近距离煤层开采上覆煤层采空区气体分布规律∗

李 强邬剑明吴玉国金 瑾

(1.鹤壁市淇滨区安全生产监督管理局,河南省鹤壁市,458030; 2.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 3.鹤壁市淇滨区政府,河南省鹤壁市,458030)

近距离煤层开采上覆煤层采空区气体分布规律∗

李 强1邬剑明2吴玉国2金 瑾3

(1.鹤壁市淇滨区安全生产监督管理局,河南省鹤壁市,458030; 2.太原理工大学矿业工程学院,山西省太原市,030024; 3.鹤壁市淇滨区政府,河南省鹤壁市,458030)

针对中煤平朔煤业有限责任公司井工二矿近距离煤层群开采下分层过程中极易引起上覆采空区遗煤自燃等问题,通过采取预先打孔埋管监测近距离煤层中上分层采空区气体随下分层工作面推进的分布规律及浓度,预测预报上分层采空区遗煤自燃情况,根据监测结果结合理论分析得出,中煤平朔煤业有限责任公司井工二矿近距离煤层群开采下分层过程中并没有引起上覆采空区遗煤自燃等问题。

上分层采空区 气体分布规律 防灭火 下分层 近距离煤层开采

近距离煤层由于层间距极近,在上覆煤层开采过程中已对下分层顶板造成破坏,给下分层顶板管理带来困难。而在下分层开采采用垮落法管理顶板时,不仅本层顶板垮落,上覆采空区、顶板也会随之垮落,冒落带、裂隙带、弯曲下沉带高度会明显增大,漏风会更为严重,极易引起上覆煤层采空区遗煤自燃,给安全生产带来极大的隐患。如果下分层煤赋存复杂将会导致下煤层的开采过程中出现复杂的水、火等问题,因此本文的研究对减少或杜绝煤自燃、水害发生,提高矿井整体安全技术水平具有重要意义,为近距离煤层开采下分层的安全开采通防决策及示范工作面奠定基础。

1 工程概况

中煤平朔煤业有限责任公司井工二矿设计生产能力10.0 Mt/a,主要可采4＃、9＃、11＃煤层,均为自燃或易自燃煤层。目前,4＃、9＃煤层已基本采空,正在开采11＃煤层。11＃煤层厚度为0.95～9.77 m,平均厚度为4.7 m,11＃煤层与上覆的9＃煤层层间距为1.4～2.2 m,平均7.78 m。由于9＃煤层在开采时采用综采放顶煤开采,采空区遗煤较多,因此11＃煤层开采过程中存在的9＃煤层采空区地表塌陷后形成漏风通道,造成引起9＃煤层采空区遗煤自燃的重大安全隐患。9＃煤层为自燃煤层,发火期为3～6个月,自燃倾向性等级为Ⅱ级,煤尘具有爆炸性。因此有必要研究近距离煤层群开采过程中,随着工作面的推进,上层采空区气体的分布规律,为制定科学的防灭火措施提供依据。

11＃煤层采区与9＃煤层采区都采用单翼布置,在11＃煤层沿煤层底板开拓一条辅运大巷,利用9＃煤层带式输送机回风大巷运煤和回风。

11＃煤层通风方式为中央并列式,通风方法为抽出式通风。通风系统为:主、副斜井→9＃煤层辅运大巷、补辅运大巷→11＃煤层辅运措施巷→11＃辅运大巷→工作面辅运巷→工作面→工作面回风巷→9＃煤层回风大巷→回风斜井。

2 现场监测情况

2.1 测点布置

根据实际情况在井工二矿1102辅运巷内每200 m布置1个钻孔,共计8个钻孔,监测上覆采空区气体变化情况。1102辅运巷观测钻孔布置如图1所示。每个测点随着回采工作面的推进,依次从工作面前方进入工作面后方,通过监测9＃煤层采空区内气体参数变化,从而掌握9＃煤层采空区气体随11＃煤层开采的分布规律。

图1 1102辅运巷观测钻孔布置图

2.2 监测内容与方法

井下实际监测的主要气体有O2、N2、H2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2。具体的取样方法如下:

(1)针对工作面实际推进情况,每2 d采集一次气样。

(2)采样时,先将钻孔用胶皮软管连接到真空泵进气口,预抽3～5 min,然后将球胆连接到真空泵出气口进行采气,再将球胆内的气体挤压干净,重复此操作3～5次(洗气),最后再将球胆连接到真空泵的出气口采集气样,直至球胆被充满为止。

(3)采样测试完毕后,测量工作面推进位置并做好记录。

(4)将气样送至地面化验室,进行气体组分分析。

2.3 监测结果分析

通过布置在1102辅运巷内的8个钻孔,实时监测1103工作面上覆9＃煤层采空区中气体浓度随1103工作面向前推进的变化情况,通过CO及O2的浓度变化来判断上覆9＃煤层采空区内遗煤氧化程度及是否出现遗煤自燃现象。经过8个月的现场监测发现了上覆9＃煤层采空区中CO、O2基本变化规律,8个钻孔采集气样的浓度曲线如图2和图3所示。

由图2和图3可知:

(1)1＃～5＃监测点随着工作面推进逐渐由工作面前方进入到工作面后方,当监测点在工作面前方时,O2浓度在7%～9%之间变化,当监测点落到工作面后方时,O2浓度逐渐升高但维持在11%～15%左右。即工作面前方O2浓度较低,随着工作面推进,监测点进入工作面后方时监测到的上覆采空区O2浓度升高。6＃～8＃监测点一直处于工作面前方,其O2浓度一直维持在7%～9%之间。

(2)1＃～5＃监测点随着工作面推进逐渐由工作面前方落到工作面后方,当监测点在工作面前方时CO浓度几乎为0%,当监测点落到工作面后方时CO浓度逐渐升高但维持在0%～0.0003%左右。即工作面前方CO浓度较低,随着工作面推进,当监测点落到工作面后方时监测到的上覆9＃煤层采空区CO浓度升高。6＃～8＃监测点一直处于工作面前方,其CO浓度一直为0%。

图2 8个监测点CO浓度与工作面距离变化曲线

图3 8个监测点O2浓度与工作面距离变化曲线

(3)1103工作面上覆9＃煤层采空区氧气浓度基本维持在7%～15%左右,说明上覆9＃煤层采空区存在漏风,处于氧气较高状态,具备自然发火的供氧条件。

(4)随着1103工作面向前推进,11＃煤层采空区逐渐与9＃煤层采空区贯通,导致9＃煤层已经压实的采空区整体重新向下垮落从而引起9＃煤层采空区地表塌陷形成漏风通道,导致漏风。9＃煤层采空区存在漏风导致采空区中O2浓度升高,O2又为采空区中遗煤氧化提供条件,遗煤发生氧化导致CO浓度升高。从监测结果得到11＃煤层上覆9＃煤层采空区中O2、CO浓度随11＃煤层工作面推进逐渐升高,总体O2浓度在7%～15%之间变化,CO浓度在0%～0.0003%之间变化,具有自然发火条件,理论分析与现场监测结果吻合。

3 应对措施

随着11＃煤层的开采,9＃煤层采空区存在着极大的自然发火隐患。因此建议采取以下措施避免9＃煤层采空区自燃危害到11＃煤层工作面的正常生产。

(1)及时密闭1103工作面上覆9＃煤层采空区并保持密闭良好性,减少采空区漏风量,填堵采空区与地面塌陷裂隙,控制漏风通道。O2是浮煤氧化的必要条件,通过控制采空区的漏风量,可以缩小浮煤氧化带的范围,氧化带的范围越小,自然发火的危险性就越低。

(2)采用均压防灭火技术,并结合其他堵漏/惰化技术,隔离煤与氧接触,使煤与氧接触机率减小。采用特定的防灭火材料喷洒在浮煤上,包裹煤体,在煤体表面形成一层膜,因此,被包裹的浮煤的表面与O2的接触面积大大减少,控制煤与O2的氧化程度。向浮煤喷洒阻化剂改变煤分子表面结构,能够抑制煤的氧化进程,降低煤氧复合热效应,从而使煤与氧的自燃氧化反应至发火的周期变大,在这种情况下,实现快速推进,把氧化带滞留在采空区的时间缩短,能够控制采空区自然发火情况。

(3)加强日常防灭火检查,定期对工作面、上覆采空区、工作面上隅角、回风流等的气体取样分析,发现问题及时分析原因,采取相应措施处理。

4 结束语

矿井火灾是煤矿主要灾害之一,时刻威胁着煤矿井下的安全生产。火灾的治理工作不仅是通风安全技术中一项重要内容,而且对煤矿安全生产起到关键性作用。通过长期对中煤平朔煤业有限责任公司井工二矿1103工作面上覆采空区气体分布规律的研究,发现了一些存在的问题并提出了解决方法,为近距离煤层群开采制定科学的防灭火措施提供了依据,并对安全开采通防决策奠定了基础。对近距离煤层开采下分层时防止上分层采空区自然发火具有一定的参考价值和借鉴作用。

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[3] 徐严军,张守宝.极近距离煤层开采的瓦斯分源治理技术[J].中国煤炭,2012(12)

[4] 张勇.上分层煤柱下的下分层综放开采技术实践与分析[J].中国煤炭,2006(10)

[5] 鲜学福,王宏图等.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述[J].中国工程科学,2001(3)

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[7] 褚廷湘,杨胜强等.近距离煤层综放工作面采空区自然发火[J].煤炭科学技术,2008(11)

[8] 陈晨,齐庆杰.矿井火灾防治技术的发展现状及趋势[J].煤炭技术,2009(3)

Gas distribution law in the goaf of upper slice in close distance coal seams

LiQiang1,Wu Jianming2,Wu Yuguo2,Jin Jin3
(1.Qibin Administration of Work Safety,Hebi,Henan 458030,China; 2.College of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024,China; 3.The People＇s Government of Qibin District Hebi,Hebi,Henan 458030,China)

Aimed at the problems of abandoned coal spontaneous combustion in overlying goaf occurred frequently in process of lower slice mining in close distance coal seams in No.2 underground mine of China Coal Pingshuo Group Co.,Ltd.,beforehand punching and pipe laying were applied to monitor the distribution law and concentration of the gas from the goaf of middle and upper slices with the lower workface driving in close distance coal seams,and the abandoned coal spontaneous combustion situation in the goaf of upper slice was predicted and forecasted. According the theoretical analysis and the results,the problems of abandoned coal spontaneous combustion did not happen.

goaf of upper slice,gas distribution law,fire prevention and extinguishing,lower slice,close distance coal seams mining

TD711

A

李强(1988－),男,吉林东辽人,硕士研究生,主要从事煤矿安全方面的工作。

(责任编辑 张艳华)

山西省科技攻关项目(20120321006),山西省青年科技研究基金(2012021022－3)