不同回采進度與煤質條件下采空區自燃“三帶”劃分

王慶國，楊 帥，楊 程

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽二礦，沈陽 遼寧 110106）

0 引 言

采空區自燃三帶的劃分是防范采空區自燃的重要基礎[1-2]。作為高產量、高效率的采煤技術，綜放開采已在國內普遍使用，能大幅度提高煤炭生產效率及產量。但與此同時，這項技術為采空區也帶來了巨大的安全隱患，遺留下大量的浮煤讓采空區的自然發火問題空前嚴重[3]。煤炭的自燃一般發生在氧化帶。因此，為了確保安全生產的正常進行，應該科學合理地確定采空區自燃“三帶”的范圍，可以增強防滅火措施的針對性，提高防滅火工程的效果，有效預防自然發火事故，將對預防采空區的自然發火及保障綜采工作面的安全生產具有十分重要的現實意義。

漏風風速、氧氣濃度和溫升是劃分采空區自燃“三帶”的三個標準[4-5]。其中采空區氧氣濃度最能反應煤的氧化程度。氧氣含量的大小，反映遺煤氧化的供氧條件和蓄熱條件，根據采空區內氧氣濃度的分布就可以確定三帶的范圍。具體劃分標準如下：散熱帶氧氣濃度＞18%；5%＜氧化帶氧氣濃度＜18%；窒息帶氧氣濃度＜5%[6-7]；從理論來講溫度是反應煤自然發火程度的最直接的指標，然而煤是熱的不良導體，采空區內煤巖的熱量傳遞過程十分復雜，很難掌握采空區各個區域的溫升變化，因此，溫度指標在三帶劃分中一般作為輔助指標。紅陽二礦通過感溫光纖監測采空區溫度變化，嘗試使用溫升劃分采空區自燃“三帶”。

1 工作面概況

紅陽二礦位于沈陽市蘇家屯區紅菱堡鎮南紅村，礦井瓦斯相對涌出量19.84m3/t，絕對瓦斯涌出量58.76m3/min,屬于煤與瓦斯突出礦井，瓦斯抽放造成煤層破碎嚴重，影響了采空區自燃“三帶”的范圍；煤為Ⅰ級易自燃煤層，煤層自燃發火期為81-202天，采用“U”型通風方式，在開采過程中存在采空區遺煤自然發火的隱患。因此劃分采空區“三帶”范圍對于防止遺煤自燃和保證回采工作安全高效進行具有重要意義。為了探究回采進度以及煤質條件對采空區自燃“三帶”分布的影響，紅陽二礦對1203、1204、1301采煤工作面采空區的自然“三帶”進行劃分，1203、1204、1301采煤工作面與煤層介紹如表1、表2所示。

表1 采煤工作面位置及井上下關系表

表2 工作面煤層情況

2 監測系統布置方式

2.1 監測束管布置方式

采用礦用分布式激光火情監測系統分別對1203、1204、1301采煤工作面采空區內氣體進行監測，采用可調諧激光二極管吸收光譜技術實現氣體濃度檢測，其中氧氣作為劃分自燃“三帶”范圍的指標氣體；防止被采空區垮落巖體砸斷，埋入采空區的束管外部套2寸鋼管進行保護；采空區氣體通過氣體采樣泵組從監測點遠端抽取到激光火情監測主機實現對采空區氣體的連續監測，同時在氣體采樣泵前安裝束管過濾箱，實現除水和濾塵的功能，能夠適應井下采面多塵多水的環境。

在采煤工作面回風側提前布置氣體監測束管。其中1203采煤工作面布置4根氣體監測束管，分別為1203采空區1號束管、1203采空區2號束管、1203采空區3號束管、1203采空區4號束管；1204采煤工作面布置兩根氣體檢測束管，分別為1204采空區1號束管、1204采空區2號束管；1301采煤工作面布置兩根氣體檢測束管，分別為1301采空區1號束管、1301采空區2號束管。三個采煤工作面束管測點布置如圖1所示。

圖1 采煤工作面采空區束管（紅線）測點布置

2.2 感溫光纖布置方式

在采煤工作面回風側提前布置感溫光纖，并通過光纖測溫系統實現對采空區溫度的實時監測。光纖測溫系統由光纖測溫模塊、感溫光纖、信號隔離模塊、電機控制和隔爆兼本安電源模塊五部分組成。光纖測溫模塊負責光纖測溫信號處理、測溫數據顯示和上傳；感溫光纖負責現場的溫度信號采集；信號隔離模塊實現電機控制信號、電機狀態信號和測溫模塊的通訊信號轉換；電機控制實現對系統的采樣泵電機控制；隔爆兼本安電源模塊負責給本系統其它設備提供12V直流本安電源。

3 束管測定結果分析

3.1 采空區氧氣濃度變化

采空區氧氣濃度與推進距離關系如圖2、圖3、圖4所示。其中對1301采煤工作面采空區進行三次氧氣濃度監測，并取三次監測平均值作為劃分采空區自燃帶的依據。在推進距離較小時，氧氣濃度維持在18%以上，屬于散熱帶，這是由于巖塊破碎嚴重，漏風較強，散熱充分；隨著推進距離增加，氧氣濃度呈下降趨勢，由于采空區內垮落的巖石逐漸被壓實，漏風減小，且遺煤不斷進行低溫氧化，氧氣濃度呈下降趨勢，測點進入氧化帶；隨著工作面繼續推進，垮落的巖塊進一步被壓實，漏風量更小，遺煤繼續進行低溫氧化，氧氣濃度更低，測點進入窒息帶?？傮w上來看，1203、1204與1301三個工作面采空區內氧氣濃度隨著推進距離的增大而減小，變化速率有所差異，這與煤質條件以及回采進度有關。

圖2 1203工作面采空區氧氣濃度與推進距離的關系

圖3 1204工作面采空區氧氣濃度與推進距離的關系

圖4 1301工作面采空區氧氣濃度與推進距離的關系

3.2 采空區溫度變化

從光纖溫度數據分析可得，隨著工作面的推進，1203、1204與1301三個工作面采空區測點的溫度處于在一個比較穩定的狀態，無溫度過高的異常情況。從溫度數據方面考慮，目前還沒有發現溫度變化的可行性規律對采空區“三帶”進行劃分，因此在劃分“三帶”范圍過程中沒有考慮將溫度的監測結果作為判定采空區自燃“三帶”范圍的基礎數據。

3.3 采空區自燃“三帶”劃分

工作面采空區內氧氣濃度作為劃分自燃“三帶”依據，1203、1204與1301三個工作面采空區自燃“三帶”劃分如表3所示。1203工作面采空區散熱帶長度64.8m，氧化帶長度44.2m；1204工作面采空區“散熱帶”長度為30.8m，“氧化帶”長度為93.2m；1301工作面采空區“散熱帶”平均長度16.9m，“氧化帶”平均長度11.8m。三個工作面自燃“三帶”對比可以得出，1301工作面采空區的“三帶”范圍較短，這是由于13煤層與其它兩個工作面在煤質條件上的差異導致；然而1203工作面與1204工作面雖然同屬12煤層，但是在自燃“三帶”范圍上卻有著很大的差別，根據綜合數據分析，造成這種差異的原因很可能是回采進度所引起（見表4）。1204工作面的回采速度要大于1203工作面的回采速度，這使得1204工作面采空區提前進入氧化帶，并且其氧化帶范圍增大，因此在采煤工作面空區防火工作中，確定工作面合理的回采速度也是十分重要的，對采空區防滅火起著很重要的作用。確定了自燃“三帶”范圍和回采速度，可以有效增加對防滅火措施的針對性，提高防滅火工程的預防效果，進而有效預防自燃事故的產生。當確定了采空區的自燃“三帶”后，在采空區內最易自燃區域內注防滅火材料，從而破壞漏風供氧和蓄熱環境，消滅煤炭自燃。

表3 自燃“三帶”劃分

表4 工作面回采進度對比

4 結論

紅陽二礦在采煤工作面采空區自燃“三帶”的劃分主要以采空區氧氣濃度作為主要依據，即氧氣濃度分別以18%作為散熱帶和氧化帶的臨界濃度，以5%作為氧化帶和窒息帶的臨界濃度。在確定自燃“三帶”范圍的基礎上，通過采煤工作面回采速度與煤質的對比分析，進一步了解回采速度與煤質對采煤工作面采空區自燃“三帶”的影響，對于指導采空區防滅火具有重要意義。通過對1203、1204與1301三個工作面采空區自燃“三帶”劃分，可以得出以下結論：

1）氧氣濃度作為自燃“三帶”劃分標準，與漏風風速、溫升相比，干擾因數較少，數據結果較為明顯；

2）影響工作面采空區自然發火的主要因素是采空區漏風分布，而產生漏風的原因之一就是回采速度的影響，當回采速度過快，采空區頂板的巖石跨落不夠充分，漏風率增大，使采空區氧化帶長度增加，容易導致自然發火，所以應該確定合理的回采速度，加強采空區漏風控制，采空區漏風時在工作面上、下隅角封堵采用不燃材料，減少采空區內自燃的物質基礎，這對防止采空區自燃起到重要作用；

3）煤質條件對工作面采空區自燃“三帶”的分布也起到重要的影響，煤的揮發性越大，采空區的“氧化帶”越短，煤自燃危險性越小。因此在確定回采速度以及采空區防滅火措施時，也應充分考慮煤質條件，制定合理的防滅火措施。