Study on Distribution Characteristics of Spontaneous Combustion “Three Zones” in Goaf of Y-Type Ventilation Working Face
To investigate the distribution of “three zones” of spontaneous combustion in goaf under Y-type ventilation conditions, a comprehensive index determination method is proposed. This involves the arrangement of ducts and temperature probes in the goaf for on-site monitoring. The spatial variation characteristics of oxygen, carbon monoxide, carbon dioxide, and temperature are analyzed to comprehensively delineate the range of the “three zones” of spontaneous combustion in the goaf. The research findings indicate that with the increase in goaf depth, the oxygen concentration decreases, while the concentrations of carbon monoxide and carbon dioxide gases initially increase and then decrease, with temperature showing a rising trend but not significantly. Based on these characteristics, the “three zones” of spontaneous combustion are divided as follows: the cooling zone on the inlet side of the goaf ranges from 0 to 25 meters, the oxidation zone ranges from 25 to 93 meters, and the suffocation zone is greater than 93 meters; on the return air side, the cooling zone ranges from 0 to 51 meters, the oxidation zone ranges from 51 to 101 meters, and the suffocation zone is greater than 101 meters. The minimum advancing speed of the working face is 0.65 meters per day.
Y-Type Ventilation
火灾是煤矿重大自然灾害之一,特别是采空区内部发生的煤自燃火灾事故,使矿井遭受资源浪费和经济损失,且严重威胁井下生产工作人员的生命安全
针对Y型工作面采空区自燃“三带”,诸多学者对此做出研究,贾廷贵等
综上,目前的研究方法主要为现场实测和数值模拟,而现场实测多以气体浓度为关键指标。但数值模拟无法完全复现采空区内部特征,且氧气浓度指标过于单一。基于此,本文以沙曲一号煤矿4503工作面Y型通风采空区为工程背景,采用铺设束管和测温线路的方式进行现场测试,利用氧气、一氧化碳、二氧化碳浓度和温度值研究采空区自燃“三带”分布规律,为采空区防火措施的制定提供依据。
采空区自燃“三带”划分是采空区自燃防治措施的理论基础
但在现场测试中,采空区内部条件复杂,风速测试困难,漏风测定误差大,所以漏风强度测定通常在计算机模拟中实现。煤体导热性较差,采空区内部传热过程缓慢,温度仅作为辅助性指标。采空区氧气浓度分布综合反映了漏风情况和遗煤氧化程度,在发生自燃的位置,遗煤耗氧量较大,氧气浓度变低,从而通过氧气含量判断煤体处于何种状态。此方法准确性较高,且气体浓度便于检测。一氧化碳和二氧化碳浓度在数值上可以反映采空区遗煤氧化程度。遗煤氧化反应剧烈,则两种气体的浓度增加,因此,在一定程度上有助于提高采空区自燃“三带”划分的准确性。
为提升采空区自燃“三带”划分的准确性,提出综合指标判定法,即氧气浓度为主要指标,一氧化碳、二氧化碳浓度和温度作为辅助指标,将气体浓度值与温度值变化的规律结合分析。在采空区现场预先铺设束管和测温线路,监测采空区内部温度和指标气体浓度。通过综合考虑气体浓度和温度的分布,划分采空区自燃“三带”,进而得出采空区遗煤自燃区域分布的真实状态。
沙曲一号煤矿位于山西省吕梁市柳林县,沙曲一号煤矿资源丰富,核定生产能力450万吨/年,井田面积68.3817平方公里,可采储量6.4亿吨,服务年限102年。
4#煤层倾角2˚~7˚,平均煤厚4.2 m,有益开采厚度为4.1 m,地质条件相对简单。4503工作面位于4#煤层,采用单一倾斜长壁采煤法,煤种为焦煤,瓦斯压力最大为1.06 MPa,最大原始瓦斯含量为8.96 m3/t,具有突出危险性,自然发火期为104天。该工作面轨道巷和胶带巷作为进风巷道,原4504轨道巷作为4503回风巷,形成Y型通风系统。
1) 气体测点布置:沿采空区倾向预埋钻杆,并使用束管转接。在4503胶带巷,测点深入采空区5 m,编号为1-1;在4503回风巷,为减小漏风对气体浓度数据的影响,测点深入采空区15 m,测点间距20 m,编号为1-2和1-3。观测过程中,使用CFZ-20型自动负压采样器抽取测点位置气体,之后通过球胆收集并运送至地面进行色谱分析测试。
2) 温度测点布置:在4503胶带巷,沿采空区走向布置2个温度测点,间距为30 m,编号为2-1和2-2;在4503回风巷,沿采空区倾向布置3个温度测点,间距与气体测点间距相同,编号为2-3、2-4和2-5。选择矿用本安型GWP200温度传感器监测温度,通过矿用本安型三芯导线将传感器和显示器连通。
气体测点和温度测点布置如
实测日期为38天,工作面共推进112 m。回采过程中,回风巷位置的测点1-3线路损坏,选择进风侧的气体测点1-1和回风侧的气体测点1-2进行气体浓度监测数据分析。
1) 氧气浓度分布特性
利用实测数据,绘制氧气浓度变化曲线,如
由
4503采空区回风侧靠近工作面区域应力较小,裂隙与孔隙发达,漏风较多,当测点距工作面51 m时,氧气浓度下降,进入氧化带范围;测点距工作面101 m时,处于采空区压实程度较大的位置,氧气浓度降至8%以下。51~101 m之间确定为氧化带范围,与散热带相比,该处位置的孔隙较为密集,气体流通受阻,耗氧补充不及时,氧气浓度降低,是矿井防灭火工作的重点关注区域。
2) 一氧化碳浓度分布特性
利用束管采集采空区气体,进风侧与回风侧一氧化碳浓度数据如
由
3) 二氧化碳浓度分布特性
采空区两侧二氧化碳浓度数据如
统计采空区温度数据,温度随采空区深度变化如
根据采空区“O形圈”理论,采空区越向深部发展,压实程度越大,孔隙率很小,漏风流场呈现流速很慢的层流态,因此,氧气无法到达采空区更深位置,氧气浓度不断下降。通过现场实测以及数据分析,得出采空区自燃“三带”的位置,见
位置 |
散热带/m |
氧化带/m |
窒息带/m |
氧化带宽度/m |
进风侧 |
<25 |
25~93 |
>93 |
68 |
回风侧 |
<51 |
51~101 |
>101 |
50 |
加快工作面推进速度是预防采空区遗煤自燃的有效技术措施。最小推进速度为,
(1)
式中,Lmax——采空区氧化带最大宽度,m;vmin——工作面最小推进速度,m/d;tmin——煤的最短自然发火期,d。
4#煤的最短自然发火期为104天。现场实测氧化带最大宽度为68 m。利用公式(4-1)计算最小推进速度为0.65 m/d。建议4503综采工作面推进速度超过0.65 m/d,使氧化带区域在短期内转为窒息带,抑制遗煤氧化反应,防治自燃灾害。
1) 确定采空区自燃“三带”划分的关键指标。提出以氧气浓度值为主要指标,一氧化碳、二氧化碳浓度值为辅助指标,并加以温度值作为辅助手段。通过分析其变化趋势,确定采空区自燃“三带”分布。
2) 设计4503采空区自燃“三带”实测方案。在4503采空区的进、回风侧选取气体和温度测点位置,通过铺设束管和测温线路采集现场数据。
3) 根据实测结果确定自燃“三带”范围。4503综采工作面采空区进风侧散热带位于0~25 m;氧化带位于25~93 m;窒息带大于93 m;回风侧散热带位于0~51 m;氧化带位于51~101 m;窒息带大于101 m。建议工作面推进速度超过0.65 m/d。
河北省在读研究生创新能力培养资助项目(CXZZSS2024158)。
*通讯作者。