基于邻空巷钻孔技术的特厚煤层均压工作面采空区自燃“三带”研究_孙珍平.pdf

第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 煤矿火灾是煤矿发生的五大自然灾害之一[1]。 火灾不但会使煤矿遭受到巨大的资产损失，而同时 它还是导致井下员工造成伤亡的重要根源[2-3]。随着 管理水平和科技进步的不断提高，我国煤矿的百万 吨发火率虽然逐年下降，但是我国的煤矿发生自燃 火灾仍很多。我国大中型煤矿中自燃发火危险的煤 矿占总数的 72.86％， I、 II 级自然发火危险的煤矿占 到 48.01％， 而无自燃发火危险的煤矿仅有 10.82％。 根据统计资料显示，采空区自燃发火次数约占火灾 总数的 60， 巷道煤柱自燃发火约占 29， 其它地 点约占 11， 所以防治采空区的自燃发火对防治煤 矿发生自燃事故具有非常重要的意义[4-5]。国内外学 者对煤层自然发火进行了大量研究， 李东发等[6]通 过数值模拟，对比分析了注氮条件下和未注氮条件 下采空区自燃 “三带” 范围的变化， 并以此来确定工 作面最小安全推进速度， 保证工作面安全生产； 尹晓 雷等[7]以刘庄矿 171101 面为研究背景， 通过实测温 度和 CO 浓度变化，同时利用 MIN-MAX 方法综合 划分自燃 “三带” 范围， 以此来确定最佳的注氮口和 灌浆口位置； 朱红青等[8]利用实验室试验和计算机 数值模拟试验两者综合考虑， 得出耗氧速度越快， 氧 化带宽度越大，对防治采空区自然发火有着非常重 DOI10.13347/ki.mkaq.2019.12.032 基于邻空巷钻孔技术的特厚煤层均压工作面 采空区自燃 “三带” 研究 孙珍平 1， 2 （1．煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2．煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122） 摘要 为了解决特厚自燃煤层均压工作面采空区自燃 “三带” 测试的难题， 以同忻矿 8207 工作 面采空区为研究背景， 采用在邻空巷道向邻近采空区施工钻孔， 通过在钻孔不同深度中气体取 样化验分析的方法， 得出氧化带宽度在 30～184 m 范围内， 并对比分析了均压通风 （8207 工作面） 与负压通风 （8100 面） 条件下采空区 “三带” 测试结果。研究表明 8207 面均压后采空区 “三带” 明 显 “漂移” ， 氧化带宽度 “拓宽” 。对 8207 综放工作面采空区注氮布距进行了优化， 有效治理了 8207 工作面回采期间采空区发火隐患。 关键词 邻空巷钻孔； 特厚自燃煤层； 均压工作面； 采空区； 自燃 “三带” ； 煤矿火灾 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2019 ） 12-0140-04 Study on Spontaneous Combustion“Three Zones”in Gob Area of Pressure Equalizing Working face in Super Thick Coal Seam Based on Drilling Technology SUN Zhenping1,2 （1.China Coal Technology Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China；2.State Key Laboratory of Coal Safety Technology, Fushun 113122, China） Abstract To solve the problem of “three zones”test of spontaneous combustion in goaf of super-thick spontaneous combustion coal seam, this paper takes the goaf of 8207 working face in Tongxin Coal Mine as the research background, uses borehole construction in the roadway adjacent to the goaf, and obtains oxidation band width within the range of 30 m to 184 m by means of gas sampling analysis in different depths of borehole. The results of “three zones”test of goaf under the conditions of uni pressure ventilation（8207 face）and negative pressure ventilation（8100 face）are compared and analyzed. The results show that “three zones”in goaf are obviously “drifting”and the width of oxidation zone is “widened”after pressure equalization on 8207 surface. The distribution distance of goaf in 8207 fully mechanized top coal caving face is optimized, and the hidden danger of goaf ignition during the stoping of 8207 face is effectively controlled. Key words boreholes in goaf roadway； extra -thick spontaneous combustion coal seam； pressure equalizing surface； goaf； spontaneous combustion“three zones” ； fire in coal mine 140 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 图 2传统采空区自燃 “三带” 分布示意图 图 18207 工作面采空区与 8209 工作面位置关系图 要作用； 于敏等[9]利用 MATLAB 和 ORIGIN 软件拟 合得到采空区 “三带” 中氧气浓度变化和 “三带” 范 围，最后运用 FLUENT 软件进行数值模拟对上述结 论进行验证，三者结果接近。以上研究对采空区自 燃 “三带” 划分具有一定参考意义， 但是存在一些局 限性，均是通过数值模拟得出的结论，且对于特厚 煤层均压工作面采空区自燃“三带”的划分没有涉 及，由于特厚煤层综合放顶煤工艺因一次采放全 高， 采空区遗煤量多、 漏风通道丰富， 并且工作面因 产量高、瓦斯涌出量大、机械设备产热量大等原因 造成工作面配风量大。特别是在工作面均压后， 其 采空区漏风更为严重。因此研究特厚煤层均压综放 面的自燃 “三带” 分布势在必行。 1工程概况 同忻矿8207 工作面平均走向长度 1 333.5 m， 倾向长度 200 m，采用综采放顶煤开采。煤层厚度 7.24～17.98 m， 平均 13.76 m， 回采 3.9 m， 放煤高度 9.86 m。工作面上部对应为侏罗系 14 号煤层采空 区， 层间距为 175～220 m。由于 8207 工作面采用综 采放顶煤开采工艺，采用顶板抽放巷抽采采空区瓦 斯，高强度放煤工艺使得本工作面采空区与上覆采 空区塌通， 形成漏风通道， 导致上覆采空区 CO、 CO2 等有害气体涌向本工作面，故工作面采用均压通风 方式。 工作面配风量为 2 600 m3/min，头巷压差为 1 100 Pa、 尾巷压差 850 Pa 左右。8207 工作面采空 区与 8209 工作面位置关系图如图 1。 2综放工作面采空区空间自燃 “三带” 划分指标 2.1传统的采空区自燃 “三带” 划分 工作面在回采过程中，有一定的破碎遗煤充填 在采空区， 因为有供氧条件， 而且存在漏风， 采空区 内煤岩的赋存状态与工作面的推进状态有直接关 系， 随着工作面的推进进行， 采空区内的遗煤状态也 会发生相应变化，因此根据工作面的推进和采空区 内垮落状态将采空区的自燃状态划分为以下“三 带” ， 即散热带、 自燃带、 窒息带。传统采空区自燃 “三带” 分布示意图如图 2。 2.2采空区自燃 “三带” 划分指标的确定 正确划分采空区的 “三带” 可以为防治煤自燃工 作的开展提供重要参照。定性而言，如何对客观存 在的 “三带” 进行正确的划分是个极其复杂的问题， 目前， 由于探测方法和手段的局限， 尚无统一的指标 参数， 难以做到的对其进行定量地准确的划分[10-12]。 目前， 漏风风速、 温升速率和采空区氧浓度这 3 种指 标现在广泛被作为划分传统采空区自燃 “三带” 参考 指标 1） 采空区漏风风速。国外有学者认为当漏风强 度达到 0.1～0.24 m3/ （min m2） 时， 会发生自燃； 国内 学者对此也有相关研究， 并取得了一定成果， 但是得 出的这些成果都是基于某种条件得出，因此具有很 大的缺陷，但对于以后研究煤自燃具有一定的参考 价值[13-14]。在当前情况下，“三带” 的采空区漏风风速 分别为 大于 1.2 m/min、 在 1.2 m/min 和 0.06 m/min 之间、 小于 0.06 m/min。 2） 采空区遗煤温升速度 （自燃带为 dt＞1 ℃/d） 。 目前尚难以应用此指标，原因是缺乏深入的试验结 果和理论研究作为参考[15-16]。 3） 采空区氧浓度分布。用于划分窒息带和自燃 带的氧浓度指标一般认为是 8～10；比如一般应 用氧浓度指标可取 8， 即氧浓度≥8为自燃带， 氧 浓度＜8为窒息带。 采空区内氧浓度分布于多种因素有关，主要与 煤的氧化程度和采空区漏风状态有关，某一区域内 氧气浓度的高低直接由该区域内自燃程度来决定， 同时这也从另一方面能看出采空区内遗煤氧化所处 的环境， 因此， 这样可以根据氧气浓度的大小来确定 采空区自燃 “三带” 的范围。同时还考虑到氧气浓度 是 1 个标量，相比采空区漏风风速和采空区的遗煤 的温升速度上述 2 个指标来说，在现场测试中容易 实现和测定，因此试验采用氧浓度指标作为采空区 141 ChaoXing 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines Vol.50No.12 Dec. 2019 图 48207 工作面采空区邻空钻孔取样氧气浓度随采深 变化曲线 图 38207 工作面采空区气体取样钻孔布置图 自燃 “三带” 划分的指标。 2.3邻空巷钻孔技术 目前主要采用束管监测手段对采空区 “三带” 进 行日常观测，但现有的束管监测系统虽然采取了套 管措施，但在埋入采空区后，因采空区顶板不稳定 等多重因素影响，容易出现断管、漏气等影响观测 准确性的现象。同时又因特厚煤层均压综放工作面 “三带” 分布拓宽的影响， 就更加增加了束管监测系 统的观测难度。通过在特厚煤层均压综放工作面采 空区的邻空巷道施工钻孔的方法，可根据采空区深 度灵活施工调整钻孔距离，直接将取样孔（钻孔） “插入” 到采空区内进行气体取样、 化验分析。提高 了采空区气体取样的准确性，对准确确定采空区 “三带” 位置， 优化采空区注氮埋管深度、 注氮布距 以及采空区防灭火有着重要意义。 3均压通风条件下综放面采空区自燃 “三带” 测定 同忻矿 8207 工作面在回采期间曾出现过上隅 角 CO 浓度超 5010-6， 采空区 CO 浓度超 15010-6， C2H6明显上升等发火迹象。 通过在 8207 综放面回采 期间， 在其邻空尾巷 5209 巷根据采空区深度， 施工 3 个“三带” 观测孔， 并通过半年来的不间断取样化 验分析， 有效确定了 8207 综放工作面在均压期间的 “三带” 分布状态及范围。 有效优化了 8207 工作面采 空区注氮的埋深和布距，并准确判断出了采空区遗 煤氧化程度，针对性地采取了喷洒阻化剂等措施， 有效防治了 8207 综放工作面发火隐患。 3.1测定方案 在进行采空区自燃 “三带” 的划分时， 必须测定 采空区内氧气浓度随埋深的变化规律，再根据氧气 浓度指标划分采空区内的 “三带” 分布。为确保取样 数据的准确性，消除束管随工作面回采垮落造成的 堵管和砸断导致取样数据的不准确，同忻矿设计在 8207 工作面邻近的 5209 巷向采空区施工 3 个 φ108 mm 钻孔， 钻孔间隔 25 m。8207 工作面采空区气体 取样钻孔布置图如图 3。随着 8207 工作面的回采， 当钻孔埋入采空区内时，即开始对钻孔内气体进行 取样化验，并记录工作面推进进度，绘制采空区内 氧气浓度随埋深变化曲线，从而确定采空区内自燃 “三带” 的范围。 3.2自燃 “三带” 测定数据的分析 每日对 3 个钻孔内采空区内的气体进行取样化 验分析，绘制的采空区内氧气浓度随埋深的变化曲 线如图 4。 根据 3 个钻孔内氧气浓度随埋深的变化曲线分 析的采空区自燃 “三带” 范围汇总见表 1。 3.3均压通风与负压通风采空区 “三带” 比较 均压通风条件下，由于工作面采空区处于正压 作用下， 工作面采空区氧化带深度增加， 测定的相同 煤层赋存条件下均压通风与负压通风综放工作面采 空区 “三带” 对比见表 2。 根据以上分析， 8207 工作面均压后采空区“三 带” 明显 “漂移” ， 氧化带宽度 “拓宽” ， 据此， 对 8207 表 28207 工作面与 8100 面采空区 “三带” 对比汇总表 表 13 个邻空巷钻孔氧气浓度变化分析的采空区自燃 “三带” 范围汇总表m 钻孔编号散热带氧化带窒息带 1 2 3 平均值 0～30 0～26 0～37 0～31 30～185 26～187 37～180 31～184 ＞185 ＞187 ＞180 ＞184 工作面编号通风方式散热带/m氧化带/m窒息带/m 8207 8100 均压 负压 0～31 0～26 31～184 26～136 ＞184 ＞136 142 ChaoXing Vol.50No.12 Dec. 2019 第 50 卷第 12 期 2019 年 12 月 Safety in Coal Mines 综放工作面采空区布距进行了优化。将原有的双 管、 30 m 布距的注氮优化为三管、 50 m 布距注氮。 优化后最深埋入深度达 150 m。有效治理了 8207 面 回采期间采空区发火隐患。 4结论 1） 采用在邻空巷道向邻近采空区施工钻孔， 通 过在钻孔不同深度中气体取样化验分析的方法， 得 出散热带宽度为 30 m 以内，氧化带的范围为 30～ 184 m， 窒息带宽度为 184 m 以外， 并对比分析均压 通风条件与负压通风条件下“三带”结果。研究表 明， 8207 工作面均压后采空区 “三带” 明显 “漂移” ， 氧化带宽度 “拓宽” 。 2） 邻空巷施工钻孔观测采空区自燃 “三带” 分布 的方法，可根据采空区深度灵活调整施工观测钻 孔。直接将取样孔 （钻孔） “插入” 到采空区内不同深 度进行气体取样、 化验分析， 有效提高 “三带” 观测 指标性气体的准确性， 进而准确确定 “三带” 分布状 态和范围。 参考文献 ［1］ 吕志金， 欧阳辉．浅埋深首采工作面采空区 “三带” 分 布规律 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （9） 238－241． ［2］ 文虎， 程小蛟， 许延辉， 等．特厚煤层综放工作面不同 漏风源位置对自燃带分布的影响 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （2） 138－142． ［3］ 侯炳超， 陈志平， 彭晓利， 等．注氮影响下高瓦斯采空 区 “三带” 划分 ［J］ ．煤矿安全， 2018， 49 （1） 187－189. ［4］ 孙珍平．基于低透气性煤层的二氧化碳爆破增透技术 试验研究 ［J］ ．中国煤炭， 2018， 44 （6） 118－122． ［5］ 沈志远， 齐庆杰， 张海洋， 等．瑞安煤矿双巷束管监测 技术优化及采空区 “三带” 划分 ［J］ ．矿业安全与环保， 2017， 44 （6） 62－65． ［6］ 李东发， 臧燕杰， 宋双林， 等．易自燃厚煤层综放工作 面采空区自燃 “三带” 划分实践 ［J］ ．煤矿安全， 2017， 48 （10） 128－131． ［7］ 尹晓雷， 戴广龙， 吴彬， 等．综采面动态注氮作用下采 空区 “三带” 分布及防灭火技术研究 ［J］ ．中国安全生 产科学技术， 2014， 10 （10） 137－142． ［8］ 朱红青， 和超楠， 秦晓峰， 等．不同煤自燃特性参数下 采空区 “三带” 分布规律的研究 ［J］ ．矿业研究与开发， 2014， 34 （3） 54－57． ［9］ 于敏， 栗继祖， 康立勋， 等．基于 MATLAB 的氧浓度对 采空区 “三带” 划分的数值模拟 ［J］ ．煤矿开采， 2014， 19 （2） 129－132． ［10］ 张龙， 袁树杰， 朱成涛．俯采工作面采空区 “三带” 分 布研究 ［J］ ．中国安全生产科学技术， 2013， 9 （5） 67. ［11］ 孙珍平， 李杰．特厚煤层大采高综放面 “远场” 瓦斯治 理技术研究 ［J］ ．煤炭工程， 2018， 50 （3） 67－70． ［12］ 耿晓伟．急倾斜高瓦斯综放开采采空区自然发火机 理及防治研究 ［D］ ．阜新 辽宁工程技术大学， 2013． ［13］ 郭艾东．煤自燃阶段特征及采空区自燃区域变化规 律研究 ［D］ ．北京 中国矿业大学 （北京） ， 2012． ［14］ 郝天轩， 张海波， 邵阳．非等值冒落采空区 “三带” 考 察及其模拟验证 ［J］ ．中国安全科学学报， 2010， 20 （10） 37－40． ［15］ 张人伟， 贺晓刚， 孙勇， 等．朱仙庄矿综放面采空区 “三带” 范围的确定及应用 ［J］ ．采矿与安全工程学 报， 2008 （3） 332－336． ［16］ 周令昌， 周西华， 梁茵， 等.东滩矿 14308 综放面采空 区三带实测分析 ［J］ ．辽宁工程技术大学学报， 2006 （S2） 52－54． 作者简介 孙珍平 （1985） ， 男， 安徽安庆人， 助理研究 员， 硕士， 2013 年毕业于安徽理工大学， 研究方向为矿井瓦 斯治理与防治。 （收稿日期 2018-11-29； 责任编辑 陈洋） 143 ChaoXing