宋 濤，王建文，王 凱，韓 濤，馮 雄

(1.陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719300；2.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

0 引言

煤自燃是我國煤礦工作面開采過程中面臨的主要災(zāi)害之一，其產(chǎn)生的有毒有害氣體甚至引發(fā)瓦斯煤塵爆炸等次生災(zāi)害，嚴重威脅著井下人員的生命安全[1-3]。采空區(qū)是煤礦井下發(fā)生自燃災(zāi)害的主要區(qū)域之一，防治采空區(qū)煤自燃的重要前提是確定煤氧化升溫范圍[4-6]。前期研究表明，采空區(qū)遺煤自燃的主要原因是工作面開采過程中向采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)供氧，因此采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)與氧濃度分布是確定煤自燃危險區(qū)域范圍的重要依據(jù)。為此，針對檸條塔煤礦S12002綜采工作面，采用兩巷采空區(qū)預(yù)埋束管氣體檢測的方法，掌握回采過程中采空區(qū)的氧濃度分布，以劃分煤自燃的危險區(qū)域范圍。

1 采空區(qū)煤自燃“三帶”方法

1.1 工作面概況

檸條塔煤礦S12002工作面位于井田南翼2-2號煤大巷以南，東側(cè)南側(cè)均為實煤區(qū)，西為S12003已采工作面。S12002工作面布置3條順槽，分別為輔運順槽、膠運順槽和回風(fēng)順槽。工作面可推采距離3 956 m，傾斜長度344.4 m，面積1 362 429 m2。煤層厚度3.6～4.4 m，設(shè)計采高4.1 m。工作面總儲煤量726萬t，可開采煤量675萬t。工作面煤層傾角小于2°，接近水平，北段為向南東傾伏的向斜，中部為向南西傾伏的向斜，南段為向北西傾伏的背斜。煤層具有自然發(fā)火傾向性，測試最短自然發(fā)火期為34 d。工作面采用傾斜長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板。

1.2 采空區(qū)現(xiàn)場監(jiān)測方法

采空區(qū)的氣體觀測采用膠運與回風(fēng)兩順槽預(yù)埋束管采樣點的方法，兩側(cè)各布置3個采樣點，采樣點間距50 m，標記為1#～6#。工作面推進過程中，待兩側(cè)采樣點進入采空區(qū)后，每天早班取氣2次送至地面進行色譜分析，工作面采空區(qū)內(nèi)測點位置如圖1所示。

圖1 工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”測點布置Fig.1 Layout of measuring points in “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf of working face

觀測束管外用鋼管進行保護，采用6芯束管，每個測點預(yù)留2根束管，采樣口抬高至1.5 m，采樣口與束管保護措施如圖2所示。在正常開采情況下，待測點進入采空區(qū)后開始進行連續(xù)觀測，若監(jiān)測采空區(qū)測點O2濃度下降到5%以后，觀測結(jié)束。若3個測點的氣體均出現(xiàn)異常，未能正常監(jiān)測到采空區(qū)O2濃度降低，則應(yīng)續(xù)接管路直至觀測結(jié)束。

圖2 采樣口與束管保護示意Fig.2 Schematic diagram of sampling port and beam tube protection

2 監(jiān)測結(jié)果及分析

2.1 工作面推進情況

現(xiàn)場觀測從2020年6月1日至2020年6月17日，期間工作面共推進260 m，采空區(qū)內(nèi)氣體觀測結(jié)束。觀測期間S12002工作面推進度如圖3所示，工作面平均推進速度為15.3 m/d。工作面推采速度越快，越能保證采空區(qū)遺煤快速進入到窒息帶中，越有利于煤自燃預(yù)防，消除自燃火災(zāi)隱患。

圖3 工作面推進度Fig.3 Advancing degree of working face

2.2 S12002采空區(qū)氧氣濃度規(guī)律

煤自燃過程熱量產(chǎn)生的主要原因是煤氧復(fù)合作用，因此，采空區(qū)內(nèi)氧氣含量是影響遺煤氧化放熱的重要因素[7]?，F(xiàn)場觀測采空區(qū)內(nèi)兩側(cè)的O2含量隨埋入深度的變化曲線如圖4、5所示。

由圖4可知，隨著工作面推進，采空區(qū)進風(fēng)側(cè)測點的O2濃度呈下降趨勢，且下降幅度從平緩逐漸過渡到快速降低?，F(xiàn)場觀測到進風(fēng)側(cè)的1# 測點埋深達到260 m時氧氣濃度下降到5%以下。圖5中，回風(fēng)側(cè)4# 測點埋深達到135 m時氧氣濃度降到5%以下。相比進風(fēng)側(cè)氧氣濃度變化規(guī)律，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)O2濃度下降速度較快，與采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化與漏風(fēng)較小相關(guān)[8]。

圖4 進風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化趨勢Fig.4 Variation trend of O2 concentration on the air inlet side with burial depth

圖5 回風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化趨勢Fig.5 Variation trend of O2 concentration on the return air side with burial depth

2.3 S12002采空區(qū)漏風(fēng)強度分布規(guī)律

求解松散煤體漏風(fēng)強度主要方法有風(fēng)量測算法、風(fēng)網(wǎng)解算法以及氧氣濃度測算法等。由于井下開采環(huán)境較為復(fù)雜，風(fēng)量測算法與風(fēng)網(wǎng)解算法在實際條件下難以實施，誤差較大，因此現(xiàn)場采用較少[9-10]。而氧氣濃度測算法是根據(jù)實際測得的氧氣濃度值計算松散煤體不同位置處的漏風(fēng)強度，在實際應(yīng)用中比較簡便和準確，避免了因礦井風(fēng)流波動所造成的誤差。

漏風(fēng)強度計算公式見式(1)。

(1)

根據(jù)S12002工作面煤樣的自燃特性實驗結(jié)果，計算得到煤樣在34.8 ℃下所對應(yīng)的耗氧速度為1.150 76×10-10mol/(s·cm3)。將實測采空區(qū)進、回風(fēng)側(cè)測點氧氣濃度代入式(1)，計算得到采空區(qū)兩側(cè)漏風(fēng)強度分布，如圖6、7所示。根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)強度計算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)漏風(fēng)強度隨工作面推進不斷降低，在距工作面40 m范圍內(nèi)，漏風(fēng)強度變化最大，總體不斷下降，最后趨于平緩。對比發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)進、回風(fēng)側(cè)測點在距工作面相同位置處，進風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量較大，這與現(xiàn)場氧濃度隨埋深變化情況一致。這主要是由于進風(fēng)側(cè)壓力相對較高，風(fēng)流更容易進入采空區(qū)；其次由于進風(fēng)側(cè)輔運與膠運順槽之間的聯(lián)絡(luò)巷密閉性不足，從而導(dǎo)致采空區(qū)進風(fēng)側(cè)漏風(fēng)相對較為嚴重。根據(jù)漏風(fēng)強度的分析結(jié)果可知，進風(fēng)側(cè)漏風(fēng)相對嚴重，自燃危險區(qū)域范圍寬度較大，是防滅火工作的重點區(qū)域[11]。

圖6 采空區(qū)進風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強度分布Fig.6 Distribution of air leakage intensity on the air inlet side of the goaf

圖7 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強度分布Fig.7 Distribution of air leakage intensity on the return air side of the goaf

3 S12002采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍

煤自燃的發(fā)生條件需要滿足煤自燃傾向性、連續(xù)的供氧環(huán)境以及適宜的蓄熱條件，且時間大于煤自然發(fā)火期。根據(jù)S12002工作面現(xiàn)場觀測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)遺煤分布不均勻，漏風(fēng)范圍相對較大，參考煤自燃性實驗結(jié)果，采用氧濃度18%和5%作為劃分S12002工作面采空區(qū)三帶的臨界值(即采空區(qū)O2>18%時為散熱帶；5%

根據(jù)現(xiàn)場測點氧濃度觀測結(jié)果及趨勢線劃出采空區(qū)煤自燃“三帶”分布如圖8所示，采空區(qū)自燃“三帶”范圍見表1。

圖8 S12002工作面采空區(qū)“三帶”范圍劃分Fig.8 Division of the “three zones” range of the goaf in the S12002 working face

表1 S12002工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍Table 1 Scope of “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf of S12002 working face

由圖8可知，采空區(qū)散熱帶的范圍為：進風(fēng)側(cè)0～92 m，回風(fēng)側(cè)0～35 m。受漏風(fēng)影響，采空區(qū)進風(fēng)側(cè)窒息帶距工作面大于246 m，回風(fēng)側(cè)窒息帶距工作面大于125 m，對比發(fā)現(xiàn)進風(fēng)側(cè)氧化升溫帶較寬。由于散熱帶漏風(fēng)較大，環(huán)境中雖然有充足氧氣與煤體接觸，但是熱量隨風(fēng)流損失較為嚴重，煤自燃難以發(fā)生；而窒息帶漏風(fēng)強度較小，有良好的蓄熱條件，但氧氣濃度較低，煤自燃也不會發(fā)生。采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶既有充足的供氧條件，又有良好的蓄熱環(huán)境，是遺煤易自然發(fā)火的區(qū)域，也是煤自燃防控措施的重點區(qū)域。因此，采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶范圍越大、工作面推進速度越慢，遺煤氧化自燃的時間就越充分，發(fā)生自然發(fā)火的危險性就越高。

4 S12002工作面極限推進速度

通過對采空區(qū)氧化升溫帶范圍的最大寬度Lmax與煤最短自然發(fā)火期τmin做比值，可計算得出工作面防止煤自燃的最小安全推進速度。其極限推進速度計算為[15-18]

(2)

由此可知，當(dāng)S12002工作面的日推進速度大于4.5 m/d時，在正常條件下，采空區(qū)遺煤不會發(fā)生自燃；但當(dāng)工作面開采速度小于4.5 m/d，且連續(xù)超過34 d時，采空區(qū)將可能出現(xiàn)自然發(fā)火危險，必須提前采取防治措施。觀測過程中S12002工作面實際日推進速度平均在15.3 m/d左右，遠遠大于工作面極限日推進速度，發(fā)生自燃火災(zāi)的危險性較低，但也需采取預(yù)防措施對采空區(qū)進行封堵和惰化處理，防止工作面臨時停采時出現(xiàn)采空區(qū)自燃問題。

5 結(jié)論

(1)通過預(yù)埋束管方法，以O(shè)2作為劃分指標，確定檸條塔煤礦S12002綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍。進風(fēng)側(cè)采空區(qū)：0～92 m為散熱帶，92～246 m為氧化升溫帶，246 m后部為窒息帶；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)：0～35 m為散熱帶，35～125 m為氧化升溫帶，125 m后部為窒息帶。

(2)計算得出S12002工作面最小安全推進速度為4.5 m/d，即當(dāng)工作面推進速度低于最小安全推進速度時，應(yīng)當(dāng)強化防治措施。