利用顶板冒落规律研究采空区自燃_三带_分布

第27卷第2期2010年06月

采矿与安全工程学报

JournalofMining&SafetyEngineeringVol.27No.2

June2010

文章编号:167323363(2010)0220205205

利用顶板冒落规律研究采空区自燃/三带0分布

杨永良,李增华,陈奇伟,高思源,王亚丽

(中国矿业大学安全工程学院,江苏徐州 221116)

摘要:针对浅埋煤层上覆岩层冒落强度较大、顶板破坏程度严重的现状,分析了顶板冒落规律与采空区自燃规律之间的相互关系.利用相似模拟试验研究了浅埋煤层工作面顶板冒落规律,同时

在试验工作面采空区布置了测点,现场取样测定分析了推进过程中采空区气体含量分布规律.结果表明,工作面采空区0~120m为自然堆积区,120~260m为破碎堆积区,且距离工作面140~260m范围内,采空区O2含量为18%~10%.利用两种方式得出的采空区自燃规律具有较好的一致性,从而确定出采空区自燃/三带0分布状况.研究结果为工作面采空区防灭火措施的制定提供了可靠依据.

关键词:自然发火;自燃/三带0;采空区;顶板冒落规律;气样测试中图分类号:TD842.1 文献标识码:A

TheStudyofDistributionofSpontaneousCombustion/Three2Zone0inGobUsingtheLawoftheRoofCaving

YANGYong2liang,LIZeng2hua,CHENQi2wei,

GAOSi2yuan,WANGYa2li

(SchoolofSafetyEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,

Xuzhou,Jiangsu221116,China)

Abstract:Inviewofthepresentsituationthattheintensityoftheshallowcoalseamoverburdenstratafallsismuchbigger,theroofdestructivenessisserious,weanalyzerelationshipbetweenroofcavinglawandspontaneouscombustioningoaf.Westudythelawoftheshallowcoalseamworkingfaceroofcavingusingsimilarsimulationexperiments,andarrangemeasuringpointsingoaffortestinggassampletoanalyzethedistributionruleofgob.sgasdensityintheadvancementprocess.Theresultshowsthattheworkingfacegobfrom0to120misnaturalac2cumulationarea,from120mto260miscrushingaccumulationarea,andtheoxygenconcen2trationofgobis18%~10%,inthedistancetoworkingfacefrom140mto260m.Theruleofthethree2zoneofspontaneouscombustioningoafusingtheabovetwomethodshastheverygooduniformity,validatingtheaccuracyofstudyingresults.Thestudyingresulthasprovidedthereliablebasisforestablishingagainstthefirefightingmeasureinthegobofworkingface.Keywords:spontaneouscombustion;three2zoneofspontaneouscombustion;gob;lawoftheroofcaving;gassampletest

我国西部大部分浅埋煤田地质构造简单,煤层稳定,开采条件优越,煤质好,且煤层瓦斯含量小,

不存在瓦斯灾害的困扰;但在这种特殊条件下开采,工作面采空区受到煤自燃的严重威胁.浅埋藏

收稿日期:2009207201

基金项目:中国矿业大学青年科研基金项目(2009A006);煤炭资源与安全开采国家重点实验室开放基金项目(07KF11);国家自然科

学基金项目(50474067)

作者简介:杨永良(19792),男,山东省日照市人,博士,讲师,从事矿井火灾与瓦斯防治方面的研究.

矿井易受采动影响,顶部岩层的裂隙带会直通地表,造成地表有塌陷和裂隙较多,导致地表漏风较为严重[122],防止漏风较为困难,采取有效的方法研究采空区自燃规律,提出针对性的自燃防火技术,具有重要的意义.

国内外对自然发火规律的研究,主要集中在预测技术、采空区流场模拟和采空区二维/三带0的划分上;其中,采空区自燃/三带0主要划分方法有两种[325]:其一是基于现场采空区氧气含量和温度观测,直接确定自燃三带;其二是通过研究采空区的漏风状态,掌握采空区空间范围内的风压和风速分布,利用数值模拟方法进行分析.这些常规方法均未考虑顶板岩层冒落对采空区自然发火的影响.

采空区自然发火不仅取决于原煤本身的自燃氧化性,而且与采空区内冒落岩石堆放压实状况、遗留浮煤的分布、采空区内漏风源、漏风汇的位置和强度等因素有关,同时与工作面的推进速度也有很大的关系.其中,采空区漏风状况直接与岩石冒落压实状况有关,顶板冒落压实状况对采空区自然发火的影响在浅埋煤层中尤为明显;因此,笔者通过顶板冒落规律与采空区自燃危险性紧密的联系在一起,来分析采空区自燃规律.

或煤壁影响区;Ò区处于采空区低应力影响范围,浮煤及矸石不再成自然状态堆积,在压应力作用下浮煤及矸石进一步破碎,密实度增加,称为破碎堆积区或断裂离层区;Ó区处于第二应力高峰区及重新压实区,密实度最大,称为压实区

.

Ñ2自然堆积区或煤壁影响区;Ò2破碎堆积区或断裂离层区;Ó2重新压实区;a2垮落带;b2断裂带;c2弯曲下沉带

图1 采空区覆岩破坏水平及垂直分带情形

Fig.1 Thehorizontalandverticalzoning

ofoverburdenfailureingoaf

采空区水平冒落带3区矸石的压实程度与采空区的空隙率密切相关

[9]

,影响采空区的漏风强

度,从而影响采空区遗煤的自然发火.冒落带三区同采空区自燃三带存在着基本对应关系.在Ñ区,即自然堆积区内,岩体堆积呈松散状态,靠近采场,因而其漏风量较大,通风状态良好,氧含量与空气成份相似,氧化生成的热量不便积聚,相当于自燃三带的/散热带0.在Ò区,即破碎堆积区内,冒落岩体和遗煤承受上覆岩层结构所传递的力及基本顶破断引起的载荷,岩石碎胀密实度增加,相应地漏风量亦减少,但岩石未被压实,具备空气渗流通道,有足够的氧气供遗煤氧化,生成的热量不易带走,相当于自燃三带中的/氧化升温带0.Ó区在重新压实带,上覆岩层基本压实,采场泄露风量极低,氧化量进一步降低,即相当于自燃三带的/窒息区0.

1 冒落压实状况对采空区自燃影响

采空区的顶板岩石冒落规律及其作用形态,对采空区的漏风形态、漏风强度有着重要影响.冒落形态对采空区漏风状态的影响,主要体现在采空区不同区域的矿山压力大小不同,导致不同区域冒落带内的煤岩压实程度不同,其空隙率不同,渗透率不同,从而影响采空区的漏风状态和漏风强度,进而影响采空区遗煤自燃危险区域的范围.

根据采场覆岩结构运动及相关矿压理论

[627]

,

支架前方煤体应力峰值与后方采空区基本顶触矸处应力峰值组成了/应力双峰0,即存在两个应力高峰.应力双峰是随着工作面推进不断向前移动的,因此又称其为动态应力双峰.与采空区压力分布相对应的,在采空区/冒落带0内也形成了3个区,即Ñ、Ò、Ó区,如图1所示,Ñ区紧靠工作面的后方,在采空区周边由于基本顶及部分直接顶呈悬臂梁结构,该结构与煤壁、底板之问形成/松散三角区0.该区沿采空区四周连通,区内既有碎煤,也有矸石,其密实性较采空区中部差,从而成为采空区内漏风的主要通道,该区未受基本顶来压的应力影响,浮煤及矸石成自然状态堆积,称为自然堆积区

[8]

2 采空区冒落压实形态实验研究

基于以上分析,本文以伊泰集团纳林庙二矿62101工作面为研究对象,采用相似模拟实验研究浅埋煤层顶板冒落规律,依此对采空区自燃/三带0进行划分.

2.1 顶底板岩层条件

工作面平均埋深140m,煤层厚度6.18~6.67m,平均6.3m,煤层顶、底板岩性为灰白色细粒砂岩,黑灰色泥岩、砂质泥岩、煤线等,工作面覆岩基本岩石力学参数见表1.

表1 实验覆岩基本岩石力学参数表

Table1 Thefundamentalrockmechanicalparameterstableofoverburdenrockofexperiment

序号[**************]

岩性土层泥岩细粒砂岩

砂质泥岩、泥岩互层砂质泥岩、细粒砂岩互层

砂质泥岩细粒砂岩砂质泥岩细粒砂岩粉砂岩煤层粉砂岩

厚度/m20~804~5811123~918521464

密度/(kg#m-3)

[***********][***********][1**********]0

弹性模量/GPa

[***********]936

内聚力/MPa1.52.21.82.11.62.61.62.52.52.32.5

内摩擦角/

(b)

[***********]3436

泊松比

抗压强度/MPa

[***********]1434

0.30.20.250.220.250.20.250.20.220.230.22

2.2 采空区顶板冒落规律

1)冒落过程

通过相似模拟试验得到工作面采空区顶板的冒落规律,煤层覆岩一般均由强度和厚度不等的不同岩性的岩层组成,随着工作面由切眼向前推进,覆岩会逐渐周期性垮落并形成覆岩宏观结构,产生采动裂隙,形成采场覆岩的横/三区0和竖/三带0.工作面继续推进至140m时,移架后工作面顶板3次周期来压,支架后方顶板悬露长度达6.5m,如图2a所示.此时顶板垮落高度约为55m,岩层裂隙继续向上扩展,而且在岩层和土层交界面间产生裂隙.但此时采空区浮煤及矸石堆积较为松散,三区划分还不明显,采空区岩层未被压实,压实区还未出现

.

2)裂隙发育高度

煤层上覆岩裂隙发育高度与工作面推进距离的关系曲线如图3所示.从图中可以看出:覆岩垮落基本上可分为两个阶段,垮落高度在5m以内时(即垮落为基岩厚度),是较缓慢的;后期跨落较为迅速.每次顶板来压曲线均有波动,地表出现地堑式台阶下沉,当工作面推进至225m时裂隙贯通地表,岩层下沉逐渐趋于稳定,采空区后方浮煤及矸石处于压实状态,为重新压实区.

图3 62煤工作面开采裂隙发展图

Fig.3 Fracturedevelopmentofworkingface

miningincoalseam62

图2 顶板冒落形态Fig.2 Roofcavingpattern

3)顶板岩层随开采进程的覆岩下沉规律

通过在表土岩层中分别布置垂直位移监测点和水平位移监测点[10],利用位移计监测开采过程中煤层上方岩层的移动变形情况,得出测点随开采距离的下沉曲线分别见图4所示.

由图4a可以看出,工作面在初采期间,随工作面推进的下沉变形缓慢;当工作面推进到240m后,表土层变形加剧;但当工作面推进260m后,弯曲变形趋于极限,下沉变形增量很小,基本达到最大下沉量为1670mm,岩层发生破断,岩层处于压实状态.因此,表土层的弯曲变形经历了从缓慢y剧烈y缓慢y破断的过程.

由图4b可以看出,当工作面推进到214m时,各测点平移量不大,当工作面推进到240m时,测

随着工作面继续推进到225m,采空区上方土层受自重力作用,大块多面形土块突然垮落,同时地表有明显下沉现象,导致离层范围缩小.另外由于裂隙不断向上扩展发育,裂隙首次贯通地表,被贯通范围基岩厚度在55~70m之间.如图2b所示,在采空上方地表出现两条由地表向下发展的张开垂直裂隙F1和F2,裂隙F1和F2垂直深度分别约为20m和15m,水平距离约为105m.此时来压显现非常强烈,采空区后方浮煤及矸石密实度增大,逐渐趋于压实状态,漏风减少,出现重新压实

区,

点平移量突然增大.这是由于表土层整体跨落的缘故;正方向平移量最大为1050mm,负方向平移量最大为490

mm.

图6 测点设置示意图

Fig.6 Schematicfortestpointsetting

注:平移量为/-0时代表平移方向与开采方向一致,平移量为/+0时代表平移方向与开采方向相反

图4 测点随工作面掘进距离的下沉曲线

Fig.4 Sinkingcurveasthedistanceofexploitation

2.3 采空区自燃/三带0划分

由冒落规律研究结果可知,采空区靠近工作面120m范围内浮煤及冒落矸石较为松散,四周裂隙连通性好,密实性差,漏风通道多;而当工作面推进至260m,采空区后方上覆岩层下沉达到极限,处于压实状态;并考虑采空区空隙率的漏风状态,即可将采空区自燃/三带0范围划分出来,如图

5.

图7 气体体积分数与埋进采空区距离关系曲线Fig.7 Therelationalcurveofconcentration&

distancesubmergedthegoaf

图8 采空区氧含量等值线图

Fig.8 Chartofisolineoxygenconcentrationingoaf

由图7,8可看出,距离工作面140~260m范围内,采空区O2体积分数为18%~10%;距离工作面200m左右采空区CO体积分数最高,然后急

图5 采空区正常生产期间浮煤自燃危险区域划分Fig.5 Chartofdeterminantinspontaneouscombustionzoneoflossesingoafduringfullymechanizedproduced

剧下降,当距离工作面300m左右时,CO体积分数下降幅度减缓,总体来看,距离工作面140~300范围内CO体积分数较高,说明该范围内煤体氧化程度高.由气样分析可以得出,工作面采空区0~140m为散热带,140~260m范围为氧化升温带,260m以外区域为窒息带.与顶板冒落规律划分结果具有很好的一致性,验证了研究结果的准确性.

3 现场实测采空区气样分析

由以上顶板的冒落压实状况分析所得出的采空区自然发火规律是否与实际一致,可通过试验工作面的测温、取样分析得到验证.在工作面采空区布置4个测点,测站布置位置如图6所示.利用束管监测系统测定了工作面推进过程中采空区气体含量分布规律,氧气及一氧化碳体积分数见图7.

4 结 论

1)采空区的顶板岩石冒落规律及其作用形态,对采空区的漏风形态、漏风强度有着重要影响.

采空区漏风共同作用的结果.顶板岩层冒落形态导致采空区不同区域冒落带内煤岩压实程度不同,其空隙率及渗透率不同,从而影响采空区的漏风状态和漏风强度,进而影响采空区遗煤自燃危险区域的范围.上覆岩层的运动及其造成的采空区浮煤及矸石堆积状态分布,导致沿采空区走向在冒落带内形成了3个区:自然堆积区、破碎堆积区及重新压实区,该3区与采空区的散热带、氧化升温带及窒息带基本对应,因此,通过采空区顶板岩层冒落规律可以进行采空区自燃三带划分.

2)利用相似模拟实验研究了试验浅埋工作面采空区顶板冒落规律,得出采空区靠近工作面120m范围内浮煤及冒落矸石较为松散,四周裂隙连通性好,密实性差,漏风通道多;而当工作面推进至260m,采空区后方上覆岩层下沉达到极限,处于压实状态;并考虑采空区空隙率的漏风状态,对采空区自燃/三带0进行了划分:散热带(距工作面0~120m),氧化升温带(距工作面120~260m),窒息带(距工作面大于260m).

3)在试验工作面采空区现场取样测定了推进过程中采空区气体含量分布规律,分析得出工作面采空区自燃三带分布为:工作面采空区0~140m为散热带,140~260m范围为氧化升温带,260m以外区域为窒息带.与顶板冒落规律划分结果具有很好的一致性,验证了研究结果的准确性.参考文献:

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