溫帶最大寬度Lmax=50m，孟巴礦VI煤層變質(zhì)程度低，極易自燃，根據(jù)之前的發(fā)火經(jīng)驗及高地溫影響確定其自然發(fā)火期低于20d，以采空區(qū)初始溫度為40℃計，推測采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期τmin=18d，確定采空區(qū)發(fā)生自燃的工作面極限推進速度為：

νmin=Lmax/τmin=50/18=2.8(m/d)

因此，當采煤工作面的推進速度大于2.8m/d時，正常開采條件下，采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火危險性較?。划敼ぷ髅嫱七M速度小于2.8m/d，且連續(xù)超過18d時，采空區(qū)將有發(fā)火危險，必須采取相應(yīng)的防滅火措施。

5 結(jié)論

(1)以O(shè)2與CO濃度為指標劃分了孟巴礦1203工作面的煤自燃“三帶”，確定回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化升溫帶范圍為10～45m，進風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化升溫帶范圍為65～115m。

(2)以氧化升溫帶的最大寬度和最短自然發(fā)火期為依據(jù)，確定出該工作面的最小安全推進速度為2.8m/d。

(3)回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶距離工作面近，氧化產(chǎn)生的CO氣體對工作面正常生產(chǎn)影響較大，應(yīng)在加強監(jiān)測的同時，對回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)重點采取灌漿注膠等防滅火措施。

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[責(zé)任編輯：施紅霞]

2014-02-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.028

秦榮宏(1963-)，男，江蘇高郵人，采礦高級工程師，現(xiàn)任徐州礦務(wù)集團有限公司孟巴項目部總經(jīng)理、黨總支書記。

秦榮宏，翟小偉.孟巴礦高地溫高濕環(huán)境采空區(qū)特厚遺煤自燃規(guī)律研究[J].煤礦開采，2014，19(5)：100-102，69.

TD752.1

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1006-6225(2014)05-0100-03