許金鐘

(山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西　忻州　036500)

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淺埋深采空區(qū)自燃危險因素及防治效果分析

許金鐘

(山西河曲晉神磁窯溝煤業(yè)有限公司，山西忻州036500)

基于淺埋深工作面自燃防治需要，通過實驗及現(xiàn)場實測等技術(shù)手段，針對磁窯溝10202工作面10-2煤層的自燃特征屬性，對井下遺煤分布、漏風及氧化區(qū)域?qū)挾冗M行了分析，識別了淺埋深工作面的自燃危險因素，并在此基礎(chǔ)上，對注氮及封堵技術(shù)進行了效果檢驗。結(jié)果表明：1) 淺埋深工作面漏風相對嚴重，漏風率為4.52%. 2) 在實施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%.實踐證明，注氮及封堵技術(shù)措施對采空區(qū)煤自燃防治效果顯著。

淺埋深；采空區(qū)；自燃特征屬性；漏風；氧化帶；注氮；封堵

我國煤礦自然發(fā)火非常嚴重，有56%的煤礦存在自然發(fā)火問題，國有重點煤礦和國有地方煤礦中煤炭自燃火災(zāi)次數(shù)占礦井火災(zāi)總次數(shù)的94%，尤其是采空區(qū)煤自燃火災(zāi)，其發(fā)生的次數(shù)占總自燃火災(zāi)次數(shù)的60%以上[1]. 而淺埋藏煤層其工作面具有地面漏風嚴重、煤層自燃危險性高等特點。伊茂森、張杰等[2,3]進行了淺埋煤層采場礦山壓力的工程實測研究和實驗室的相似材料模擬試驗等研究，取得了相關(guān)的研究成果，揭示了淺埋藏單一煤層長壁開采上覆基巖整體切落及壓架機理。楊治林等[4]針對淺埋藏煤層頂板關(guān)鍵層破斷后的不平衡特性和運動特征，應(yīng)用初始后屈曲理論和突變理論研究了覆巖層結(jié)構(gòu)特征與不穩(wěn)定性。張鎮(zhèn)[5]結(jié)合上覆松散層載荷特征及傳遞規(guī)律，按照基巖厚度的不同，研究了開采煤層上覆巖層的運動規(guī)律，指出隨著上覆基巖厚度的增加，頂板垮落與地表下沉將越緩和，裂隙發(fā)育與地表貫通程度越低。邵小平等[6]模擬再現(xiàn)了采動區(qū)覆巖裂隙萌生、擴展和貫通的過程，從而形成由地表至工作面上方采空區(qū)靠頂板側(cè)的漏風供氧通道。在采空區(qū)漏風與自燃方面，徐會軍等[7]針對淺埋薄基巖厚煤層綜放工作面采空區(qū)的漏風問題，利用數(shù)值模擬及實測的方法分析了采空區(qū)流場與漏風的狀況。褚廷湘等[8]基于煤巖裂隙發(fā)育，結(jié)合工作面巷道布置形式，指出隨著工作面采動，上覆煤巖體的變形及裂隙結(jié)構(gòu)發(fā)育，誘導采空區(qū)漏風。在現(xiàn)場實測方面[9-12]，利用能位測定及示蹤氣體，得到漏風壓能的分布以及漏風通道存在的模式。

本文基于磁窯溝煤礦淺埋深的特點，著眼于采空區(qū)遺煤自燃的防治，分析了磁窯溝采空區(qū)的自燃危險因素，并在此基礎(chǔ)上提出了相應(yīng)的防滅火技術(shù)措施，通過效果檢驗，分析了防滅火技術(shù)的可靠性。

1　工作面概況

磁窯溝10202工作面主采10-2煤層，煤層平均厚度5.86 m，局部煤層厚度達8～10 m，一次采全高，頂板直接冒落法，工作面傾向160 m，煤層平均埋深在150 m左右。工作面平均推進度在4.8 m/d，工作面通風量在1 500 m3/min. 煤層自然發(fā)火期為3～6個月，煤的自燃傾向等級為自燃煤層。同時采后由于采空區(qū)冒落高度大，埋深淺，地表高低起伏嚴重，造成地表沉陷，形成大、中、小裂隙，促使井下工作面采空區(qū)漏風嚴重，上隅角一氧化碳時有涌出，影響工作面的安全回采。

磁窯溝10202工作面存在著自然發(fā)火威脅，具體體現(xiàn)在：1) 工作面所采煤層為自然發(fā)火煤層。2) 工作面特厚煤層一次采全高，平均采高5.86 m，采空區(qū)空間大，浮煤多，浮煤易達到其自燃發(fā)火期而自燃。3) 10-2煤層頂板堅硬，容易支護，不易垮落，且垮落不嚴實，盡管開采時通過對兩巷頂板進行弱化處理來強迫放頂，但工作面中部懸頂面積仍很大，存在垂直裂隙，形成漏風通道，使采空區(qū)漏風大，氧化帶寬，氧化帶浮煤易氧化自燃。

2　自燃危險因素分析

煤自燃是由于煤與氧接觸氧化放出熱量，在一定的蓄熱條件下，氧化升溫，當熱量的積聚能夠滿足煤自燃發(fā)展的需要時，煤體溫度才能不斷上升，最終導致自燃，其過程的發(fā)展是一個極其復(fù)雜的動態(tài)變化過程，受煤層內(nèi)在及外在因素的共同作用[12].

為了分析其自燃危險性，通過實驗室測試及現(xiàn)場漏風、氧氣濃度測試，分析了10202采空區(qū)遺煤自燃危險因素。

2.1煤自燃屬性

通過煤的吸氧量、熱分析測試分析了遺煤的自燃氧化屬性。實驗室內(nèi)采用ZRJ-1型煤自燃傾向性測定儀，分析了10-2煤層的吸氧量情況，見表1.

表1　10-2煤層的物理吸氧量及自燃等級表

從表1可以看出，實驗煤樣的吸氧量隨煤樣溫度的增加而增大，在30 ℃時，吸氧量為0.64 cm3g-1；在70 ℃時，吸氧量為0.89 cm3g-1. 這是因為煤樣從常溫到達臨界溫度(約70 ℃)是由物理吸附向化學吸附過渡階段。隨煤樣溫度增加，煤表面活性分子增加，煤與氧結(jié)合機會多，使煤表面活性分子部分發(fā)生化學吸附和化學反應(yīng)，吸氧量增大。

同時，為了識別煤在氧化升溫過程中的特征溫度及歸屬特征，實驗室內(nèi)采用STA449C熱分析儀，得出煤樣的失重曲線圖(TG曲線)，而后對失重曲線求微分可以得到失重速率曲線圖(DTG曲線)。對煤的特征溫度歸屬行為進行了分析，見表2.

表2　10-2煤層特征溫度及歸屬特征表

通過實驗發(fā)現(xiàn)，當溫度上升到臨界溫度76.3 ℃時，物理吸附逐漸減弱，化學吸附增強，并伴隨有化學反應(yīng)，通過色譜可以明顯的檢測到CO產(chǎn)生。當煤體溫度在361.0 ℃時煤樣進入燃燒狀態(tài)，可見煤層的臨界溫度及燃點溫度歸屬相對較低，從煤自燃來說，煤層一旦氧化，若沒有外在因素干預(yù)易向高溫氧化發(fā)展。

2.2采空區(qū)遺煤分布

遺煤是煤體自燃的必要條件和物質(zhì)基礎(chǔ)。根據(jù)10202工作面實際開采情況可得出采空區(qū)的平均浮煤厚度分布情況。

1) 進回風巷及兩端頭支架處浮煤厚度。

(5.6-4.6)÷(1-30%)=1.42 m

2) 工作面中部回采率約為85%的平均浮煤厚度。

(5.6-4.6)×(1-85%)÷(1-30%)=0.21 m

則綜放面采空區(qū)浮煤厚度等值線圖分布見圖1.

圖1　采空區(qū)浮煤厚度等值線圖

根據(jù)工作面煤層厚度及回采率，計算了采空區(qū)遺煤厚度分布的情況，從圖1來看，10202采空區(qū)兩巷遺煤量較大，對采空區(qū)的自燃防治不利。

2.3采空區(qū)漏風

淺埋深工作面對采空區(qū)自燃的影響還表現(xiàn)在漏風。由于煤巖采動，覆巖冒落，易于形成地面裂隙，從而形成地表通達井下采空區(qū)的漏風通道，加之工作面兩端的壓差，使得采空區(qū)漏風相對比較復(fù)雜，因此，為了識別工作面的漏風情況，通過示蹤氣體，測試了工作面的漏風情況。

根據(jù)10202工作面通風系統(tǒng)及巷道布置情況，共設(shè)置5個SF6采樣點、1個SF6釋放點，測點布置見圖2.

圖2　工作面漏風測點布置示意圖

SF6連續(xù)釋放流量為200 mL/min，釋放地點在進風巷距工作面60 m；采樣點有5處，分別在回采工作面從釋放點下風流50 m處每隔30 m測定一個數(shù)據(jù)，共4個測點；另外在回風巷距工作面30 m處測定一個數(shù)據(jù)。釋放點與1測點相距為50 m；30 min后測點按照順序可依次檢測。測定結(jié)果見表3.

表3　測定結(jié)果表

從表3中可以看到，由工作面漏入采空區(qū)又流出的風量為65.02 m3/min，占進風總量的4.52%.

2.4采空區(qū)氧化帶寬度測試

通過在井下鋪設(shè)束管觀測系統(tǒng)，抽取氣體，結(jié)合氣相色譜技術(shù)，以采空區(qū)氧氣濃度為指標[13]，識別了采空區(qū)易于自燃氧化區(qū)域分布，見圖3,圖4.

圖3　1#測點氧氣濃度及一氧化碳濃度變化特征曲線圖

圖4　2#測點采空區(qū)氧氣和一氧化碳濃度變化特征曲線圖

測點1在推進距離為50 m時，氧氣濃度小于18%，說明此時已進入氧化階段；到120 m時氧氣濃度降到10%；在120～190 m保持在6%，說明采空區(qū)氧化階段階段已經(jīng)結(jié)束，進入窒息階段。測點2氧氣濃度變化趨勢幾乎與測點1相似。測點2在70 m左右，氧氣濃度降低到18%，到110 m時氧氣濃度降到10%；在150～190 m保持在6%左右。

根據(jù)氧氣濃度指標，結(jié)合測點1、測點2數(shù)據(jù)分析，采空區(qū)氧化帶處于50～120 m，氧化帶寬度為70 m左右，氧化帶前邊界滯后工作面50 m左右。

3　防滅火技術(shù)措施

通過實驗室及現(xiàn)場測試，分析了10202工作面采空區(qū)遺煤自燃的主要內(nèi)在因素及外在因素，發(fā)現(xiàn)10202采空區(qū)遺煤在回采過程中存在漏風，采空區(qū)出現(xiàn)氧化現(xiàn)象，因此，為了保障工作面的安全回采，根據(jù)自燃的危險因素，制定了以注氮、封堵為主的防滅火技術(shù)措施。

3.1注氮防滅火技術(shù)

工作面采用埋管注氮工藝，由于采空區(qū)自燃“三帶”散熱帶寬度為工作面深入采空區(qū)50 m左右，所以，注氮釋放口確定為50～60 m. 在注氮管路每間隔50 m，設(shè)置氮氣釋放三通，定期打開三通管閥進行注氮?，F(xiàn)場也可根據(jù)實際需要選擇間歇埋管注氮進行防滅火處理，當?shù)谝粋€釋放口埋入采空區(qū)50 m后，打開注氮管路開關(guān)，實施注氮，當工作面推進50 m后，關(guān)閉第一趟壓入管路。當?shù)诙俗⒌芸诼袢氩煽諈^(qū)50 m后向采空區(qū)注氮，并又重新埋設(shè)注氮管路，如此循環(huán)，直至工作面采完為止。注氮管埋設(shè)及釋放口位置示意圖見圖5.

1—注氮主管路　2—變徑裝置　3—可彎曲軟管　4—采空區(qū)注氮管路1　5—采空區(qū)注氮管路2圖5　注氮管埋設(shè)及釋放口位置示意圖

3.2工作面堵漏技術(shù)

為防止工作面推過后采空區(qū)后方橫川漏風，采用高強復(fù)合發(fā)泡封堵系統(tǒng)，以袋墻為框架填充高強度發(fā)泡混凝土。對采空區(qū)上下隅角、橫川填充封閉從而有效地隔絕采空區(qū)的漏風，縮短氧化帶。同時，定期對開采工作面地表塌陷區(qū)進行檢查，建立地表塌陷區(qū)檢查、回填記錄，并保留現(xiàn)場照片。對人工難以填堵的大裂縫采用機械進行回填，防止因地表塌陷造成采空區(qū)漏風。

4　防滅火效果檢驗

磁窯溝礦對工作面主要采取了注氮、噴灑阻化劑、封堵的防滅火措施，為了檢驗防滅火措施實施后的效果，以采空區(qū)氧化帶寬度為指標，進行了效果分析。采空區(qū)氧氣體積分數(shù)變化趨勢曲線圖見圖6.

圖6　采空區(qū)氧氣體積分數(shù)變化趨勢曲線圖

根據(jù)氧氣濃度判斷，在采取防滅火技術(shù)措施后，采空區(qū)進風側(cè)自燃“三帶”范圍是：散熱帶0～26 m；氧化帶26～74 m；窒息帶74 m以內(nèi)。氧化帶寬度為48 m. 防滅火措施之前，測試采空區(qū)的氧化帶范圍為50～120 m，采空區(qū)氧化帶寬度為70 m左右。通過對比分析可知，在實施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%.

5　結(jié)　論

通過對淺埋深10202采空區(qū)遺煤自燃的分析，得到以下結(jié)論：

1) 通過實驗、現(xiàn)場測試系統(tǒng)地分析了煤層自燃特征屬性，并基于示蹤氣體、采空區(qū)氣體檢測，分析了工作面的漏風特征及采空區(qū)氧化區(qū)域的分布，識別了10202采空區(qū)遺煤自燃相關(guān)危險因素。

2) 根據(jù)采空區(qū)氧化帶寬度在防滅火措施實施前后的變化，對采空區(qū)注氮及堵漏技術(shù)進行了效果分析，通過實測在實施注氮及堵漏防滅火技術(shù)之后，采空區(qū)的氧化帶寬度由之前的70 m降至48 m，氧化帶寬度降低了31.4%，說明注氮及封堵技術(shù)措施對采空區(qū)煤自燃防治效果顯著。

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Analysis on Risk Factors and Prevention Effects of Spontaneous Combustion in Shallow Coal Seam Mining Goaf

XU Jinzhong

Based on the needs of spontaneous combustion prevention in shallow seam mining goaf working face, through experiment and field measurement techniques, aiming at spontaneous combustion characteristics of 10-2coal seam in Ciyaogou coal mine 10202 working face, analyzes the left coal distribution, air leakage and the oxidation zone width. Recognizes the risk factors of spontaneous combustion in shallow seam working face. And on the basis, tests the effects of nitrogen injection and blocking technology. The results show that 1) the air leakage of shallow seam working face is relatively serious, the air leakage rate is 4.52%. 2) after the implementation of nitrogen injection and blocking technology for fire prevention, the oxidation zone width of goaf is from the previous 70 m down to 48 m, the oxidation zone width decreases 31.4%. Practice proves the effectiveness of nitrogen injection and blocking technology for coal spontaneous combustion prevention.

Shallow coal seam mining; Goaf; Spontaneous combustion characteristics; Air leakage; Oxidation zone; Nitrogen injection; Plugging

2016-04-11

許金鐘(1985—)，男，河北懷來人，2013年畢業(yè)于山西大同大學，助理工程師，主要從事礦井通風安全等工作

(E-mail)475061552@qq.com

TD75+2

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1672-0652(2016)05-0039-05