1、浅埋藏采空区漏风及自燃氧化“三带”特征研究摘 要根据目前浅埋藏采空区漏风条件下自燃“三带”的研究现状，结合磁窑沟 10-2 号煤层 10202 工作面现在情况，利用 SF6 示踪气体采空区漏风测定方法对该工作面进行漏风量测定，然后通过现场埋管布点观测，确定存在垂直裂隙漏风通道的浅埋藏煤层采空区“三带”分布范围。通过以上实测数据及分析，掌握了采空区漏风及自燃氧化三带的分布特征，对采空区防火提供了依据。 关键词浅埋藏；自燃“三带” ；漏风；采空区 中图分类号：TD75. 2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0128-03 Research on the Charact
2、eristics of Air Leakage and Spontaneous Combustion “Three Zones“ in Shallow Buried Goaf XU Jin-zhong （Shanxi Hequ Jinshen Ciyaogou Coal Industry Company Limited，Xinzhou 036500，China） AbstractAccording to the research status of spontaneous combustion “three zones“ under the condition of shallow burie
3、d goaf and air leakage， the 10202 working face of Ci YaoGou 10-2 coal seam was combined. Leakage air volume of the working faceusing was measured by the method of SF6 gas ， and then points was buried with pipes to observe， The “three zones“ of shallow buried coal seam was determined under the distri
4、bution of vertical fissure air leakage channel . though analysis the measured data， mastered the characteristics of air leakage and spontaneous combustion “ThreeZones“ in Shallow Buried Goaf ，which supported the preventing the coal spontaneous combustion methods in goaf. Key wordsShallow buried； Spo
5、ntaneous combustion “three zones“； Air leakage ；Goaf 引言 采用综采放顶煤开采方法开采大采高、特厚煤层时，往往在采空区留有大量的松散遗煤，这些遗煤通过物理吸附和化学吸附，在合适的条件下很容易与采空区漏风流中的氧气发生氧化反应，导致采空区自燃火灾的发生，严重威胁矿井生产1-5。对于厚煤层而言，一次采全高开采法有着不可替代的优越性，但在开采过程中，由于开采强度大，采煤周期长，导致采空区丢煤量较大；同时随着工作面产能及瓦斯涌出的不断加大，工作面供风量相应加大，造成采空区漏风亦越发严重，从而导致采空区浮煤的自然发火危险性越来越大。采空区浮煤自然发火是
6、多种因素综合作用的结果，必须综合考虑有关煤层的自燃特性、煤层厚度、赋存状况、顶底板岩性、巷道布置和回采方法、地温特征、通风系统和采空区漏风状况等因素。 对于回采工作面采用全部冒落法走向长壁 W 型通风方式回采，在工作面推进过程中，采空区内空气的流动或采空区漏风随着与工作面距离的加大逐渐减弱，漏风的压差为工作面的压差，漏风量大小、范围与工作面的风量、风阻以及采空区的漏风风阻有关。按遗煤发生自燃的可能性可将采空区划分为散热带、自燃带、窒息带6-8。采空区自燃“三带”划分是矿井防灭火基础工作的重要内容之一，工作面正常生产时，采空区自燃“三带”是客观存在的，而且处于一个动态的稳定状态9-11。对于有些
7、浅埋藏煤层顶板坚硬，尽管容易支护，不易垮落，且垮落不严实，尽管开采时通过对两巷顶板进行弱化处理来强迫放顶，但工作面中部悬顶面积仍很大，存在垂直裂隙，形成漏风通道，使采空区漏风大，氧化带宽，氧化带浮煤易氧化自燃。本文选取磁窑沟 10-2 号煤层 10202工作面进行埋管布点观测，确定存在垂直裂隙漏风通道的浅埋藏煤层采空区“三带”分布范围，为制定采空区防灭火措施提供依据。 1 工作面概况 磁窑沟煤矿煤层属于浅埋藏厚煤层，生产能力为 120 万吨每年，磁窑沟 10202 工作面主采 10-2 煤层，煤层平均厚度 5.86m，局部煤层厚度达 810m，一次采全高，顶板直接冒落法，使得采空区浮煤厚度较大
8、，为采空区遗煤自燃提供了物质条件。煤层自然发火期为 36 个月，煤的自燃倾向等级分别为自燃和容易自燃煤层，使采空区遗煤具有自燃的本质内在属性。由于采后由于采空区冒落高度大，埋深浅，地表高低起伏严重，造成地表沉陷，形成大、中、小裂隙，促使井下工作面采空区漏风严重，上隅角一氧化碳时有涌出，影响工作面的安全回采。 磁窑沟 10202 工作面存在着自然发火威胁，具体体现在：工作面所采煤层为自然发火煤层；工作面特厚煤层一次采全高，平均采高5.86m，采空区空间大，浮煤多，采空区浮煤易达到其自燃发火期而自燃；10-2 煤层顶板坚硬，尽管容易支护，不易垮落，且垮落不严实，尽管开采时通过对两巷顶板进行弱化处理
9、来强迫放顶，但工作面中部悬顶面积仍很大，存在垂直裂隙，形成漏风通道，使采空区漏风大，氧化带宽，氧化带浮煤易氧化自燃。 为了掌握采空区的自燃情况，在实测采空区漏风基础上，对采空区自燃氧化“三带”的分布进行了分析，对制定防灭火技术措施提供了依据。 2 工作面漏风情况 通过对 10202 工作面的通风环境分析，采空区漏风来源主要为：工作面上下隅角漏风、工作面沿程漏风、采空区上覆裂隙地面漏风等。为此，对井下采空区的漏风进行了示踪气体的定量测试。10202 工作面采空区漏风分析如下。 2.1 示踪气体采空区漏风测定 连续恒量释放法就是在某一段测试巷道进风风流中，恒定连续释放SF6 气体，然后分别在所测巷
10、道的下风流方向设置的采样点收集气体。若沿途各测点风流中的 SF6 气体浓度恒定不变，则表明沿途向外漏风或不漏风；若沿途各测点风流中气体浓度呈下降趋势，则表明有漏风涌入，通过对比分析，求得沿途漏风量，从而找出漏风规律。 示踪气体的释放速率为 q，假定采样时示踪气体已与空气充分均匀混合，通过某一采样点 A 的风量为 QA，示踪气体的浓度为 CA，沿途有风流漏入，下一采样点 B 的风量为 QB，SF6 的浓度为 CB，则这两点之间的漏风量 Q 为： 2.2 漏风量测试设备 SF6 气体连续恒定释放系统由示踪气体及钢瓶、减压器、稳压器、稳流器及流量计等组成，如图 1 所示。释放装置经过二级稳压和一级稳
11、流，保证释放流量稳定及连续可调。流量范围可控制在 20250ml/min。用气囊在各个采样点采气，利用 GC-4000A 型气相色谱仪检测所采集气的中SF6 的浓度。通过分析计算可得到工作面采空区的漏风量分布及规律。释放及测试装置见图 1。 2.3 10202 工作面采空区漏风实测 根据 10202 工作面通风系统及巷道布置情况，共设置 5 个 SF6 采样点、1 个 SF6 释放点，测点布置如图 2 所示： SF6 连续释放流量为 200ml/min，释放地点在进风巷距工作面 60m；采样点有 5 处，分别在回采工作面从释放点下风流 50m 处每隔 30m 测定一个数据，共 4 个测点；另外
12、在回风巷距工作面 30m 处测定一个数据。释放点与 1 测点相距为 50m；30min 后测点按照顺序可依次检测。 2.4 检测结果及分析 根据以上布点方案，利用 GC-4000A 型气相色谱仪测定气体浓度，同时根据公式下式可计算出漏风量及漏风率，计算结果及浓度测定如下表1 所示。 式中：q 为 SF6 气体的释放量， ml/min；i 为巷道 i 段的漏风率，%；Ci+1 为各点 SF6 的气体浓度，%；Q 总为总进风量，m3/min。 首先对漏入采空区又流出的风量进行测定，浓度测定如下表 2 所示。从表 2 中可以看到，由工作面漏入采空区又流出的风量为65.02m3/min，占进风总量的
13、4.52%，发现工作面中部漏风量较大，随后漏风逐渐减小。 3 采空区自燃“三带”的分布特征 10202 工作面采空区测点布置如下图 3 所示，工作面回风顺槽及辅运顺槽内侧分别布置两个测点。划分自燃“三带”利用氧气浓度作为标准。不易自燃带氧气体积分数大于 18 % 的区域；氧化自燃带为氧气体积分数为 8% 18 % 的区域；窒息带为氧气体积分数小于 8 %的区域。 （1）进风侧采空区自燃“三带”分布 工作面回采过程中从测点开始进入采空区时观测开始至测点埋入采空区后氧气浓度降低至 10%以下观测结束，其进风巷内侧采空区两个测点氧气体积分数见表 3。 根据表 3，氧气体积分数随工作面推进距离变化趋势
14、如图 4。 通过表 3 分析知，随着深入采空区距离加深进风侧两个测点的氧气体积分数下降速度加快，测点 1 当埋入采空区达到 26m 后氧气体积分数降低至 18%以下，埋入采空区 71m 后氧气体积分数降低至 8%以下。测点2 滞后测点 20m，但是随着深入采空区距离加大，氧气体积分数同样表现出一定规律下降。由此可知，根据氧气浓度划分三带，采空区进风侧自燃“三带”范围是：不易自燃带范围为 0m26m；氧化带范围为26m71m；窒息带位于采空区 71m 以里。 （2）回风侧采空区自燃“三带”分布 工作面回采过程中从测点开始进入采空区时观测开始至测点埋入采空区后氧气浓度降低至 10%以下观测结束，其
15、回风巷内侧采空区两个测点氧气体积分数见表 4。 根据表 4，氧气体积分数随工作面推进距离变化趋势如图 5。 由表 4 可知，随着工作面推进，回风侧两测点氧气浓度体积分数逐渐下降，根据图 5，可知两侧点氧气体积分数基本呈线性下降，埋入采空区达到 28m 时 3 号测点氧气浓度体积分数降低至 18%以下，4 号测点滞后3 号测点 20m，其氧气体积分数与 3 号测点基本一致。工作面继续推进测点进入采空区达到 84m 后，氧气浓度降至 7.8768%，说明随后测点进入窒息带。根据氧气浓度判断采空区回风侧自燃“三带”范围为：不易自燃带范围为 0m28m；氧化带范围为 28m74m；窒息带处于采空区 7
16、4m 以里。 4 结论 1） 对实测数据进行拟合回归分析，并由氧浓度指标划分进回风巷各测点的自燃危险区域，并进行进回风巷对比分析，可以得出回风巷的氧化带宽度比进风巷窄，比进风巷更早进入氧化升温带的自燃现象。 2） 通过实测，工作面漏入采空区又流出的风量为 65.02m3/min，占进风总量的 4.52%，表明浅埋藏采空区易形成漏风，为了煤自燃防治，需要对采空区漏风进行控制，降低采空区的漏风量，抑制浮煤自燃发生发展进程。 3） 确定了磁窑沟 10-2 煤层采空区自燃氧化“三带”的分布特征。进风侧自燃“三带”范围是：采空区 0m26m 处于不易自燃带范围、26m71m 处于自燃带范围、71m 以里
17、进入窒息带范围，采空区回风侧自燃“三带”范围为：0m28m 处于不易自燃带范围、28m74m 处于自燃带范围、74m 以里进入窒息带范围。 参考文献 1 王省身，张国枢.矿井火灾防治M.徐州：中国矿业大学出版社，1990. 2 王德明.矿井火灾学M.徐州：中国矿业大学出版社，2008. 3 邬剑明.煤自燃火灾防治新技术及矿用新型密闭堵漏材料的研究与应用D.太原：太原理工大学，2008.3-5. 4 王俊峰，邬剑明，靳钟铭.一种预测采空区自燃危险区域的新方法CFD 技术的应用J.煤炭学报，2009，4（11）：1483-1488. 5 郝宇，刘杰，王长元，等.综放工作面超厚煤层注氮防灭火技术应用
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