厚煤层窄工作面推进过程中自燃带测定及规律研究_李振武.pdf

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The observation of its spontaneous combustion zone shows that in the process of normal propulsion, the range of the scattered tropics on the air inlet side is larger than that on the air return side. Affected by the rapid propulsion process, the range of the natural zone moves backward and widens. Because the length ofthe workingface is relativelynarrow, the spontaneous combustion zone on the air inlet and air return channel ofthe goafis caused by the low caving compactness of the coal near the air inlet and air return chute of the goaf The range increases. Considering the change of Graham coefficient in goaf and the influence of nitrogen injection technology in the process of observation, the results are in good agreement with the observation results. The study has important theoretical and practical significance for guiding mine fire prevention and safety production. Key words Narrowworkingsurface ; Spontaneous combustion zone ; O- ringtheory; Indicator gases 1运河煤矿工作面概况 运河煤矿 6304 工作面主采 3 煤，煤层埋深 - 680～- 760m,煤层厚度 7.0m,煤层总体呈东西高中 间低的形态， 煤层倾角 2～16， 平均 9。6304 工 作面煤层稳定性较好， 煤质较好， 属低灰、 低硫、 特 低磷、 高发热量煤层， 硬度系数 f1～2,属中硬煤。 工 作面 3 煤层直接顶板为深灰色的粉砂岩， 煤层直接 底为褐灰色泥岩， 岩性较脆易断裂， 综合两顺槽掘 进过程中揭露地质资料分析， 工作面内及周边区域 地质构造发育密集， 局部煤层赋存不稳定， 厚度变 化较大， 工作面顶板岩石性脆易碎， 易局部垮落。 该工作面东临村庄保护煤柱，南临 - 725 西翼 胶带大巷，西临 6302 辅助轨道上山，北临 6302 工 作面保护煤柱。顺槽长度 （m/ 平距） 皮顺 463.0 轨 顺 463.0 倾向长 39.8m/ 平距。工业分析见表 3.1。 工作面设计日进尺为 3.6m，每月按 25 天组织 生产， 正规循环率 85， 煤的视密度 1.36t/m3， 工作 面回收率 85， 面长 39.8m。 表 1工业分析 26304 采空区自燃带划分 为研究运河煤矿 6304 工作面采空区煤自燃三 带的分布状况，且结合运河煤矿 6304 工作面实际 情况，决定使用束管监测方法对 6304 工作面采空 区进行煤自燃三带监控。 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 Mad （） Ad （） Vdaf （） Qb,ad MJ/kg FCd （） St,d （） Y （mm ） 工业 牌号 2.8824.6141.8627.6150.160.5113QM 113 ChaoXing 2.1观测点的布置 1） 观测工作面。6304 工作面现已推进一段距 离， 剩余工作面长度为 150m， 工作面宽 42m。 进回风 顺槽管路布置复杂， 且受采空区后部冒落煤岩体影 响， 测点布置困难。 2） 测点的布置， 测点布置的原则 一切火灾隐 患都要在控制范围之内； 有利于准确地判断火源的 位置； 要求测点布置要少。 基于上述原则结合现场实际状况， 6304 工作面 现开采状况及测点主要布置位置， 如图 2 所示。 图 2运河煤矿自燃带观测测点布置图 主要布置测点为 A1， A2， A3， A4。A1、 A4 测点 分别布置在进、回风隅角处，，测点布置在工作面 中部。A2、 A3 测点间距为 8m， A3、 A4 测点间距为 9 米， A2， A3 测点间距为 25m。A1、 A2 测点抽气位置 布置在进风顺槽， A3、 A4 测点抽气位置布置在回风 顺槽。各测点束管采用有色胶带进行标记， 避免测 点数据混淆。 随工作面推进， 冒落煤岩体易破坏埋入采空区 的束管， 影响采空区数据的采集， 因此需对束管进 行保护 1） 进回风顺槽束管采用 DN40 （1.5 寸）无缝钢 管保护， 埋入进、 回风顺槽靠近保护煤柱一侧下部， 避免影响工作面正常推进。钢管埋入采空区时容易 受到冒落煤岩体及矿压的影响发生弯曲与变形， 影 响束管采集数据， 因此钢管不宜过长。本次监测系统 采用 4m一节的钢管， 且钢管之间采用 DN40 法兰进 行连接。连接钢管长度为进回风顺槽各 100m。 2） 进风端头处受端头支架的影响， 伸入工作面 的部分采用高压胶管保护， 利用高压胶管的柔韧性 绕过端头支架进行测点 A2 的布置。 3） 回风端头处， 采空区煤体破碎严重， 多成粉 末状， 因此采用硬度较高的钢管伸入工作面内部布 置测点 A3。 4） 为避免抽气时， 束管吸入煤尘封堵， 高压胶 管前端采用纱布包裹。 测点 A1， A3， A4 均采用无缝钢管保护， 且钢管 端头处采用有孔花管， 有利于束管抽气。 2.2仪器设备 检测所用仪器、 设备有 外包纱网、 束管、 束管 接头、 矿用抗压胶管、 矿用负压采样器、 无缝钢管、 法兰等。 2.3系统维护 1） 为保证仪器的正常运转和数据的准确， 监测 人员在采集及收集相关数据时， 应按相关操作规程 进行。 2） 每天数据统计中， 如发现数据异常， 应查明 原因， 并根据具体情况进行处理。 3） 束管传输线应平直， 遇到坡， 拐弯或巷道变 形严重处， 以及工作面回采时移架过程中， 应当多 注意保护措施。 4） 裸露的管线严禁破坏， 需编写具体的保护管 理制度， 并设有专门的管理人员， 管理落实到人。 3厚煤层窄工作面自燃三带束管测定 6304 工作面在皮顺及归顺布置 4 个测点后， 自 2019 年 6 月 6 号开始测定， 束管监测气体成分浓度 如图 3 所示。 3.1O2在不同测点的浓度变化 6304 皮顺 1 测点6304 皮顺 2 测点 6304 轨顺 1 测点6304 轨顺 2 测点 图 3各测点 O2浓度变化 采空区自燃三带划分中 O2浓度是主要的观测 指标。 测点于 2019 年 5.25 布置后开始日常观测， 当 氧气浓度降至 15后开始记录， 本次自燃三带分布 范围指标易 O2浓度 15和 72m。 图 4束管观测自燃三带分布状况 结合束管观测 O2浓度的变化规律，可以得出 6304 工作面在正常推进过程中的自燃三带分布规 律。由图 5 中可以看出， 正常推进过程中， 进风侧散 热带范围较宽， 自然带范围后移， 且自然带范围较 大； 回风侧散热带范围小于进风侧， 自然带范围较 窄且向工作面方向前移。 该自燃三带范围内 O2浓度 分布基本符合采空区风流自然流动过程。 在同一侧的 1 测点自然带范围略宽余 2 测 点； 4 测点自然带范围略宽余 3 测点,该规律充分 证明了采空区受顺槽支护强度影响， 靠近顺槽附近 煤体冒落压实度较低造成采空区进回风通道上风 流运移， 对于工作面长度相对较窄的 6304 工作面， 该现象较为明显。 4自燃带范围分析 4.1自燃带影响因素分析 传统自燃带的划分主要以采空区内氧气浓度、 漏风速率及温升率三个指标进行划分， 但由于采空 区漏风速率及温升情况测试条件较难实现或测试 数据差异较大， 因此传统意义上还是以氧气浓度为 主。但该浓度测试过程中， 浓度范围的变化还受煤 的自燃氧化特性、 推进速度、 地质构造、 漏风强度、 煤堆积状况、 瓦斯浓度等外在因素影响。 由于 6304 工作面变窄后，顶部围岩冒落范围 变窄， 采空区冒落矸石压实度变小， 采空区漏风相 对增加； 采空区内 CO 增加后， 对采空区采取注氮工 艺措施人为缩短， 由于顺槽支护质量的增加， 顺槽 周边漏风增大，散热带在顺槽范围增加，其漏风 O 型圈结构明显； 由于工作面窄， 推进速度大， 两侧遗煤比例相 对增加， 采空区氧气浓度下降较慢； 地质构造导致 的顺槽保护煤柱裂隙发育， 增强的巷道支护质量导 致其采空区顺槽周边煤体支撑力较大， 采空区后部 冒落空间空隙结构变大， 采空区漏风增加； 这都增 大了采空区自然发火的危险。 此外， 六月份受季节环境温度升高影响， 采空 区内部环境温度与工作面温度差异造成采空区内 部空气的微喘现象也造成实测自然三带区域划分 过程中 O2浓度的异常； 后期观测过程中由于 CO 异 常， 采取的注氮预防措施的介入， 使得氧化带范围 略有下降。因此在传统以 O2浓度自燃带划分过程 中，本测定还结合测点附近 CO 浓度变化规律进行 了分析。 4.2不同测点 CO 浓度变化规律 煤氧化过程中， CO、 CO2气体析出随氧化温度 升高， 由缓慢增加变至急剧增加。CO 浓度开始急剧 上升， 在这些温度段以后， 氧化激烈， CO 浓度增加 极快， 向深度氧化发展。 在自燃三带观测过程中， CO 浓度层出现过反复变化， 具体规律如图 5 所示。 图 5各测点 CO 浓度变化规律 如图 6 所示， CO 的浓度初期变化比较平稳， 在 6 月 6 号 - 18 号左右， CO 浓度开始显著增加，并随防 灭火工艺作用产生反复， 6 月 20 号左右 CO 浓度开 始下降。但 6.24 号， CO 浓度快速增加后随后下降。 变化范围在 0～0.008之间， 并随着检测位置的变化 煤矿现代化2020 年第 6 期总第 159 期 115 ChaoXing 而改变。每顺序经过一测点后， CO 的浓度在整体趋 势上都有所上升，其中以皮顺 1 束管每天的 CO 检 测浓度最低，轨顺 2 束管的 CO 检测浓度最高。此 外， 轨顺进风侧 CO出现的时间早于皮带顺槽。 根据 Graham 系数计算公式， 分析出如上图 ICO 的浓度变化趋势图如图 7，可以看出 CO 浓度增加 后， 其其轨顺 Graham 系数在 6 月 5 号至 23 号检测 周期内 ICO 的浓度变化处于正常范围 0～0.45 之 间； 但 6 月 24 日出现临界值 0.77 此后迅速下降， 时 间段内所采用的防灭火措施对该处着火点位置处 置较好。这与现场实际采用的采空区顺槽封堵， 采 用的 N2防灭火技术手段等比较吻合。 图 6轨顺 Graham 系数变化 5结论 1）运河煤矿 6304 工作面特殊的地质条件及采 掘工艺影响了采空区自燃三带的分布规律， 由于工 作面面长较短， 推进速度快， 采空区中部垮落压实 度降低； 采空区顺槽支护质量的增加使得两侧煤层 漏风明显； 2）6304 工作面在正常推进过程中的自燃三带 分布规律为 进风侧散热带 55m； 自然带宽度 13.4m； 回风侧散热 带 72m； 自然 带宽度 28.8m。 3）对自燃带分布的影响规律分析表明， 由于工 作面较小， 推进速度较快， 采空区内部氧气浓度下 降较慢； 自燃带测定过程中注氮工艺的引入， 导致 其自燃三带中 “自燃带” 范围变窄， 在工作管理中应 注意扩大自燃带的防治范围。 掌握不同条件下的自燃带范围，对于指导煤矿 自燃防治具有重要的现实意义， 但由于自燃带的测定 受多种因素影响， 所以自燃带的分布范围可能会与实 际防灭火工作产生一定的差异， 应注意加以防范。 参考文献 [1] 张辛亥,万旭,许延辉,丁峰,毛文龙.厚煤层分层开采采空 区自燃 “三带” 规律及防治研究[J].煤炭科学技术,2016,44 （10） 24- 28. 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