陶志勇，李 斌

（國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán) 補(bǔ)連塔煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯017209）

為了更準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握采空區(qū)內(nèi)情況，防止采空區(qū)自然發(fā)火，通常通過(guò)防火密閉預(yù)留的觀(guān)測(cè)管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。如果采空區(qū)面積相對(duì)較小，則采空區(qū)內(nèi)的情況比較容易觀(guān)測(cè)和掌握，但對(duì)于特大面積采空區(qū)的觀(guān)測(cè)則存在很大問(wèn)題。以國(guó)家能源集團(tuán)神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司（下面簡(jiǎn)稱(chēng)神東公司）為例，神東公司煤田位于陜西省西北部和內(nèi)蒙古目治區(qū)南部,面積為22 860 km2,預(yù)測(cè)儲(chǔ)量6 690 億t,探明儲(chǔ)量2 300 億t，該地方聚集著全國(guó)最大的千萬(wàn)噸級(jí)的超級(jí)礦井群。千萬(wàn)噸級(jí)的超級(jí)礦井由于煤層富存條件、開(kāi)采技術(shù)、及開(kāi)采方法等各類(lèi)因素，工作面在回采后形成特大面積的采空區(qū)，該采空區(qū)具有“范圍廣、空間大、同層相連、上下導(dǎo)通”等特點(diǎn)[1-2]，上、下采空區(qū)因采動(dòng)影響串通，漏風(fēng)規(guī)律相對(duì)紊亂，煤體相對(duì)破碎，自燃危險(xiǎn)性增強(qiáng)，發(fā)生自然發(fā)火后發(fā)火點(diǎn)位置也很難確定，如果不能及時(shí)預(yù)警發(fā)現(xiàn)而導(dǎo)致火災(zāi)蔓延，不僅會(huì)給國(guó)家?guī)?lái)巨額的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)也威脅到井下作業(yè)人員的生命安全[3-6]。

1 特大面積上下復(fù)合采空區(qū)觀(guān)測(cè)現(xiàn)狀及存在問(wèn)題

1.1 觀(guān)測(cè)現(xiàn)狀

煤炭自然發(fā)火是個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，防滅火的重點(diǎn)工作還在于日常的檢查、管理，做到早發(fā)現(xiàn)、早處理[7]。當(dāng)前像神東公司這樣的大型綜合機(jī)械系化采煤工作面的采空區(qū)傳統(tǒng)的采空區(qū)觀(guān)測(cè)方法是：綜采工作面巷道一般至少每隔300 m 左右密閉處安設(shè)1根預(yù)留觀(guān)測(cè)管，安排專(zhuān)職人員于預(yù)先選好的擁有預(yù)留觀(guān)測(cè)管的幾個(gè)聯(lián)巷分別安設(shè)束管、壓差計(jì)、傳感器、人工取樣泵等設(shè)備對(duì)采空區(qū)的情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)。

1.2 存在問(wèn)題

1）傳統(tǒng)的采空區(qū)觀(guān)測(cè)方法對(duì)面積較小、單一的采空區(qū)進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)效果還可以，但針對(duì)特大面積上下復(fù)合采空區(qū)的觀(guān)測(cè)效果幾乎是盲區(qū)。

2）需多個(gè)聯(lián)巷設(shè)置束管、壓差計(jì)、傳感器、人工取樣泵等采空區(qū)觀(guān)測(cè)設(shè)備，各個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)裝置數(shù)量多，檢查人員每次均需奔赴多個(gè)聯(lián)巷觀(guān)測(cè)點(diǎn)方可全方位掌握該采空區(qū)內(nèi)情況，耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間。而且每處觀(guān)測(cè)點(diǎn)均有可能由于觀(guān)測(cè)管閘閥等問(wèn)題出現(xiàn)采空區(qū)向有毒有害氣體向巷道涌流的情況，增大了現(xiàn)場(chǎng)安全管理難度。

3）傳統(tǒng)的方法對(duì)采空區(qū)進(jìn)行采樣時(shí)，無(wú)法對(duì)采樣管路中的積水進(jìn)行剔除，導(dǎo)致水和氣體一同被采集，不僅損害氣象色譜儀，而且導(dǎo)致氣樣各成分濃度分析不準(zhǔn)確。

4）傳統(tǒng)的方法利用紅外束管對(duì)采空區(qū)進(jìn)行觀(guān)測(cè)時(shí)，抽氣泵將氣體連同采空區(qū)積水一起抽出來(lái)，抽出的積水進(jìn)入束管監(jiān)測(cè)分站后會(huì)將分站內(nèi)電路板燒壞，導(dǎo)致整個(gè)束管監(jiān)測(cè)分站癱瘓。

5）遠(yuǎn)程監(jiān)控采空區(qū)“呼吸”現(xiàn)象[8]，當(dāng)采空區(qū)出氣時(shí)，要提前采取有效措施，防止采空區(qū)低氧氣體涌入巷道或者工作面造成人員低氧窒息事件。

2 特大面積上下復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置

2.1 結(jié)構(gòu)組成

采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置主要由φ20 mm 鋼管、彎頭、法蘭盤(pán)、“U”型壓差計(jì)、通訊傳輸線(xiàn)、壓力傳輸管、壓差傳感器、紅外束管系統(tǒng)、“十”字聯(lián)通組件、束管氣水分離組件、吸氣泵等組成，各部件通過(guò)“十”字聯(lián)通組件有機(jī)連接，形成采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置[9]，技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1。

圖1 技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of technical observation device

2.2 工作原理

采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置上端與φ108 mm法蘭盤(pán)焊接相通，通過(guò)法蘭盤(pán)與通采空區(qū)的預(yù)留觀(guān)測(cè)管連接；“十”字聯(lián)通組件水平兩端頭的一端連接束管“氣水”分離器，束管“氣水”分離器通過(guò)束管與紅外束管分站連接；水平兩端頭的另一端連接“U”型壓差計(jì)和壓差傳感器；下端連接抽氣裝置，用來(lái)管路疏放水和氣樣采集工作。

如果通過(guò)外部動(dòng)力進(jìn)行采空區(qū)取樣，該采空區(qū)技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置“十”字聯(lián)通組件的水平連接“U”型壓差計(jì)一端的閥門(mén)在正常取樣時(shí)處于“關(guān)閉”狀態(tài)，防止取樣的過(guò)程中在外部動(dòng)力作用下造成“U”型壓差計(jì)中的水流“倒吸”?！笆弊致?lián)通組件的下端閥門(mén)日常處于“關(guān)閉”狀態(tài)，確保采空區(qū)有毒有害其他不會(huì)涌流到行人巷道，避免了對(duì)人員造成安全威脅。

2.3 主要部件結(jié)構(gòu)

1）“十”字聯(lián)通組件。“十”字聯(lián)通組件由空心管、閘閥、φ108 mm 法蘭盤(pán)（根據(jù)觀(guān)測(cè)管尺寸確定）、彎頭等各部件焊接而成，裝置整體呈“十”字型，十字聯(lián)通，各通道利用閘閥控制，“十”字聯(lián)通組件示意圖如圖2。

圖2 “ 十”字聯(lián)通組件示意圖Fig.2 Schematic diagram of“ cross” type unicom components

2）束管氣水分離組件。束管氣水分離裝置是由2 個(gè)通氣口（既可用作進(jìn)氣口，也可用作出氣口）、1個(gè)排水口和“U”型儲(chǔ)水裝置組成。3 個(gè)口均安設(shè)有閥門(mén)控制其開(kāi)關(guān)，2 個(gè)通氣口閥門(mén)上部安裝了專(zhuān)門(mén)用來(lái)連接束管芯線(xiàn)的接口，接束管芯線(xiàn)時(shí)只需將束管芯線(xiàn)正常插入接口即可，按下接口處的彈簧，束管芯線(xiàn)就自動(dòng)彈出。束管氣水分離組件設(shè)計(jì)圖如圖3。

圖3 束管氣水分離組件設(shè)計(jì)圖Fig.3 Beam tube gas-water separation component design drawing

由于“U”型儲(chǔ)水裝置的一端高度為H1，另一端高度為H2，兩端高度差為△H。使用前，人員將“U”型儲(chǔ)水裝置裝滿(mǎn)水，然后將連接采空區(qū)側(cè)的束管芯線(xiàn)插入2 個(gè)通氣口中的任意1 個(gè)，將束管分站側(cè)的束管芯線(xiàn)插入另1 個(gè)通氣口，最后將3 個(gè)閥門(mén)全部打開(kāi)即可。采空區(qū)抽出的水就會(huì)進(jìn)入束管氣水分離裝置，由于通氣口側(cè)比排水口側(cè)高，束管氣水分離裝置中的水達(dá)到一定量時(shí)會(huì)自動(dòng)從排水口中排除，從而從源頭上消除了采空區(qū)積水對(duì)束管分站的破壞作用。

3）吸氣泵。在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中選取了BQG-350/0.2金屬氣動(dòng)雙隔膜泵。該金屬氣動(dòng)雙隔膜泵利用氣室中的壓力差在氣室中交替產(chǎn)生吸入壓力，控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)可確保液體或者氣體的正向流動(dòng)。通氣后，泵開(kāi)始運(yùn)行，并連續(xù)工作以保證所需壓力保持不變，達(dá)到最大輸送管壓力時(shí)自動(dòng)停止動(dòng)作，在需要時(shí)，恢復(fù)泵送。金屬氣動(dòng)雙隔膜泵并非該采空區(qū)觀(guān)測(cè)裝置吸氣泵的唯一選取，其他滿(mǎn)足上述條件泵種亦可作為候選吸氣泵，甚至有比該吸氣泵性能更優(yōu)良的泵，有待于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)與探討。

2.4 工作方式

1）地面自動(dòng)觀(guān)測(cè)。壓差傳感器24 h 實(shí)時(shí)將采空區(qū)內(nèi)外壓差數(shù)據(jù)傳輸至地面調(diào)度，紅外束管系統(tǒng)則24 h 實(shí)時(shí)對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體井下分析，并將采空區(qū)氣體情況傳輸至地面，人員在地面通過(guò)上傳數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)掌握采空區(qū)狀態(tài)。

2）地面人工觀(guān)測(cè)。人員將采集的氣樣送至地面，通過(guò)利用氣相色譜儀分析出采空區(qū)氣體中各主要標(biāo)志氣體的精確濃度，進(jìn)而掌握采空區(qū)狀態(tài)。

3）井下現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)。人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)所安設(shè)的壓差計(jì)與壓力傳感器直接讀出當(dāng)時(shí)采空區(qū)內(nèi)外壓差，通過(guò)“十”字聯(lián)通組件下部氣樣采集口采集的氣樣利用便攜儀或氣體檢測(cè)儀測(cè)量出采空區(qū)內(nèi)各氣體參數(shù)，從而掌握采空區(qū)狀態(tài)。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 礦井概況

補(bǔ)連塔煤礦22307 綜采工作面位于22 煤三盤(pán)區(qū)，上覆基巖厚度為110～230 m，松散層厚度為8～23 m。煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度7.25 m，設(shè)計(jì)采高6.8 m。工作面長(zhǎng)4 954.05 m，工作面寬301 m，面積1 491 169 m2。屬于Ⅰ級(jí)容易自燃，發(fā)火期為30 d。

補(bǔ)連塔煤礦22308 綜采工作面位于補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤(pán)區(qū)（煤液化預(yù)留區(qū)西側(cè)），上覆基巖厚度為80～245 m，松散層厚度為5～30 m。工作面煤層傾角為1°～3°，煤層平均厚度為6.86 m，設(shè)計(jì)采高為6.8 m，工作面長(zhǎng)為4 954 m，工作面寬為321 m，面積為1 606 566.8 m2，煤層自燃傾向性為Ⅰ級(jí)容易自燃，發(fā)火期為30 d。

3.2 工作面與上覆采空區(qū)立體復(fù)合關(guān)系

22307 綜采工作面、22308 綜采工作面與正上方2 層煤層間距為30～62 m，平均47 m。上覆共計(jì)布置12301～12313 共計(jì)13 個(gè)綜采工作面，采空區(qū)面積總計(jì)約19 056 576.8 m2，其中22307 綜采工作面、22308 綜采工作面正上覆采空區(qū)主要由12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)和部分房采采空區(qū)組成，面積約3 355 538.54 m2。

22307 采空區(qū)和上覆12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)及上覆房采采空區(qū)雖有層位相間，但采動(dòng)后受應(yīng)力集中影響，各采空區(qū)相互“橫向相連、縱向相通，面積特大、上下復(fù)合”，形成1 個(gè)巨型的“特大面積上下復(fù)合采空區(qū)”。

3.3 技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置高溫預(yù)警及應(yīng)急處置

22307 工作面于2014 年9 月14 日開(kāi)始回采，2015 年9 月23 日與主回撤通道貫通，10 月7 日工作面回撤完畢，10 月8 日主輔回撤通道聯(lián)巷完成臨時(shí)封閉，11 月12 日永久封閉結(jié)束。與22307 工作面接續(xù)的22308 工作面于10 月7 日開(kāi)始生產(chǎn)。為了實(shí)時(shí)掌握上下復(fù)合采空區(qū)氣體情況，在22308 回風(fēng)巷18聯(lián)巷密閉安設(shè)了復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置。

2015 年10 月23 日10：00，22308 回風(fēng)巷18 聯(lián)巷密的復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置發(fā)出采空區(qū)氣體異常預(yù)警：CO 濃度256×10-6；12：40，CO 濃度上升至420×10-6；24 日10：00，CO 濃度850×10-6；24 日13：40，CO 濃度1 576×10-6；25 日10：00，CO 濃度為3 897×10-6，C2H4濃度16×10-6。

為了在最短時(shí)間采取最有效的滅火措施，需要準(zhǔn)確判斷出采空區(qū)高溫源位置，在22308 回風(fēng)巷17-18 聯(lián)巷向上覆12308 采空區(qū)、12309 采空區(qū)、12211 采空區(qū)、12207 采空區(qū)進(jìn)行打鉆，并安設(shè)了復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置。

經(jīng)過(guò)同時(shí)間觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，22308 回風(fēng)巷17-18聯(lián)巷“QT4 補(bǔ)”鉆孔檢測(cè)到上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 最高，且呈現(xiàn)出驟然升高的趨勢(shì)：10 月29 日，上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 濃度為6 477×10-6；10 月30 日，上覆12309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域CO 濃度升高至12 374×10-6。由此基本上鎖定采空區(qū)高溫區(qū)域?yàn)?2309 采空區(qū)回撤通道區(qū)域。

利用復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置成功鎖定采空區(qū)高溫點(diǎn)，通過(guò)注漿、注氮?dú)狻⒆⒁簯B(tài)CO2等防滅火措施后，僅僅用了43 d 就將高溫點(diǎn)處理完畢，順利將采空區(qū)火災(zāi)扼殺在萌芽狀態(tài)中，未對(duì)22308工作面的安全開(kāi)采構(gòu)成威脅，快速治理采空區(qū)自然火災(zāi)成為保障工作面安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[10]。2012 年補(bǔ)連塔煤礦22 煤三盤(pán)區(qū)上覆采空區(qū)著火，滅火措施耗資1.5 億元，所以本次采空區(qū)防滅火的成功為補(bǔ)連塔礦及公司避免了巨額的經(jīng)濟(jì)損失，而復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置起到至關(guān)重要的作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

特大面積上下復(fù)合采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置可實(shí)現(xiàn)特大面積單一采空區(qū)或上下復(fù)合采空區(qū)井下與地面立體化觀(guān)測(cè)。實(shí)踐證明，采空區(qū)立體化技術(shù)觀(guān)測(cè)裝置不僅可以在特大面積上下復(fù)合采空區(qū)出現(xiàn)火災(zāi)跡象時(shí)及時(shí)發(fā)出預(yù)警，還可以精準(zhǔn)指導(dǎo)對(duì)采空區(qū)采取有效防滅火措施，確保礦井安全生產(chǎn)。