三带测试设计.doc

<<矿井粉尘防治理论>>课程设计

题 目：矿井三带测试设计

院 别：矿业与安全工程学院

专 业：安全技术管理

姓 名：阿来拉姑

学 号：121602015

指导教师：段汉文

目 录
前言
第一章 综放采空区空间自燃三带划分指标----------------1
1.1 传统的采空区自燃三带划分标准及评价-----------------------------1
1.2 综放采空区空间自燃三带划分指标的确定---------------------------1
1.2.1 综放采空区自燃三带划分依据--------------------------------1
1.2.2 综放采空区自燃三带划分方法--------------------------------2
第二章 综放采空区空间自燃三带测试----------------------------------3
2.1 采空区自燃“三带”观测的方法和测点的布置-----------------------3
2.2 测试装备与技术方案---------------------------------------------3
2.2 测试参数----------------------------------------------------3
2.2.2 测试仪器仪表----------------------------------------------3
2.2.3 测试束管的保----------------------------------------------4
第三章 测试系统的保护设计------------------------------------------6
3.1 观测站保护-----------------------------------------------------6
3.2 巷道内探头保护-------------------------------------------------6
3.3 管线保护-------------------------------------------------------6
第四章 观测记录--------------------------------------------7
参考文献-----------------------------------------------------------8

前 言

采空区自燃三带的分布状态、范围是矿井防治采空区自然发火的重要基础参数之一，特别是对采空区防灭火更具有举足轻重的作用（1）。科学合理地确定采空区自燃三带的范围，可以增强防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的效果，有效预防自然发火事故（2）。综采放顶煤技术特殊的放煤工艺，导致其后部采空区的浮煤分布状态和漏风状态不同于分层开采或单一煤层开采，其采空区自燃三带的分布也具有自己独有的特点。在考察综放采空区三带分布时，必须把采空区的浮煤分布和漏风状态结合起来，综合考虑，才能科学合理地划定三带的范围（3）。为有效防治综放采空区遗煤的自燃，本文基于前人在采空区自燃发火方面的研究成果（4），通过对综放采空区遗煤的空间分布状态和自燃三带划分标准的分析，提出了综放采空区空间自燃三带的概念和划分指标。

1 综放采空区空间自燃三带划分指标

1.1传统的采空区自燃三带划分标准及评价
传统的采空区自燃三带划分有3个指标：漏风风速、氧气浓度、温升。划分标准分别如下：
1）按采空区内漏风风速划分。散热带为采空区漏风风速大于0.24m/min的区域；自燃带为漏风风速在0.10～0.24m/min的区域；窒息带为漏风风速小于0.10m/min的区域。
2）按采空区氧气浓度划分。散热带为氧气体积分数大于18%的区域；自燃带为氧气体积分数为10%～18%的区域；窒息带为氧气体积分数小于10%的区域。
3）按采空区的温度划分。散热带为温升ΔT＜1℃/d且靠近工作面的区域；自燃带为温升ΔT≥1℃/d的区域；窒息带为温升ΔT＜1℃/d的采空区压实区。
上述3个指标中，①漏风风速是矢量，很难进行实际测量，因此，在采用该标准进行三带划分时，一般只能采用计算机模拟的方法，对不同边界条件下采空区漏风的流线和风速分布进行数值模拟，并根据模拟结果来划分采空区三带，然而采空区的边界条件十分复杂，会导致计算误差很大，采用这种方法划分出的三带与实际相差较大。②温度指标，从理论来讲温度是反应煤自然发火程度的最直接的指标，然而煤是热的不良导体，采空区内煤岩的热量传递过程十分复杂，很难掌握采空区各个区域的温升变化，因此，温度指标在三带划分中一般作为辅助指标。③采空区内氧气分布，不仅与漏风状态有关，同时与煤的氧化程度有关，自燃程度高的区域耗氧量大，氧气浓度低，氧含量的大小，反映遗煤氧化的供氧条件和蓄热条件，根据采空区内氧气浓度的分布就可以确定三带的范围。同时，氧气浓度是个标量，在实际中也便于测定。因此，本文在进行空间自燃三带划分时，采用氧气浓度指标（5）。

1.2综放采空区空间自燃三带划分指标的确定

1.2.1综放采空区自燃三带划分依据
采空区三带即散热带、氧化带和窒息带（6）。对于非充填采空区来说，随着工作面的推进，顶板逐渐自然垮落，在一定范围内形成比较松散的冒落区，此区域内的遗煤氧化自热产生的热量绝大部分被漏风带走，不形成热量积聚，不会发生自燃发火，因此，这一区域通常被称为散热带；散热带再向采空区以里延伸的一定范围内，漏风不足以带走浮煤的氧化热，氧化热不断积聚，使煤的氧化反应自动加速，最终将可能导致煤炭自然发火，该区域就是氧化带；氧化带之后的区域，冒落体已基本压实，漏风风速很小，氧气浓度较低，不足以维持浮煤的氧化反应，氧化自燃被迫终止或者根本不能发生，因此这一区域就是窒息带（7）。综放采空区空间自燃三带划分的理论依据是煤氧复合理论，该理论认为煤炭自然发火必须同时满足3个条件（8），即：①具有自燃倾向性的煤呈现破碎堆积状态；②具有持续供氧的漏风条件；ƒ具有良好的蓄热条件。分析自然发火的条件可以看出：自燃的第1个和第3个条件与浮煤的厚度相关，只有煤层达到一定厚度才备蓄热条件；自燃的第2个条件与氧气浓度相关，只有氧气浓度达到一定值后才能维持浮煤的氧化反应。因此，氧气浓度场分布和采空区浮煤厚度分布可以正确反应综放采空区浮煤的自燃环境和自燃条件，利用这2个指标就可以科学地划分出采空区空间自燃三带。

1.2.2综放采空区自燃三带划分方法
自然发火是煤氧复合发生反应的结果（9），在进行综放采空区空间自燃三带划分时，不仅要考虑采空区氧气浓度的分布，还要考虑煤自然发火的物质基础——煤的分布，只有把氧气浓度C与浮煤厚度h分布相结合，才能正确反应综放采空区浮煤的自燃状态。具体划分办法有以下3种：
1） 散热带。综放采空区散热带是指具备充足的供氧条件但不具备蓄热条件的区域，或者具备充足的供氧条件但浮煤厚度h小于极限厚度hmin或没有浮煤的区域，其判条件为（C＞18%）∪（10%≤C≤18%∩h＜hmin）。
2） 氧化带。氧化带是指具备充足的供氧条件和良好的蓄条件，煤自燃产生的热量只有部分被带走，所剩热量能维持煤继续氧化升温的区域，其判定条件为（10%≤C≤18%）∩（h＞min）。
3） 窒息带。窒息带是指由于不具备维持煤继续自燃升温的供氧条件，煤氧化反应减缓或停止的区域，其判定条件为C＜10%。
在进行采空区空间自燃三带划分时，要把氧气浓度指标和浮煤厚度分布综合起来进行考虑，把采空区三维空间氧气浓度场与浮煤厚度分布范围相叠加，即可划分出综放采空区的空间自燃三带。这种划分方法既考虑了采空区的漏风场、氧气浓度场，又考虑了浮煤的堆积状态，综合考虑了影响煤炭自然发火的主要影响因素，理论上合理，实践上可行。

2 综放采空区空间自燃三带测试

2.1 综放采空区空间自燃“三带”观测的方法和测点的布置
采空区自燃“三带”观测的主要内容是要确定出自然带的范围，采用的方法是在采空区预埋束管检测采空区内气体成分随工作面推进度变化情况，并根据煤炭氧化的临界氧气浓度确定出不自燃带、自燃带与窒息带的范围。而回采工作面采空区测点布置在回采工作面，沿工作面两道顺槽方向，测点等长均匀布置，每个测点内安设束管采样器，随着回采工作面的推进，束管依次进入“散热带”、“氧化带”与“窒息带”，同时监测采空区各种参数变化，为分析浮煤的各个氧化阶段的温度和气体产物析出特性、变化规律提供依据。

2.2 综放采空区空间自燃“三带”测试装备与技术方案
2.2.1测试参数
对于一个特定煤层的自然发火，其煤的氧化放热性能是一定的，即是一个定数，只要浮煤厚度和粒度适中，采空区供氧充分，在发火期内推进距离小于自燃带宽度，就有可能发生采空区后方浮煤自燃。因此，要对综放面采空区浮煤自燃做出预测，必须掌握采空区自燃带范围，O2，CO，CO2和CH4浓度，以及工作面日常实际推进度、工作面风量等参数。综合各个参数，研究分析采空区自燃变化与分布规律，确定东坡矿工作面后方自燃“三带”的分布范围。
观测工作主要是通过采空区预埋管路，进行气体抽样和分析等，掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况，以氧气含量5~18%作为氧化蓄热带”的划分依据。

2.2.2 测试仪器仪表
1）抽气系统：因束管长度较长，有很大的阻力，本次测试采用2X-4型旋片式真空泵（抽气泵），它可解决用手动抽气筒抽取气样效率低、速度慢的缺点。泵实物见图5-1，泵的各项参数见表5-1。
2）色谱分析系统：抽气泵抽取的气样由取样球胆承载送至地面气相色谱仪进行色谱分析。测试分析的气体成份为：一氧化碳（CO）、甲烷（CH4）、氧气（O2）、氮气（N2）、二氧化碳（CO2）以及烷、烯烃类气体（CnHm）。

图5-1 采空区取气用的真空泵
型号
抽气速率
极限压力
配用电机
电压
外形尺寸
重量
2X-4
4L/S
6×10-2 帕
0.55kW
380v/660v
280×260×390mm
35kg

表5-1 抽气泵及电机（防暴）主要技术参数表

2.2.3测试束管的保护
为了防止束管被采空区冒落的煤岩砸坏，需要在回采工作面以及铺设导线的顺槽内设置保护套管。套管沿两部支架之间的间隙放入架后的空间，再将预先在地面用胶带包扎好的束管管缆穿入保护套管内，套管之间用快速接头连接牢固。
（1）顺槽保护套管：顺槽保护套管设在进、回风顺槽内，利用2寸注浆管作为束管的保护套管。需准备600 m，每根6 m。
（2）气体采样器：为了防止取样束管被压实或被粉煤堵塞以致无法抽取气样，应对预设取样管头进行保护。如图5-2所示。
图5-2 保护套管设置图
1-2in保护套管；2-预设取样束管；3-快速接头；4-气体采样器；5-气孔
该处的三通保护套管可以用坑木或块煤加以保护。采样头处保护套管的分解图如图5-3及图5-4所示。为了避免通过套管抽到采空区外部气体，在靠近取样器及测温探头的套管端头一侧，利用胶泥设置隔离密闭。

图5-3 两寸“三通”管 图5-4采样头保护套管

3）测试步骤
①测试线路铺设前先将约600m的2寸保护套管、约650m束管、采样点保护装置、2寸快速接头、2寸三通、抽气泵以及补偿线等所需材料运至工作地点。
②通过2寸保护套管穿束管。该项工作从外（回风）向内（后部溜子）依次进行,每当到达预设的采样点位置时，将预先抽出的单芯束管扣出，拽入三通的斜管内，至少露头50cm。该过程中，应避免将束管拧断、折死，保持束管通畅且不漏气；
③采样头安装，采样点三通的胶泥密封；
④保护套管的连接，采用“铁板凳”对采样点处保护套管保护；
⑤在进、回风巷道内束管出口处附近安装真空抽气泵，并试运转抽取气样。
本次测试在进、回风巷分别布置1个测点，获取了符合客观实际的气体数据。测点布置如5-5图所示：

图5-5 测点分布示意图
1#测点：设置在回风巷，布设在煤帮上；
2#测点：设置在进风巷，布置在煤帮上。

3 综放采空区空间自燃三带测试系统的保护设计
系统能否进行安全保护是试验成功的关键。系统保护主要包括观测站保护、探头保护和管线保护3个部分。

3.1观测站保护
由于井下实际操作环境比较恶劣，观测站处有抽气泵、热电偶补偿导线端头和光纤测温仪，抽气泵能否及时运行和光纤测温系统的正常读数直接关系到测试结果的准确性，所以需要进行保护。根据观测站处抽气泵和光纤测试仪器的相关尺寸采用在地面焊接好的铁皮箱子罩着观测系统进行保护，对热电偶补偿导线端头进行塑料袋包裹。

3.2巷道内探头保护
在三通预设探头的部位将剥离的单芯束管和热电偶从法兰盘穿入套管，并将束管和热电偶固定于套管内，接上0.3m长的2寸花管，以花管作为防护罩，用尼龙袋包裹于花管四周，防止碎煤与岩石堵塞花管孔眼。用黄泥封堵三通与法兰盘，其具体保护设计如图2所示。

图2 巷道探头部位结构示意图

3.3管线保护
随着工作面的向前推进，测试系统逐渐被埋在采空区内，所以进回风巷内的光纤、热电偶和束管必须进行保护，以防止管路的破坏。上风巷将防护铁管放在距底板0.5m处并用铁丝固定于巷帮上，下风巷考虑到积水问题将防护铁管用铁丝固定于离底板10m高的巷道帮上。项目中采用2寸防护铁管进行保护。
测试系统的可靠性不仅需要保护措施，还需要一些注意事项。测点端头保护时探头及其防护罩竖直放置，四周采用铁丝固定在巷道外帮，以防止探头平倒在地面，避免巷道有积水淹没探头。测试系统安装好后，要采取措施对巷道中管道和测点进行保护，以防生产过程和人为等原因致使管道系统破坏。

4 观测记录
测试系统安装过程需记录1#测点距工作面、两测点间、束管及热电偶端头距底板巷道以及1#测点距观测站的实际距离。测点进入采空区后，应安排人员每天进行观测采样。测温采用分布式光纤温度测试系统，可连续测温，各点温度可由测试软件自动绘制成曲线。使用万用表测试各测点的电势，以便得出测点处的温度值，与光纤测温数据进行比较。为了清楚观测到同一地点的温度变化，选取距1#测点不同距离的点并记录该点温度数据，并记录于表1中。在采样过程中注意先将抽气泵预抽5分钟，以排除束管和抽气泵中的空气，采集气样后贴上标签，立即送至地面检测站进行色谱分析。在表2中记录井下需记录的原始数据，在表3中记录气体色谱分析数据。

表1 距1#测点不同距离的温度数据
日期
距1#测点的距离（m）
50
100
150
200
250
300
350
400
450

温度（℃）

表2 井下需记录的数据
点号
日期
光纤温度（℃）
万用表读数（mV）
热电偶温度（℃）
回采进度（m/d）
煤层厚度（m）
日产量（t/d）
工作面风量（m3/min）
风温（℃）

表3 各组分气体浓度数据
点号
日期
距工作面距离（m）
各气体成分浓度（%）
O2
CH4
CO2
CO
C2H4
C2H2
C3H8

观测数据与分析
从布置的测点获取的数据、井下记录的数据以及各组分气体浓度数据基本上能够真实的反应采空区内部气体分布的规律，满足测试的要求，能够得出该工作面危险区域范围。数据的采集工作是在测点安装完毕后随即开始的，通过对气样的分析，得出了现场采空区气体成分数据，如下表，这些数据的成功获取为后续的分析工作提供了有力保障。

参考文献：
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