特大面积上下复合采空区立体化技术观测装置

陶志勇，李 斌

（国家能源集团神东煤炭集团 补连塔煤矿，内蒙古 鄂尔多斯017209）

为了更准确、及时地掌握采空区内情况，防止采空区自然发火，通常通过防火密闭预留的观测管对采空区进行观测。如果采空区面积相对较小，则采空区内的情况比较容易观测和掌握，但对于特大面积采空区的观测则存在很大问题。以国家能源集团神东煤炭集团有限责任公司（下面简称神东公司）为例，神东公司煤田位于陕西省西北部和内蒙古目治区南部,面积为22 860 km2,预测储量6 690 亿t,探明储量2 300 亿t，该地方聚集着全国最大的千万吨级的超级矿井群。千万吨级的超级矿井由于煤层富存条件、开采技术、及开采方法等各类因素，工作面在回采后形成特大面积的采空区，该采空区具有“范围广、空间大、同层相连、上下导通”等特点[1-2]，上、下采空区因采动影响串通，漏风规律相对紊乱，煤体相对破碎，自燃危险性增强，发生自然发火后发火点位置也很难确定，如果不能及时预警发现而导致火灾蔓延，不仅会给国家带来巨额的经济损失，同时也威胁到井下作业人员的生命安全[3-6]。

1 特大面积上下复合采空区观测现状及存在问题

1.1 观测现状

煤炭自然发火是个长期的过程，防灭火的重点工作还在于日常的检查、管理，做到早发现、早处理[7]。当前像神东公司这样的大型综合机械系化采煤工作面的采空区传统的采空区观测方法是：综采工作面巷道一般至少每隔300 m 左右密闭处安设1根预留观测管，安排专职人员于预先选好的拥有预留观测管的几个联巷分别安设束管、压差计、传感器、人工取样泵等设备对采空区的情况进行观测。

1.2 存在问题

1）传统的采空区观测方法对面积较小、单一的采空区进行观测时效果还可以，但针对特大面积上下复合采空区的观测效果几乎是盲区。

2）需多个联巷设置束管、压差计、传感器、人工取样泵等采空区观测设备，各个观测点装置数量多，检查人员每次均需奔赴多个联巷观测点方可全方位掌握该采空区内情况，耗费大量的人力、物力和时间。而且每处观测点均有可能由于观测管闸阀等问题出现采空区向有毒有害气体向巷道涌流的情况，增大了现场安全管理难度。

3）传统的方法对采空区进行采样时，无法对采样管路中的积水进行剔除，导致水和气体一同被采集，不仅损害气象色谱仪，而且导致气样各成分浓度分析不准确。

4）传统的方法利用红外束管对采空区进行观测时，抽气泵将气体连同采空区积水一起抽出来，抽出的积水进入束管监测分站后会将分站内电路板烧坏，导致整个束管监测分站瘫痪。

5）远程监控采空区“呼吸”现象[8]，当采空区出气时，要提前采取有效措施，防止采空区低氧气体涌入巷道或者工作面造成人员低氧窒息事件。

2 特大面积上下复合采空区立体化技术观测装置

2.1 结构组成

采空区立体化技术观测装置主要由φ20 mm 钢管、弯头、法兰盘、“U”型压差计、通讯传输线、压力传输管、压差传感器、红外束管系统、“十”字联通组件、束管气水分离组件、吸气泵等组成，各部件通过“十”字联通组件有机连接，形成采空区立体化技术观测装置[9]，技术观测装置结构示意图如图1。

图1 技术观测装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of technical observation device

2.2 工作原理

采空区立体化技术观测装置上端与φ108 mm法兰盘焊接相通，通过法兰盘与通采空区的预留观测管连接；“十”字联通组件水平两端头的一端连接束管“气水”分离器，束管“气水”分离器通过束管与红外束管分站连接；水平两端头的另一端连接“U”型压差计和压差传感器；下端连接抽气装置，用来管路疏放水和气样采集工作。

如果通过外部动力进行采空区取样，该采空区技术观测装置“十”字联通组件的水平连接“U”型压差计一端的阀门在正常取样时处于“关闭”状态，防止取样的过程中在外部动力作用下造成“U”型压差计中的水流“倒吸”。“十”字联通组件的下端阀门日常处于“关闭”状态，确保采空区有毒有害其他不会涌流到行人巷道，避免了对人员造成安全威胁。

2.3 主要部件结构

1）“十”字联通组件。“十”字联通组件由空心管、闸阀、φ108 mm 法兰盘（根据观测管尺寸确定）、弯头等各部件焊接而成，装置整体呈“十”字型，十字联通，各通道利用闸阀控制，“十”字联通组件示意图如图2。

图2 “ 十”字联通组件示意图Fig.2 Schematic diagram of“ cross” type unicom components

2）束管气水分离组件。束管气水分离装置是由2 个通气口（既可用作进气口，也可用作出气口）、1个排水口和“U”型储水装置组成。3 个口均安设有阀门控制其开关，2 个通气口阀门上部安装了专门用来连接束管芯线的接口，接束管芯线时只需将束管芯线正常插入接口即可，按下接口处的弹簧，束管芯线就自动弹出。束管气水分离组件设计图如图3。

图3 束管气水分离组件设计图Fig.3 Beam tube gas-water separation component design drawing

由于“U”型储水装置的一端高度为H1，另一端高度为H2，两端高度差为△H。使用前，人员将“U”型储水装置装满水，然后将连接采空区侧的束管芯线插入2 个通气口中的任意1 个，将束管分站侧的束管芯线插入另1 个通气口，最后将3 个阀门全部打开即可。采空区抽出的水就会进入束管气水分离装置，由于通气口侧比排水口侧高，束管气水分离装置中的水达到一定量时会自动从排水口中排除，从而从源头上消除了采空区积水对束管分站的破坏作用。

3）吸气泵。在现场应用中选取了BQG-350/0.2金属气动双隔膜泵。该金属气动双隔膜泵利用气室中的压力差在气室中交替产生吸入压力，控制阀门开关可确保液体或者气体的正向流动。通气后，泵开始运行，并连续工作以保证所需压力保持不变，达到最大输送管压力时自动停止动作，在需要时，恢复泵送。金属气动双隔膜泵并非该采空区观测装置吸气泵的唯一选取，其他满足上述条件泵种亦可作为候选吸气泵，甚至有比该吸气泵性能更优良的泵，有待于进一步发现与探讨。

2.4 工作方式

1）地面自动观测。压差传感器24 h 实时将采空区内外压差数据传输至地面调度，红外束管系统则24 h 实时对采空区内气体井下分析，并将采空区气体情况传输至地面，人员在地面通过上传数据实时掌握采空区状态。

2）地面人工观测。人员将采集的气样送至地面，通过利用气相色谱仪分析出采空区气体中各主要标志气体的精确浓度，进而掌握采空区状态。

3）井下现场观测。人员通过现场所安设的压差计与压力传感器直接读出当时采空区内外压差，通过“十”字联通组件下部气样采集口采集的气样利用便携仪或气体检测仪测量出采空区内各气体参数，从而掌握采空区状态。

3 现场应用

3.1 矿井概况

补连塔煤矿22307 综采工作面位于22 煤三盘区，上覆基岩厚度为110～230 m，松散层厚度为8～23 m。煤层倾角为1°～3°，煤层平均厚度7.25 m，设计采高6.8 m。工作面长4 954.05 m，工作面宽301 m，面积1 491 169 m2。属于Ⅰ级容易自燃，发火期为30 d。

补连塔煤矿22308 综采工作面位于补连塔煤矿22 煤三盘区（煤液化预留区西侧），上覆基岩厚度为80～245 m，松散层厚度为5～30 m。工作面煤层倾角为1°～3°，煤层平均厚度为6.86 m，设计采高为6.8 m，工作面长为4 954 m，工作面宽为321 m，面积为1 606 566.8 m2，煤层自燃倾向性为Ⅰ级容易自燃，发火期为30 d。

3.2 工作面与上覆采空区立体复合关系

22307 综采工作面、22308 综采工作面与正上方2 层煤层间距为30～62 m，平均47 m。上覆共计布置12301～12313 共计13 个综采工作面，采空区面积总计约19 056 576.8 m2，其中22307 综采工作面、22308 综采工作面正上覆采空区主要由12308 采空区、12309 采空区、12211 采空区、12207 采空区和部分房采采空区组成，面积约3 355 538.54 m2。

22307 采空区和上覆12308 采空区、12309 采空区、12211 采空区、12207 采空区及上覆房采采空区虽有层位相间，但采动后受应力集中影响，各采空区相互“横向相连、纵向相通，面积特大、上下复合”，形成1 个巨型的“特大面积上下复合采空区”。

3.3 技术观测装置高温预警及应急处置

22307 工作面于2014 年9 月14 日开始回采，2015 年9 月23 日与主回撤通道贯通，10 月7 日工作面回撤完毕，10 月8 日主辅回撤通道联巷完成临时封闭，11 月12 日永久封闭结束。与22307 工作面接续的22308 工作面于10 月7 日开始生产。为了实时掌握上下复合采空区气体情况，在22308 回风巷18联巷密闭安设了复合采空区立体化技术观测装置。

2015 年10 月23 日10：00，22308 回风巷18 联巷密的复合采空区立体化技术观测装置发出采空区气体异常预警：CO 浓度256×10-6；12：40，CO 浓度上升至420×10-6；24 日10：00，CO 浓度850×10-6；24 日13：40，CO 浓度1 576×10-6；25 日10：00，CO 浓度为3 897×10-6，C2H4浓度16×10-6。

为了在最短时间采取最有效的灭火措施，需要准确判断出采空区高温源位置，在22308 回风巷17-18 联巷向上覆12308 采空区、12309 采空区、12211 采空区、12207 采空区进行打钻，并安设了复合采空区立体化技术观测装置。

经过同时间观测数据对比，22308 回风巷17-18联巷“QT4 补”钻孔检测到上覆12309 采空区回撤通道区域CO 最高，且呈现出骤然升高的趋势：10 月29 日，上覆12309 采空区回撤通道区域CO 浓度为6 477×10-6；10 月30 日，上覆12309 采空区回撤通道区域CO 浓度升高至12 374×10-6。由此基本上锁定采空区高温区域为12309 采空区回撤通道区域。

利用复合采空区立体化技术观测装置成功锁定采空区高温点，通过注浆、注氮气、注液态CO2等防灭火措施后，仅仅用了43 d 就将高温点处理完毕，顺利将采空区火灾扼杀在萌芽状态中，未对22308工作面的安全开采构成威胁，快速治理采空区自然火灾成为保障工作面安全生产的关键[10]。2012 年补连塔煤矿22 煤三盘区上覆采空区着火，灭火措施耗资1.5 亿元，所以本次采空区防灭火的成功为补连塔矿及公司避免了巨额的经济损失，而复合采空区立体化技术观测装置起到至关重要的作用。

4 结 语

特大面积上下复合采空区立体化技术观测装置可实现特大面积单一采空区或上下复合采空区井下与地面立体化观测。实践证明，采空区立体化技术观测装置不仅可以在特大面积上下复合采空区出现火灾迹象时及时发出预警，还可以精准指导对采空区采取有效防灭火措施，确保矿井安全生产。