豹子溝煤礦采空區自燃“三帶”分布規律研究

趙素平

（山西省煤炭進出口集團蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041204 ）

煤的自然發火是煤礦重大災害之一，而采空區中的遺煤，往往是自然發火的重要危險源，要防止采空區遺煤自燃，需搞清采空區自燃“三帶”的分布范圍，才可針對性地采取采空區注氮、堵漏風等技術措施。本文對豹子溝煤業采空區自燃“三帶”分布規律進行研究，并為制定防止采空區浮煤自燃的措施提供基礎數據。

1 采空區遺煤氧化自燃“三帶”概述

1.1 采空區遺煤氧化自燃“三帶”概述

對于大多數的礦井，采空區頂板管理為自然垮落法管理頂板，隨著工作面從開切眼一直向前推進，切頂線之后的采空區頂板開始逐漸垮落，在該區域冒落的頂板比較松散，間隙較大，風流也較大，在該區域的浮煤通過氧化作用產生的能量隨風流帶走，該區域因無法聚集熱量而不能發生自然發火，該區域為“散熱帶”或 “冷卻帶”；隨著工作面的推進，原冒落的松散區域被壓實，裂隙變少，風流強度減弱，該區域由于存在足夠的氧氣與浮煤氧化產生熱量，而不能被風流帶走，最終因氧化產生的熱量不斷聚集與浮煤又產生激烈的氧化反應，導致出現明火燃燒現象，該區域為“氧化自燃帶”；隨著工作面繼續推進，當冒落區基本被壓實，漏風基本消失，漏風風流流經“氧化自燃帶”時，其所含的氧氣已被大量消耗，一般氧氣濃度下降到7%以下，因此無法提供氧氣而不能使煤氧化反應，遺煤處于窒息狀態，該區域為“窒息帶”。

1.2 采空區自燃“三帶”的劃分指標

根據以往經驗可將采空區遺煤氧化自燃“三帶”按照以下指標進行劃分：

（1）根據采空區漏風風速劃分。這種劃分方法主要是在實驗室，通過實驗模擬的方法進行的，一般根據采空區風速劃分為：散熱帶的風速大于0.004m/s，自燃帶的風速在0.0016～0.004m/s，窒息帶的風速一般小于0.0016m/s。

（2）根據氧氣濃度劃分。該方法常在現場實測中使用，不同礦井的臨界氧濃度也各不相同，大量現場實際得知豹子溝煤礦煤層自然發火標志性氣體測定中所確定的煤自然發火的臨界氧濃度劃分為：散熱帶的氧氣濃度大于18%，自燃帶的氧氣濃度7～18%；窒息帶的氧氣濃度小于7%。

（3）根據測點的升溫特征劃分。該劃分指標只是補充依據，參考指標，因為溫度監測能明顯地測量出采場溫度的變化規律，說明采空區有煤進行氧化反應活動，但目前還沒有準確的界限。

2 綜放工作面采空區自燃“三帶”分布

2.1 采空區測點布置

以豹子溝煤礦綜放工作面10101工作面為研究對象，對采空區的自燃“三帶”分布進行研究，主要采用束管監測技術對煤層氧化自燃過程進行觀測并進行早期預測預報。建立束管監測系統與在10101工作面進風巷、回風巷沿著壁面鋪設兩組束管的溫度探頭進行連接，束管每組3根，各束管采樣頭的間距為20m，共設置6個測點，在進、回風巷對稱分布3個測點，測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 10101工作面束管監測點布置示意圖

2.2 現場監測結果及分析

在監測地點利用氣囊采集氣體進行分析，或者利用地面束管系統直接進行氣樣分析，分析的參數主 要 有 O2、N2、CO2、CO、CH4、C2H6和 C2H4，每天采集1次，同時測量兩次采樣時工作面推進的距離，部分記錄數據如表1所示。

通過監測結果分析可知：10101工作面采空區氧氣濃度隨著距切頂線距離的增大而減小，但氧氣濃度降低的速率變化不一，跟工作面周圍環境有關。采空區靠近工作面上隅角附近的測點的氧氣濃度，隨著工作面的持續推進呈持續下降的趨勢，降低的幅度較明顯，這是由于漏風風流氧濃度經過采空區浮煤的自燃氧化消耗后造成的。另外，監測發現隨著工作面正常推進，采空區的氧氣濃度分布規律并不是以工作面的中心線對稱的，在進風側的區域氧氣濃度較高，可見，10101工作面采空區“氧化自燃帶”與“窒息帶”的界線也是不對稱分布的。

表1 部分測點溫度統計表

從氧氣濃度監測角度分析可知，在進風巷側的“三帶”分布為：散熱帶寬度為小于27.2m，氧化帶寬度為27.2～72m，窒息帶為大于72m；在回風巷側“三帶”分布為散熱帶寬度小于17.6m，氧化帶寬度為17.6～67m，窒息帶為大于67m。從溫度變化角度監測結果分析可知，當測點埋入采空區22.4m后采空區進入“氧化自燃帶”，浮煤發生自熱氧化，煤溫升高，當測點埋入采空區67m后采空區進入“窒息帶”，自熱氧化過程受到抑制，溫度開始下降，通過溫度劃分的采空區自燃“三帶”范圍與氧氣濃度劃分結果基本一致。各點溫度變化規律如圖2和圖3所示。各測點都是在進入采空區20m后出現CO濃度增加，在進入采空區70m后CO濃度急劇下降，說明在采空區內20m至70m范圍內出現了煤氧化過程，但隨著工作面的推進，測點處進入了“窒息帶”，煤氧化過程被抑制，最終都趨于平穩。在實測過程中，沒有監測到乙烯氣體，表明采空區浮煤沒有發生劇烈氧化反應。

圖2 進風側各測點溫度變化規律圖

圖3 回風側各測點溫度變化規律圖

3 結論

針對豹子溝煤礦10101綜放工作面實際情況，科學設計監測方案，從氧氣濃度監測角度、溫度變化角度和CO濃度變化角度，對該工作面采空區“三帶”分布進行劃分，散熱帶小于27.2m，氧化自燃帶 27.2～74.5m，窒息帶大于74.5m，利用溫度檢測作為劃分采空區“三帶”的輔助指標，所測溫度都低于21℃，說明采空區被壓實較好，供氧比較微弱，所得到結果與氧氣濃度劃分結果基本一致。這樣就為防止采空區自然發火提供了可靠依據，便于采取針對性預防措施。