厚煤層綜采工作面采空區(qū)自燃發(fā)火“三帶”研究

王少華

（國投新集能源股份有限公司安監(jiān)局駐口孜東礦安監(jiān)處，安徽 阜陽 236000）

0 引言

煤炭自燃火災(zāi)是礦井安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一。如何防止和減少火災(zāi)的損失是目前煤礦面臨的重要的問題題。采空區(qū)自燃“三帶”的劃分是礦井防滅火基礎(chǔ)工作的重要內(nèi)容之一，只有較準(zhǔn)確地掌握了采空區(qū)“三帶”的分布范圍，才能在制定各種防滅火措施時(shí)做到有的放矢，為防滅火工作提供科學(xué)依據(jù)[1-2]。

1 工作面概況

試驗(yàn)工作面111304 工作面為走向長壁后退式開采，該工作面切眼平均長度300.8m，工作面煤厚1.39～5.9m，平均煤厚4.9m。工作面采高為3.5m～5.8m。屬于大采高綜采工作面，煤層傾角為4°～21°，平均傾角為13°；工作面采用”U”型上行通風(fēng)方式，工作面機(jī)巷進(jìn)風(fēng)、風(fēng)巷回風(fēng)；工作面所在13-1 煤層自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬容易自燃煤層，最短發(fā)火期為36 天。

2 采空區(qū)自燃“三帶”的劃分

2.1 采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分依據(jù)

目前劃分“三帶”的指標(biāo)主要有三種：

（1）采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速V，即V＞0.9m/s 為散熱帶；1.2≥V≥0.02m/min 為自燃帶；V＜0.02m/min 為窒息帶。

（2）采空區(qū)氧濃度（C）分布，即C＜8%為窒息帶，C≥8%為自燃帶或散熱帶；煤的氧化反應(yīng)順利進(jìn)行的前提條件是的供氧速度大于耗氧速度，否則氧化過程將受到抑制；

（3）溫度升高速率。在較長的一段時(shí)間內(nèi)采空區(qū)遺煤溫升速度1℃/d，則為自燃帶。

根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)與氧氣濃度的大小，可將采空區(qū)的煤炭氧化自燃區(qū)域劃分為三個(gè)帶，即采空區(qū)煤炭氧化自燃“三帶”，第一帶為不自燃帶，這個(gè)帶氧氣充足，漏風(fēng)流速大，有氧化但無蓄熱條件，氧化的熱量被漏風(fēng)帶走。第二帶為自燃帶，由于采空區(qū)上覆巖層的冒落與逐漸壓實(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)減少，這是既有充足的供氧條件，又有良好的蓄熱環(huán)境，故煤炭最易于自然。第三帶為窒息帶，在自燃帶之后，采空區(qū)冒落的巖石不斷被壓實(shí)，氧氣濃度下降到8～10%以下的窒息濃度。在自燃帶已自燃的煤炭到了窒息帶也因氧氣濃度的減少而窒息熄滅。

本次試驗(yàn)主要根據(jù)采空區(qū)氧濃度結(jié)合溫度變化情況分析確定采空區(qū)煤自燃”三帶”。

2.2 觀測點(diǎn)的布置

本次試驗(yàn)采用真空抽氣法和熱電偶測定法，考慮到現(xiàn)場實(shí)際情況，采用試驗(yàn)現(xiàn)場埋管（束管采樣器），通過束管抽取采空區(qū)氣樣，應(yīng)用氣相色譜儀分析，得出采空區(qū)氣體濃度變化規(guī)律，并通過埋設(shè)的溫度探頭測定采空區(qū)溫度變化情況，從而研究分析出采空區(qū)自熱變化與分布規(guī)律，確定綜采工作面自燃“三帶”的分布范圍。在工作面風(fēng)、機(jī)巷同時(shí)布置采集氣體的束管和觀測遺煤溫度的熱電偶，上、下風(fēng)巷中分別布置。

3 采空區(qū)實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

3.1 采空區(qū)氧氣濃度變化

根據(jù)采空區(qū)氧氣濃度實(shí)測結(jié)果的分析可以得出：

（1）隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度逐漸下降，進(jìn)風(fēng)側(cè)從距工作面20m 后，回風(fēng)側(cè)從距工作面12m 后開始氧氣濃度開始有明顯的下降趨勢，進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度下降的比回風(fēng)側(cè)更緩慢，這是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)受到進(jìn)風(fēng)巷的通風(fēng)動(dòng)壓慣性作用，所以氧濃度下降的比較緩慢。

（2）若采用氧氣濃度進(jìn)行劃分，以氧氣濃度20%作為散熱帶和氧化帶的臨界濃度，以10%作為氧化帶和窒息帶的臨界濃度。從進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度分布圖2 中粗線可以看出，氧氣濃度為20%的位置處在距工作面20m 處，氧氣濃度為10%的位置處在距工作面105m 處；從回風(fēng)側(cè)氧氣濃度分布圖3 中粗線可以看出，氧氣濃度為20%的位置處在距工作面12m 處，氧氣濃度為10%的位置處在距工作面95m 處。

（3）從以上分析可得，若以氧濃度作為“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的位置為距工作面20～105m，回風(fēng)側(cè)氧化帶的位置為距工作面12～95m。

3.2 采空區(qū)溫度變化

根據(jù)111304 工作面采空區(qū)溫度實(shí)測數(shù)據(jù)分析：

（1）從溫度曲線分析可得，隨著工作面的推進(jìn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)的各測點(diǎn)的溫度一直在31.0～40.0℃之間徘徊，最高溫度39.72℃。回風(fēng)側(cè)溫度一直在33.0～43.0℃之間，最高溫度42.20℃。上風(fēng)側(cè)溫度略高于下風(fēng)側(cè)。

（2）從進(jìn)風(fēng)側(cè)各測點(diǎn)的溫度分布圖4 可知，在距工作面20m 采空區(qū)范圍內(nèi)，平均溫度較低，不超過34℃，并變化緩慢，這說明在這范圍內(nèi)漏風(fēng)大，采空區(qū)處于漏風(fēng)范圍，遺煤氧化緩慢，采空區(qū)處于不燃帶；在距工作面20～80m 采空區(qū)范圍內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)溫度逐漸升高，并且升高速度加快，說明煤炭發(fā)生氧化升溫，進(jìn)入自燃帶。當(dāng)采空區(qū)達(dá)到80m 以后，采空區(qū)溫度隨工作面向前推進(jìn)，溫度開始略有下降的趨勢，說明煤氧化速度明顯下降，進(jìn)入窒息帶。這與進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度的分布判斷采空區(qū)內(nèi)“三帶”的分布基本吻合。

（3）從回風(fēng)側(cè)各測點(diǎn)的溫度分布圖5 可知，在距工作面10m 采空區(qū)范圍內(nèi)，平均溫度較低，不超過35℃，并變化緩慢，這說明在這范圍內(nèi)漏風(fēng)大，溫度不容易聚集；在距工作面10～70m 采空區(qū)范圍內(nèi)，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)平均溫度逐漸升高，采空區(qū)遺煤處于氧化升溫階段。當(dāng)采空區(qū)達(dá)到70m 以后，采空區(qū)溫度基本不變，然后開始下降，說明采空區(qū)逐漸進(jìn)入壓實(shí)帶，進(jìn)入窒息階段。這與回風(fēng)側(cè)氧氣濃度分布判斷采空區(qū)內(nèi)“三帶”的分布基本吻合。

3.3 采空區(qū)煤自燃實(shí)測“三帶”分布

111304 工作面煤自燃實(shí)測“三帶”主要按照采空區(qū)氧濃度變化規(guī)律進(jìn)行劃分，劃分依據(jù)為：氧氣濃度分別以20%作為散熱帶和氧化帶的臨界濃度，以10%作為氧化帶和窒息帶的臨界濃度，并結(jié)合考慮采空區(qū)溫度的變化規(guī)律，得到該工作面進(jìn)、回風(fēng)側(cè)煤自燃“三帶”范圍如表1 所示。

表1 111304 工作面采空區(qū)煤自燃實(shí)測“三帶”范圍

4 結(jié)論

（1）通過實(shí)測采空區(qū)內(nèi)氧濃度、溫度的分布規(guī)律，得到采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)自燃帶的范圍為20—80～110m，回風(fēng)側(cè)自燃帶的范圍為10～15—70～95m。

（2）在自燃帶范圍內(nèi)，氧氣濃度在10%～20%之間，供氧條件充分，漏風(fēng)風(fēng)量小，具有良好的蓄熱環(huán)境；當(dāng)工作面推進(jìn)超過110m 以后，氧濃度下降至10%以下，各測點(diǎn)溫度開始下降，進(jìn)入采空區(qū)窒息帶。

（3）試驗(yàn)所測得該工作面采空區(qū)內(nèi)溫度的分布規(guī)律與采空區(qū)內(nèi)煤氧化耗氧分布規(guī)律吻合，以此說明實(shí)測結(jié)果基本符合現(xiàn)場實(shí)際。

（4）影響工作面采空區(qū)自然發(fā)火的主要因素是工作面推進(jìn)速度和采空區(qū)漏風(fēng)分布，應(yīng)加快工作面推進(jìn)速度和加強(qiáng)采空區(qū)漏風(fēng)控制，在工作面上、下隅角封堵向采空區(qū)漏風(fēng)時(shí)采用不燃材料代替碎煤，減少采空區(qū)內(nèi)煤自燃的物質(zhì)基礎(chǔ)，對防止采空區(qū)遺煤自燃，可起到重要作用。

［1］徐精彩，張辛亥.常村煤礦2106 綜放面采空區(qū)"三帶"規(guī)律及自燃危險(xiǎn)性研究[J].湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，19(3)：1-4.

［2］謝中朋，龐莊煤礦采空區(qū)“三帶”范圍確定及防滅火技術(shù)研究[J].華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2014(1)：59-61.