張 亮 付長余

(1.煤炭科學研究總院開采研究分院,北京市朝陽區(qū),100013； 2. 中煤平朔集團安太堡煤礦，山西省朔州市，036000)

神府礦區(qū)大部分煤層屬Ⅰ類易自燃煤層，煤層自然發(fā)火期多在20～40 d之間，綜采工作面回采過程中為避免采空區(qū)遺煤自然發(fā)火，常采取黃泥灌漿為主、噴灑阻化劑為輔的綜合防滅火措施，但該方法成本較高，且對于煤巖復合頂板的易自燃煤層效果甚微，根本原因在于煤巖復合頂板垮落后，遺煤處于小塊度冒落矸石之上和大塊度破碎頂板之下，遺煤接觸空氣表面積大，而且不能被阻化劑和黃泥漿覆蓋，在工作面不斷回采過程中，采空區(qū)遺煤緩慢氧化，CO逐漸增多，隨著采空區(qū)頂板逐漸被重新壓實后，采空區(qū)氣體空間不斷減小，當達到一定程度后CO從上隅角或工作面架間不間斷地溢出，給煤礦安全生產(chǎn)帶來很大隱患，即使綜采工作面平均推進速度達到16 m/d，上隅角CO超標依然嚴重，最大可達到0.02%。由于對該條件下煤自燃氧化過程和CO分布運移規(guī)律不明，無有效、便捷的防治方法，本文通過在采空區(qū)埋設(shè)束管和溫度傳感器，分析回采過程中采空區(qū)氣體成分和溫度變化情況，研究煤巖復合頂板下遺煤氧化過程，并結(jié)合FCD數(shù)值模擬軟件，研究采空區(qū)CO分布運移規(guī)律，為工作面上隅角CO管理和采空區(qū)防滅火提供科學依據(jù)。

1 采空區(qū)遺煤氧化過程觀測分析

1.1 工程概況

神府礦區(qū)嘉元煤礦12202綜采工作面傾向長度250 m，走向長度3100 m，煤層平均厚度3 m，采用全垮落法處理頂板。工作面采用Y型通風，兩條巷道進風，一條巷道回風，風量1500 m3/min，推進度為15 m/d，所采1-2煤層屬于Ⅰ類易自燃煤層，最短發(fā)火期為29 d。12202綜采工作面頂板為煤巖復合頂板，直接頂為2 m厚的粉砂巖和0.5 m厚的薄煤層，基本頂為6 m厚的中粒砂巖，頂板垮落后從端頭支架間可看到采空區(qū)遺煤距離底板2 m左右的位置，煤層上基本頂不及時垮落，形成供氧通道。

1.2 現(xiàn)場采樣點布置

在12202回風巷設(shè)置3組監(jiān)測點，各組監(jiān)測點間距200 m，每組靠近非采煤幫布置1個束管采集器和2個溫度傳感器，束管采集器布置距底板2 m高度，溫度傳感器分別位于距底板0.5 m高度和底板2 m高度，每組測點觀測范圍為200 m，超過200 m后結(jié)束觀測，鋪設(shè)束管和溫度傳感器測點位置用木垛支護，束管和溫度傳感器線套2寸鋼管避免被矸石砸壞，測點布置位置如圖1所示。

圖1 測點布置圖

1.3 數(shù)據(jù)采集分析

收集綜采工作面推進過程中各測點氣體成分和溫度情況，對3組數(shù)據(jù)進行對比，舍棄不合理數(shù)據(jù)，通過分析距離工作面200 m范圍內(nèi)采空區(qū)CO、O2變化情況及采空區(qū)上部和下部溫度情況，得出采空區(qū)CO分布規(guī)律和自燃“三帶”分布范圍。

(1)采空區(qū)溫度情況。采空區(qū)溫度變化曲線如圖2所示。由圖2可以看出，距離工作面30 m范圍內(nèi)采空區(qū)上下部溫度相同，為18℃；超過30 m后，采空區(qū)上部溫度逐漸增大，160 m后溫度增加到30.8℃，超過160 m后溫度稍有下降但趨于穩(wěn)定；而采空區(qū)下部溫度基本不隨工作面距離的改變而變化，溫度在15℃～18℃范圍波動，分析原因是在距工作面30 m范圍內(nèi)，采空區(qū)空氣具有一定流動性，上下部空氣可進行熱量交換，當超過30 m后，由于復合頂板垮落后采空區(qū)上下部被碎脹矸石隔開，上下部熱系統(tǒng)相互獨立，而上部由于存在垮落遺煤，存在緩慢氧化過程，溫度逐漸升高。

圖2 采空區(qū)溫度變化曲線圖

(2)采空區(qū)CO分布變化情況。采空區(qū)CO和O2濃度值變化曲線如圖3所示。由圖3可以看出，采空區(qū)當距工作面0 m時，CO濃度為0.006%，測點處于上隅角位置，隨著向采空區(qū)深部前進，采空區(qū)CO濃度逐漸增大，當超過150 m后，濃度趨于穩(wěn)定，達到0.032%，距工作面距離繼續(xù)增加后CO濃度基本穩(wěn)定不再變化，分析原因是采空區(qū)CO的來源是煤巖復合頂板垮落后薄煤層氧化所致，隨著不斷遠離工作面，氧化程度增加，不易通風散熱，在采空區(qū)上部集聚較多CO。

圖3 采空區(qū)CO和O2濃度值變化曲線圖

(3)采空區(qū)O2分布規(guī)律。由圖3可以看出，O2濃度隨著向采空區(qū)深部增加而減少，但下降速率分為3段，第1段為快速下降階段，在0～20 m范圍，O2濃度從19.6%迅速下降至17%，此范圍可劃分為“散熱帶”；第2段為緩慢下降階段，在20～150 m范圍，O2濃度從17%緩慢下降至7.5%，此范圍劃分為“自然氧化帶”；第3段為穩(wěn)定階段，在150～200 m范圍，O2濃度維持在7%～7.5%，此范圍劃分為“窒息帶”。

綜上所述，12202綜采工作面采空區(qū)遺煤氧化特征有兩點：一是氧化發(fā)生位置較高，普通防滅火措施達不到遺煤氧化位置；二是采空區(qū)氧化帶范圍廣，從20～150 m均為氧化帶，按正常10 m/d的推進速度來算，采空區(qū)遺煤處于氧化帶的平均時間為12 d，雖然小于該煤層自然發(fā)火期29 d，但該過程造成采空區(qū)積累大量CO，若出現(xiàn)懸頂突然垮落，易造成CO涌出事故。

2 采空區(qū)遺煤氧化防治措施

2.1 防滅火方法的選擇

根據(jù)上述分析可知，為避免采空區(qū)遺煤氧化，關(guān)鍵在于將距底板高度2 m上的遺煤進行盡早隔氧處理，而由于采空區(qū)遺煤層位較高，阻化劑和黃泥漿均不能有效覆蓋并起到隔絕空氣的作用；注氮防滅火覆蓋率較高，適用性較好，但中厚煤層一次采全高綜采工作面一般不配置注氮設(shè)備，且注氮方法對管理水平要求較高，如輸?shù)苈坊虿煽諈^(qū)氮氣泄露易使人員窒息，考慮以上情況并結(jié)合嘉元煤礦1-2煤層賦存情況(雖為近水平煤層但煤層常存在起伏情況)，采取在低洼點向采空區(qū)注水隔絕采空區(qū)方法。注水隔絕采空區(qū)可起到兩個作用：一是阻止工作面空氣向采空區(qū)擴散，封閉本來處于氧化帶的采空區(qū)，使遺煤缺氧提前進入窒息帶；二是杜絕了采空區(qū)有害氣體的溢出。

2.2 注水防滅火具體施工

根據(jù)巷道揭露的煤層底板標高選取高差3 m左右的地點，待綜采工作面推進到該最低點后即開始從端頭支架和中部中間支架架間進行注水，隨著工作面的推進不斷注水，如圖4所示，根據(jù)低洼點標高和采空區(qū)面積計算注水量，為避免采空區(qū)積水大形成安全隱患，待工作面推過低洼地150 m后，即遺煤處于窒息帶后，通過輔運巷道和運輸巷道永久密閉的反水管或通過在輔運巷道煤柱施工放水孔及時將水排出。

2.3 注水防滅火效果分析

采取注水封閉后上隅角CO濃度變化情況如圖5所示。根據(jù)測量巷道500～900 m范圍底板標高發(fā)現(xiàn)有兩處可注水低洼點，分別是620 m處和820 m處，試驗過程中對上隅角CO濃度進行持續(xù)監(jiān)測，當工作面推進到620 m處時上隅角CO濃度達到0.011%，此后隨著工作面推進不斷注水，工作面繼續(xù)推進20 m過程中上隅角CO濃度變化不大，當繼續(xù)推進40 m后CO濃度驟降至0.001%，可見此時第一次注水點處已封閉采空區(qū)；隨著工作面繼續(xù)推進，上隅角CO濃度逐步增大，說明此時采空區(qū)遺煤又具備自然氧化條件，當工作面推至820 m時CO濃度增至0.005%，此時再次向低洼處進行注水，當工作面推進至860 m后CO濃度降至0.0008%。通過該試驗證明向采空區(qū)低洼點注水可有效杜絕采空區(qū)遺煤氧化，并可隔絕采空區(qū)CO溢出，起到良好的防滅火作用。

圖4 注水封閉采空區(qū)示意圖

圖5 采取注水封閉后上隅角CO濃度變化圖

3 結(jié)論

煤巖復合頂板垮落后，由于其煤層處于高位，且位于直接頂之上和基本頂之下，由于基本頂不及時垮落，在兩者之間存在供氧通風通道，給煤自然氧化提供了條件，而采空區(qū)距工作面20～150 m都在氧化帶范圍內(nèi)，遺煤自然氧化時間充裕，這是采空區(qū)CO濃度大的主要原因；根據(jù)遺煤位置高、范圍廣，采取向低洼地注水方法，該方法的作用在于將本來處于氧化帶的遺煤隔離空氣，使其提前進入窒息帶，并阻止氧化帶已產(chǎn)生的高濃度CO溢出，該方法能夠有效減少采空區(qū)遺煤氧化時間，安全高效快捷，在煤層較多起伏情況下具有普遍適用性。