束管监测华胜煤矿3203回采工作面采空区自然发火情况

赵基国

(山西蒲县华胜煤业有限公司，山西 临汾 041206)

采空区自燃“三带”观测是工作面防火的重要手段之一，当前常用的观测方法为测温法和测气体浓度法两种[1]。测温法、测气体浓度法主要是在采空区预埋一定数量的热电偶、抽气管来实现测试采空区内各点温度、气体(主要是O2、CO等)浓度变化的目的，再根据观测数据绘制等温线、气体浓度等值线，进而划分采空区自燃“三带”。

对于测温法，由于连接信号采集器与热电偶间的导线较细，在生产过程中很容易被损坏，易导致观测工作的失败，故这一方法目前使用较少。而使用测气体浓度法时，抽气管的保护较易实现，故这一方法得到了较广泛的应用。为深入研究矿井采空区不同位置处气体成份组成、提高采空区内部监测范围精度、进一步深入分析采空区“三带”的变化规律，本文在华胜矿3203工作面利用多芯束管同时监测的方法，对采空区内部不同位置的情况进行实时监控，为工作面防灭火工作提供指导。

1 3203回采工作面概况

华胜煤业位于山西省蒲县县城东部20 km处，行政区划属乔家湾乡管辖。生产规模90万t/a，面积8.961 1 km2。工作面北侧为3202工作面，已回采，该工作面无地质构造，工作面主要水源为上覆含水层补给，涌水量2 m3/h；工作面西侧为实体煤层，南侧为3204工作面未开采煤层及小煤窑破坏区，主要水源为上覆含水层补给，东侧为3条大巷。倾斜长度199 m，走向可采长度500 m，平均采高2.4 m。采用走向长壁综采一次采全高后退式回采，全部冒落法管理顶板。最短自然发火期为51 d。

2 采空区自燃“三带”监测

2.1 束管布置

2.1.1 束管测点位置布置

在综合考虑工作面现状和矿井现有设施的基础上，拟准备在工作面上、下隅角区域布置采样束管。随着工作面的推进，束管进入采空区，通过束管采样，分析采空区不同位置束管气体成份[2]，确定CO、CH4、O2等气体浓度，判断采空区煤自燃状态，根据O2浓度的变化规律，确定采空区自燃危险区域和窒息带的范围分布[3]。

束管共有8组，分别设置在进风巷道和回风巷道内，随着工作面推进，每间隔20 m预埋1个三通(保护管)，长10 cm，内置1根束管，能够监测160 m范围。置入采空区的束管需放置在2寸保护铁管中，铁管沿底板靠外帮一侧放置。利用已有束管系统自动采样(或者采用移动式采样泵或真空泵逐点人工采样)，通过地面气相色谱分析采样气体成份。多芯束管可监测的采空区范围为0～300 m，8组同时监测的范围为0～160 m，工作面束管布置示意见图1。

2.1.2 束管采样口布置

在工作面上、下隅角区域预先埋设采样束管，同时每间隔20 m位置留出1个束管取样口，三通保护及气体取样管的设置见图2。隔离密封材料可采用橡胶塞或者适量黄泥，在完成密封后应检查各个束管通气性。

图1 工作面束管监测测点布置示意

图2 三通保护及气体取样管示意

2.1.3 观测实施方案

上、下风巷束管布置完毕后，第一个束管进入工作面后开始采样，采样主要使用矿井原有的束管系统，自动采样、自动分析。测试主要气体包括O2、CO、CH4等浓度值，记录各测点距离工作面位置，以及各个样本组分的分析结果及时间。将各测点、各组分的分析结果在坐标纸上标注，以掌握各测点、各组分气体浓度的变化趋势。整个采样工作从第一点开始直至工作面回采过第一采样点300 m。当采空区内某一测点气样中的O2浓度值稳定并低于8%时，认为该处已经进入采空区窒息带内，随即停止该点的观测工作，并将该点至工作面距离作为采空区危险带宽度的参考依据。

2.2 工作面束管监测结果分析

1) 采空区自燃危险区域。一般学者认为以氧浓度划分采空区自燃“三带”的标准是：通风散热带为C(O2)≥18%；自燃带为18%>C(O2)>10%；窒息带为C(O2)<10%[1]。华胜矿3203工作面“三带”束管观测结果如图3和图4所示。

束管监测期间，工作面配风量2 300 m3/min左右，进风侧采空区0～59 m，C(O2)≥18%，为通风散热带；59～105 m，18%>C(O2)>10%，为氧化自燃带；105 m之后，C(O2)<10%，为窒息带；回风侧采空区0～40 m，C(O2)≥18%，为通风散热带；40～81 m，18%>C(O2)>10%，为自燃带；81 m之后，C(O2)<10%，为窒息带。

图3 采空区深部氧气浓度随工作面距离变化关系

由图3可知，随着工作面向前推进，采空区内氧浓度逐渐降低。在同一测点，进风侧氧浓度高于回风侧，可以认为进风侧氧浓度的降低速度更慢。进风侧氧气浓度C(x)与工作面距离x之间关系回归曲线为：

y=7×10-8x4-3×10-5x3+0.001 8x2-0.081 3x+21.155

回风侧氧气浓度C(x)与工作面距离x之间关系回归曲线为：

y=3×10-9x4-2×10-5x3+0.004 2x2-0.112 6x+19.267

工作面压注液态CO2期间，采空区深部O2浓度随工作面距离变化关系如图4所示。从图中可看出，进风侧采空区0～30 m，C(O2)≥18%，为通风散热带；30～66 m，18%>C(O2)>10%，为氧化自燃带；66 m之后，C(O2)<10%，为窒息带；回风侧采空区0～10 m，C(O2)≥18%，为通风散热带；10～32 m，18%>C(O2)>10%，为自燃带；32 m之后，C(O2)<10%，为窒息带。

图4 压注CO2后采空区深部氧浓度随工作面距离变化曲线图

压注液态CO2后进风侧氧气浓度C(x)与工作面距离x之间关系回归曲线为：

y=5.3×10-7x4-8.8×10-5x3+0.002 9x2-0.127x+20.964

压注液态CO2后回风侧氧气浓度C(x)与工作面距离x之间关系回归曲线为：

y=-7×10-7x4+1×10-4x3-0.004 6x2-0.325 6x+21.451

2) 工作面极限推进速度确定。采空区的“三带”随工作面的推进向前移动，煤自燃发火期51 d，以自燃带距工作面最远105 m计算，工作面月推进速度应大于58 m，可以避免三带中的遗煤发生自燃。

因此，若工作面推进速度高于1.72 m/d，采空区就不会发生煤炭自燃事件，否则就有可能自燃发火。按照工作面实际计划，3203工作面平均日推进度为5.3 m，速度远远超过采空区发生遗煤自燃现象时的临界推进速度，因此在正常开采条件下，不会引起浮煤自燃。

如图5所示，工作面回采期间保持较高的推进速度，月进尺约120 m，工作面采空区未观测到CO。束管监测区域(退尺780～970 m)，CO浓度得到了很好的控制。工作面正常回采期间上隅角CO浓度为(4～76)×10-6，平均18×10-6，CO峰值出现在工作面停采收作期间。

图5 束管监测期间工作面上隅角CO浓度变化曲线图

图6为工作面回采期间回风瓦斯浓度与工作面风量随工作面退尺变化关系。工作面配风量基本为2 200～3 000 m3/min，在工作面停产期间配风量下调至680～1 500 m3/min，回风瓦斯浓度基本低于0.5%.实现了煤层安全高效生产。

图6 工作面回风瓦斯浓度与风量随退尺变化关系曲线图

3 结 语

通过在工作面采空区布置束管监测采空区内部气体含量变化情况，得到了采空区内部气体成分随时间的变化规律，能够较为准确地预测预报采空区内煤炭自燃情况，掌握采空区自燃“三带”发展动态，及时制定工作面推进速度调整方案或防灭火计划。