呂運河 秦鵬

為解決山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司F9305復采綜放工作面自然發(fā)火三帶劃分測定及應用問題，根據(jù)復采工作面現(xiàn)狀提出在工作面兩順槽埋設(shè)束管采樣點采用臨界氧濃度指標法測定復采綜放工作面三帶數(shù)據(jù)，并推算復采綜放工作面防滅火安全推進速度。經(jīng)過現(xiàn)場實際應用，通過束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，采空區(qū)三帶的劃分符合工作面實際情況，通過調(diào)整防滅火措施、保證正常組織生產(chǎn)有效的消除了自然發(fā)火隱患，自然發(fā)火防治效果良好。

一、引言

復采綜放工作面防治重點是采空區(qū)自然發(fā)火防治[1]，采空區(qū)自然發(fā)火三帶是指工作面切頂線向采空區(qū)方向形成的散熱帶、氧化帶和窒息帶[2]。存在自然發(fā)火隱患的復采綜放工作面正常回采期間如何根據(jù)現(xiàn)場相關(guān)參數(shù)測定與分析判定采空區(qū)自然發(fā)火危險區(qū)域十分重要。

根據(jù)復采綜放工作面回采后采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的特性，研究F9305復采綜放工作面三帶分布規(guī)律，合理劃分采空區(qū)三帶、判定自然發(fā)火危險區(qū)域、計算安全推進速度為F9305復采綜放工作面自然發(fā)火預防奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

本研究通過對F9305復采綜放工作面采用臨界氧濃度指標法測定采空區(qū)三帶距離，同時根據(jù)測定的氧化帶寬度和最短自然發(fā)火期計算工作面防滅火安全推進速度，以三帶劃分數(shù)據(jù)作為防滅火措施處理的重點，以工作面防滅火安全推進速度作為工作面生產(chǎn)組織部署的重點，以期保證F9305復采綜放工作面回采期間的防滅火安全。

二、F9305復采綜放工作面概況

F9305復采綜放工作面為山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司第一個復采綜放工作面，該工作面位于原F9311工作面東半部遺煤區(qū)域，布置在九采東南回風大巷南側(cè)，西側(cè)為F64斷層，工作面軌道順槽布置在原F9311綜放工作面遺煤區(qū)域內(nèi)，其它巷道均布置在實體煤區(qū)域，工作面煤巖層總體呈西北高東南低的單斜構(gòu)造，根據(jù)附近采掘揭露情況分析，預計回采期間將揭露 F8、F9、F10、F11、F12、F13、F14七條斷層。該工作面軌順走向長700.3m，運順走向長716.3m，傾斜長90.6m，工作面需風量565m3/min。

礦井于2017年6月委托山東鼎安檢測技術(shù)有限公司對南翼采區(qū)3煤自燃傾向性等級進行鑒定，自燃傾向性鑒定等級為Ⅱ類自燃煤層。最短自然發(fā)火期為80天。

鑒定報告中確定以一氧化碳氣體作為指標性氣體，當一氧化碳出現(xiàn)時表明測試煤樣已經(jīng)發(fā)生氧化，其出現(xiàn)臨界溫度為66.1℃，濃度為0.18*10-6；當煤溫超過60℃低于70℃時，一氧化碳產(chǎn)生速率、升溫速度及氧氣消耗速度均出現(xiàn)加快現(xiàn)象；鑒定報告指出C2H4出現(xiàn)并且變化速率明顯加快時表明煤樣進入加速氧化階段，其出現(xiàn)的臨界溫度為115.0℃-142.5℃，濃度為0.03*10-6，此時復采工作面應該采取積極有效的強化性防滅火措施。

C2H4/C2H6比值峰值的出現(xiàn)表明煤樣已進入劇烈氧化階段，測試峰值出現(xiàn)的溫度為287.0℃，對應檢測的C2H4濃度為17.10*10-6，C2H6濃度為3.98*10-6，C2H4/C2H6可作為判別煤自燃反應程度的輔助指標。將工作面回風隅角CO濃度設(shè)定為24*10-6作為早期自然發(fā)火征兆預警值。

三、復采綜放工作面采空區(qū)三帶觀測方案

特定煤層其煤體的自然發(fā)火氧化放熱性能是定量，當煤體粒度適中、遺煤厚度適中、采空區(qū)氧氣充足時，若自然發(fā)火期內(nèi)推進距離低于氧化帶寬度就可能造成采空區(qū)遺煤自燃。復采綜放工作面前期煤體已經(jīng)開采受到破壞，因此必須掌握該工作面采空區(qū)相關(guān)氣體參數(shù)濃度以及日常實際推進度、風量等才能對采空區(qū)遺煤自燃做出預測。

采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法一般有3種：①按照煤自然發(fā)火臨界氧濃度[3]指標來劃分，一般可采用散熱帶（氧氣濃度>（15%～18%）），氧化帶（（5%～8%）≤氧氣濃度≤（15%～18%）），窒息帶（氧氣濃度<（5%～8%）） ②按照采空區(qū)內(nèi)的漏風風速來劃分，分為散熱帶（漏風風速>0.24m/min），氧化帶（0.1m/min≤漏風風速≤0.24m/min），窒息帶（漏風風速<0.1m/min） ③按照采空區(qū)內(nèi)的溫升速率來劃分，如果采空區(qū)內(nèi)的日升溫大于1℃/d時，就認為已進入氧化帶。

目前，采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”劃分方法尚無具體的國家統(tǒng)一標準或依據(jù)，F(xiàn)9305復采綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分采用臨界氧濃度指標法。采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”現(xiàn)場測點布置有兩種方式：一種是沿采空區(qū)進、回風巷道設(shè)置數(shù)個測點，設(shè)點簡單，但監(jiān)測點范圍受限，不能整體完整反應采空區(qū)氣體分布。一種是沿工作面架后設(shè)置數(shù)個測點，后一種方式設(shè)點工作難度大，但與采空區(qū)實際氣體分布吻合度高。 每個測點可設(shè)置氣體取樣裝置和溫度測試裝置，可采用束管監(jiān)測系統(tǒng)或人工取樣分析系統(tǒng)對氣體進行測試分析。

（一）測點分布

通過提前預埋的束管對復采綜放工作面采空區(qū)內(nèi)的氣體成分進行觀測分析，采空區(qū)氣體成分監(jiān)測范圍為距工作面150 m前后，兩順槽各設(shè)置3各監(jiān)測點，監(jiān)測點距離50m，共計覆蓋采空區(qū)距離150m，其中下順為1、2、3測點，上順為4、5、6測點。當氧氣濃度降至5%～7%時或第3、6號測點進入采空區(qū)150 m后結(jié)束監(jiān)測。

采空區(qū)內(nèi)監(jiān)測束管外用2寸鋼管（或其他能避免束管被垮落砸壞的管路）進行保護，束管芯數(shù)為三芯。工作面采空區(qū)6個測定安排專人每天采樣送往地面通過色譜分析儀進行色譜分析。工作面兩順槽共布置6個測點（如圖1所示），并隨著工作面移動。

圖1.工作面采空區(qū)三帶觀測測點布置圖

工作面運輸順槽束管管路距底板的高度為1.5 m～1.8m以避免工作面采空區(qū)積水堵塞束管，工作面軌道順槽的管路可沿底板敷設(shè)。

（二）監(jiān)測探頭布置方法

采用三芯束管對采空區(qū)進行埋點取樣，束管末端采用內(nèi)徑8mm的過濾式探頭。每根束管負責一個監(jiān)測點取樣分析工作，每個束管探頭抬高0.5 m以上便于區(qū)分，束管從2英寸的鋼管內(nèi)拉出。

束管敷設(shè)過程中每個監(jiān)測點的探頭都應明確標清具體測點號；所有監(jiān)測束管應當緊貼附近煤體以盡量減少束管被壓斷的可能。各監(jiān)測點在不使用取時應密封好，放置在安全可靠地點，加以防護。若由于束管漏氣、被砸斷等原因?qū)е卤O(jiān)測異常，需重新布設(shè)束管進行監(jiān)測。采用人工采取氣體樣本后利用氣相色譜儀進行實時分析。

（三）觀測參數(shù)及儀器觀測參數(shù)

觀測參數(shù)為實際開采條件下 F9305復采綜放工作面采空區(qū)浮煤分布情況、工作面日推進速度、采空區(qū)氧氣濃度變化情況、工作面日回采率、頂板跨落情況描述等；觀測儀器為負壓氣體采樣儀以及氣相色譜儀。

四、工作面推進情況及遺煤情況

（一）F9305工作面推進情況

F9305復采綜放工作面束管埋設(shè)取樣開始于2021年12月20日，觀測開始于2021年12月25日，監(jiān)測結(jié)束于2022年2月28號，歷時共計70天。F9305復采綜放工作面采空區(qū)遺煤自燃“三帶”測期間，F(xiàn)9305復采綜放工作面共推進88.2 m。觀測期間測點處于氧化帶時的工作面推進速度平均為1.62 m/d。工作面推進速度直接影響了采空區(qū)內(nèi)浮煤與氧氣的反應變化時間，加快工作面推進速度可以更加有效的防止工作面及采空區(qū)遺煤自燃，消除采空區(qū)遺煤自燃隱患；因此，必須堅持有效的保證持工作面推進速度的穩(wěn)定，減少機器損壞等帶來的影響，從而減少采空區(qū)遺煤氧化反應時間，預防采空區(qū)遺煤自然發(fā)火。

（二）采空區(qū)浮煤分布狀況

松散煤體的堆積狀態(tài)及厚度是遺煤自燃的重要因F9305復采綜放工作面采空區(qū)現(xiàn)場留有一定厚度浮煤，但并不是全部區(qū)域的遺煤都都會自燃，主要取決于遺煤周圍的供氧等環(huán)境條件。首先采空區(qū)遺煤厚度必須達到自燃要求，能夠使得遺煤氧化產(chǎn)生的熱量有效積聚；其次提供煤體升溫所需熱能，保證足夠的氧濃度能使遺煤產(chǎn)生足夠的氧化熱；最后采空區(qū)漏風強度適宜避免風流帶走過多的熱量，造成熱量的損失。

以往防滅火經(jīng)驗可判斷出采空區(qū)內(nèi)部遺煤較多的區(qū)域為頂煤遺留區(qū)域。在回采過程中，受煤層頂?shù)装鍓毫τ绊?，巷道頂板煤體受壓垮落，造成松散狀態(tài)煤體堆積在順槽內(nèi)，隨工作面不斷持續(xù)推進，這部分遺煤遺落到采空區(qū)深部，達到遺煤自燃所需的蓄熱環(huán)境、漏風條件，最終引起遺煤自然發(fā)火?，F(xiàn)階段因為采空區(qū)遺煤分布不均，尚未找到準確測量遺煤厚度的測量方案。遺煤厚度的測量時通過間接測算進行。

F9305復采綜放工作面煤層可開采厚度平均為5 m，回采率為85%，采空區(qū)內(nèi)部空隙率取10%。通過測量工作面頂煤厚度以及工作面回采率來估算出采空區(qū)遺煤平均厚度。

采空區(qū)中部綜合回采率取85%，計算其遺煤厚度為：5×（1-0.85）/（1-0.1）=0.833 m通過計算可得采空區(qū)遺煤厚度為 0.833 m左右。

五、F9305復采綜放工作面采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律

根據(jù)F9305復采綜放工作面巷道布置的特點及現(xiàn)狀，工作面兩順槽共布置6個監(jiān)測點，在觀測的過程中隨采空區(qū)范圍擴大，采空區(qū)內(nèi)部壓力顯現(xiàn)也逐步增加。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得到進、回風順槽距離工作面采空區(qū)不同距離時各監(jiān)測點的氧氣濃度變化曲線（如圖2、圖3所示）。

圖2：F9305復采綜放工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍

圖3：F9305復采綜放工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍

從上述兩圖可以看出，采空區(qū)內(nèi)各監(jiān)測點氧氣濃度隨著工作面采空區(qū)范圍的增加整體呈現(xiàn)下降趨勢。

回風順槽采空區(qū)距離工作面20m左右時氧氣濃度下降到15%左右。相比而言進風順槽氧氣濃度下降緩慢，在進風順槽采空區(qū)距工作面50 m范圍內(nèi)氧氣濃度居高不下，這是由于進風順槽壓差大導致漏風增大。同時工作面回采時束管敷設(shè)在靠近巷幫的地點，受煤柱與支護體系的影響造成頂板長時間無法垮落形成漏風區(qū)域，其次周邊采空區(qū)頂板垮落不嚴造成漏風。隨工作面的繼續(xù)推進，監(jiān)測點不斷向采空區(qū)深處多孔流域移動，風流從下隅角進入采空區(qū)，遺煤氧化過程不斷消耗氧氣從而使得氧濃度逐漸下降。

通過以上監(jiān)測點數(shù)據(jù)分析可知：F9305復采綜放工作面采空區(qū)氧氣濃度在進風順槽分布范圍廣，隨工作面回采進風順槽采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸減小，當進入采空區(qū)距工作面75m時氧氣濃度降至5%以下?；仫L順槽氧氣濃度分布范圍窄，當進入采空區(qū)距工作面16m時氧氣濃度持續(xù)在18%左右，但進入采空區(qū)60m時氧氣濃度低至5%左右。

六、采空區(qū)遺煤自燃“三帶”劃分結(jié)論

《煤礦防滅火細則》指出采空區(qū)遺煤自燃可大體劃分為三個帶，即散熱帶、氧化帶、窒息帶。采空區(qū)自然發(fā)火三帶隨工作面回采呈現(xiàn)動態(tài)變化，其主要因素為工作面回采推進速度。根據(jù)束管監(jiān)測氧氣濃度變化規(guī)律在圖上進行繪制，即可以判斷出復采綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分范圍[5]。

圖4：復采綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分范圍

根據(jù)上圖4可知F9305復采綜放工作面采空區(qū)進風順槽漏風大散熱帶范圍較長0-25m；回風順槽漏風小散熱帶范圍較窄0-16m；進風順槽氧化帶范圍25-75m，窒息帶為距離采空區(qū)75m以上的深處范圍；回風順槽氧化帶范圍16-60m，窒息帶為距離采空區(qū)60m以上的深處范圍。

表1：采空區(qū)“三帶”劃分表

位置 散熱帶 氧化帶 窒息帶

進風側(cè) 0m-25m 25m-75m ＞75m

回風側(cè) 0m-16m 16m-60m ＞60m

由圖4和表1可知，根據(jù)觀測數(shù)據(jù)，F(xiàn)9305復采綜放工作面氧化帶最大深度位于工作面回風側(cè)，氧化帶最大距離 Lmax=75-16=59m。根據(jù)山東鼎安檢測技術(shù)有限公司的鑒定結(jié)果表明該工作面采空區(qū)遺煤最短自然發(fā)火期為80天，根據(jù)計算得出采空區(qū)遺煤可能發(fā)生自燃的工作面極限回采推進度為：

式中：Vmin—工作面極限推進度，m/d；

Lmax—工作面氧化帶最大距離，m；

Tmin—采空區(qū)遺煤最短自然發(fā)火期，d；

K—安全系數(shù)，取 k為2.0；

經(jīng)計算該工作面極限推進度為1.48m/d。

七、應用及效果分析

（一）調(diào)整注氮、注漿出口

一般而言采空區(qū)自燃危險區(qū)域位于氧化帶內(nèi)，采煤工作面采空區(qū)采用氮氣防火時，氮氣管路釋放口保持在采空區(qū)的氧化帶內(nèi)可以提高對采空區(qū)的情化效率。氮氣釋放口如果在采空區(qū)散熱帶內(nèi)，受工作面漏風風量及地質(zhì)條件、采空區(qū)垮落等客觀因素的影響[4] ，造成氮氣主要在散熱帶附近擴散，甚至隨漏風風流方向流向工作面，達不到惰化采空區(qū)的效果；氮氣釋放口如果在采空區(qū)窒息帶內(nèi)，氮氣的擴散等運動受漏風風流影響較小，但同時由于壓差作用，氮氣會向采空區(qū)深部移動，同樣達不到情化采空區(qū)的效果。因此為保證惰化效果，應當將釋放口位置保持在采空區(qū)的氧化帶內(nèi)。

通過上述研究得知F9305復采綜放工作面采空區(qū)進風順槽散熱帶范圍0-25m；回風順槽散熱帶范圍0-16m；進風順槽氧化帶范圍25-75m；回風順槽氧化帶范圍16-60m，因此工作面進風順槽敷設(shè)注漿注氮管路間距不大于25m，回風順槽注氮注漿管路間距不大于16m，進風順槽注氮釋放口選擇在進風順槽進入采空區(qū)25-75m；回風順槽注氮釋放口選擇在回風順槽進入采空區(qū)16-60m。

根據(jù)國家標準GB 51078-2015《煤炭礦井設(shè)計防火規(guī)范》，注氮量按下式計算：

QN=60*K*Q0*

式中：

QN代表注氮量（m3/h）；

Q0代表采空區(qū)氧化帶內(nèi)的漏風量，采取堵漏風措施后取1/80，漏風量為7.06m?/min；

C1代表采空區(qū)氧化帶內(nèi)原始氧氣濃度，一般為10%～15%，取10%；

C2代表采空區(qū)防火惰化指標，取7%；

CN代表注入氮氣的氮氣濃度，取97%；

K代表備用系數(shù)，一般按總注氮量的1.2～1.5倍選取，取1.5。

經(jīng)計算，QN=476.55m?/h，使用MYQ-1000液態(tài)惰氣防滅火系統(tǒng)每次注氮時流量不應小于476.55m?/h，濃度不小于97%，確保注氮效果。

同時調(diào)整兩端頭隔離墻打設(shè)距離，以往兩順槽隔離墻打設(shè)間距均為不大于15m，現(xiàn)調(diào)整為進風順槽隔離墻打設(shè)間距不大于20m，回風順槽隔離墻打設(shè)間距不大于15m。

（二）調(diào)整工作面生產(chǎn)組織部署

由上述計算可知F9305復采綜放工作面極限推進度為1.48m/d，據(jù)此生產(chǎn)部門每天早班安排對機電設(shè)備進行檢修、設(shè)備維護等相關(guān)作業(yè)，中夜班組織進行生產(chǎn)，其中中夜班每小班割煤不少于1.5刀，日割煤不低于3刀，每刀截割深度0.63m，日推進度不低于1.89m。因煤最短自然發(fā)火期為80天，當工作面日推進速度連續(xù)80天低于極限推進度采空區(qū)將有自然發(fā)火危險。此時必須加強防滅火措施的落實和監(jiān)測，并采取相應的堵漏及防滅火措施。現(xiàn)場加強周邊采后封閉堵漏，保證通風系統(tǒng)穩(wěn)定，強化注漿、注氮、壓注水玻璃凝膠等綜合防滅火措施。當工作面推進速度大于極限推進度時，可以按照正常防火措施執(zhí)行，工作面遇到臨時停工、地質(zhì)構(gòu)造等其他異常情況時應強化相應防滅火措施，確保復采工作面不出現(xiàn)自然發(fā)火隱患。

（三）效果分析

根據(jù)復采工作面采空區(qū)三帶分布范圍調(diào)整注氮注漿出口及隔離墻間距，早班強化機電設(shè)備檢修工作減少設(shè)備故障率，每天保證推進度不低于1.89m（檢修及放假日除外），F(xiàn)9305復采綜放工作面自回采結(jié)束進風和回風順槽束管分析采空區(qū)內(nèi)一氧化碳濃度均在100*10-6以內(nèi)，回風流一氧化碳濃度持續(xù)穩(wěn)定在10*10-6以下，有效的解決了復采工作面自然發(fā)火隱患。

采空區(qū)三帶劃分測定可以準確的判定采空區(qū)危險區(qū)域，采用注氮防滅火時可以有效的指導注氮釋放口選擇在氧化帶內(nèi)，同時安全推進速度的計算可以有效的組織采煤生產(chǎn)。

采煤工作面采空區(qū)自然發(fā)火三帶劃分是非常有必要的，當工作面采煤方法、通風方式等發(fā)生重大變化時，需要及時重新測定采空區(qū)三帶，以便更好的指導工作面防滅火工作，保證礦井防滅火安全。