小莊煤礦采空區自燃“三帶”分布特征研究

尚瑋煒，張 飛，羅華貴，王 寧，李 斌

(1.山西晉煤集團技術研究院有限責任公司 通風安全技術服務分公司，山西 晉城 048006；2.遼寧工程技術大學 安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000；3.遼寧工程技術大學 礦山熱動力災害與防治教育部重點實驗室，遼寧 葫蘆島 125105)

近年來，為提高礦井開采效率，我國煤礦開展了高產高效礦井建設，這也使得大多數礦井安全問題愈加突出[1-2]。采空區遺煤自燃是誘發煤礦事故的主要災害之一，而自燃“三帶”劃分是防止采空區自然發火的基礎[3]，一直都是眾多科技人員研究的重點，也取得了豐碩的成果。

郝宇等[4]以新集一礦為研究對象，分析了在不同風量和瓦斯濃度條件下的采空區自燃“三帶”分布特征，研究結果表明采空區內氧化帶寬度隨著進風量的增大而增大，隨著瓦斯涌出量的增大而減?。皇h[5]通過井下現場試驗研究了大采高工作面在不同高度下的采空區自燃“三帶”分布情況，結果表明隨著采空區垂直高度的上升，自燃“三帶”的分布越來越寬，危險區域的范圍越來越大；DENG等[6]在試驗工作面采空區“三帶”劃分的基礎上，計算出工作面極限推進速度為4.8 m/d，并建立了預測煤層自燃溫度的PSO-SVR模型，可以對采空區煤自燃溫度進行預測；徐國華[7]利用數值模擬軟件研究了公烏素礦1604工作面采空區自燃“三帶”的分布范圍，并分析了工作面風量對推進速度的影響；楊奪等[8]以蘇家溝礦為背景，在漏風極限條件下，利用軟件對采空區風量流場進行分析，得出采空區自燃“三帶”分布特征；李宗翔等[9]利用高O2濃度區域和高溫度區域疊加的方法確定了采空區內氧化帶的范圍，從而為采空區自然發火提供了判定條件。

雖然諸多科研工作者在現場實測和模擬分析等方面對采空區自燃“三帶”分布開展了大量的研究，但借助于MATLAB軟件來反映采空區自燃“三帶”分布范圍的研究鮮有報道。基于此，以小莊煤礦40201工作面采空區為研究對象，利用MATLAB軟件對數據進行分析處理，得到采空區自燃“三帶”的分布特征；將O2和CO濃度相疊加，確定出采空區自然發火的高危險區域。該研究方法在反映采空區自燃“三帶”分布和危險區域判定方面可視化效果更佳，越是在較為復雜的礦井地質條件下，越能體現出該方法的實用性，從而為制訂采空區防滅火技術方案提供更加科學、有效的指導。

1 試驗工作面概況和自燃“三帶”的劃分標準

1.1 試驗工作面概況

小莊煤礦40201工作面走向長1 237 m，傾向長179.55 m，煤層賦存較穩定，瓦斯壓力為0.31～0.33 MPa，厚度12～15 m，煤層傾角為5°～7°，瓦斯含量為6.98 m3/t，自燃傾向性等級為Ⅰ級，自然發火期為22 d，采用后退式走向長壁機械化放頂開采法。

1.2 自燃“三帶”的劃分

采空區自燃“三帶”可以劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶[10]。常用的 “三帶”劃分依據有3種，分別是根據漏風風速劃分、O2濃度劃分和溫度劃分。選取O2濃度劃分方法，原因在于O2濃度是個標量，在數據獲取時，具有測量設備操作簡單，便于測定、數據誤差較小等優點?；?0201工作面煤樣在實驗條件下測得的自然發火的臨界O2體積分數為6%，考慮到煤貧氧化的存在和現場浮煤厚度分布情況，并結合相關文獻[11-14]，將采空區自燃“三帶”劃分的O2體積分數限定為：散熱帶O2體積分數>15%；15%≥氧化帶O2體積分數≥5%；窒息帶O2體積分數<5%。

2 測點布置及實際測試結果

2.1 束管監測系統建立

本次數據觀測采用現場埋管方式進行氣體動態取樣，選取JSG-8型束管監測系統。該系統主要由井上氣體分析系統和井下測試地點束管氣體取樣系統組成，利用高壓抽氣泵和一束多芯的管纜抽取采空區測試地點所含有的多組分氣樣(N2、O2、CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C2H2)，再利用GC4085 型氣相色譜儀對采集到的氣樣進行全自動分析，能夠實時測定各測點的氣體組分濃度，同時可以對監測點煤自燃過程中標志性氣體濃度超過安全指標時發出警報[15]。

2.2 測點布置方式

束管布置地點為小莊煤礦40201工作面，布置方式如圖1所示。從該工作面回風側的隅角沿傾向方向依次布置測點，共布置6個測點，編號分別為10#、30#、50#、70#、90#、102#(上隅角)。將外徑60 mm、厚度3.5 mm的鋼管每4 m截成一段，鋼管的兩端焊接快速接頭，將束管的管纜插入套管內，用快速接頭將2個套管連接固定后埋入采空區。

圖1 井下測點束管布置圖

2.3 觀測內容與方法

煤自然發火條件之一是煤炭處于一個持續供氧的漏風環境中。采空區內O2濃度的分布可以反映煤能否發生自燃，其次，O2的分布不僅與漏風狀態有關，同時與煤的氧化程度有關；區域內CO的濃度越高，說明該區域內遺煤的氧化程度越高，CO濃度分布可以反映遺煤氧化狀態的劇烈程度[11,16]，可為采空區自然發火提供判定條件?；诖耍瑥?種氣體中選用O2和CO兩種指標氣體進行考察分析，具體方法如下：

1)針對小莊煤礦40201工作面實際推進速度，每天采集1次氣樣；

2)氣樣采集時，打開束管對應的控制開關, 預抽10 min左右；

3)氣樣采集結束時，記錄下每天工作面的推進距離；

4)利用氣體分析系統在3 h內完成采集的氣樣分析。

2.4 實測結果分析

通過在采空區埋設束管，對10#、30#、50#、70#、90#及102#采樣點經過36 d的井下實測，并對采集到的氣樣在地面上進行數據分析，根據所得到的數據分析結果，將小莊煤礦采空區內O2與CO的體積分數繪制成圖，如圖2所示。

(a)10#采樣點的O2和CO體積分數

(d)70#采樣點的O2和CO體積分數

由圖2(a)～(f)O2體積分數變化趨勢可知，窒息帶的寬度在30～42 m內；氧化帶的寬度在進風口處相比其他地方要寬，根據10#采樣點(與進風口水平距離30 m)所得的觀測數據，此處的氧化帶最遠距工作面100 m，比50#采樣點、70#采樣點處的氧化帶寬20～30 m。在只考慮進風口流量的情況下，進風口處風速較大，動能衰減較小，空氣可以被風流送到采空區中部，甚至更遠，致使此處氧化帶往采空區深部推移，范圍擴大。通過對采空區內CO濃度的檢測，可以對采空區內遺煤的自然氧化程度做出預測。在CO集中區域，煤體與O2復合作用劇烈，說明此區域不但具備煤氧復合的必要條件，而且周圍風速不會太大，產生的熱量也不容易被帶走。所以在CO濃度高的區域也是自然氧化劇烈、熱量積聚的區域，該區域內自然發火的可能性較大，需要提前做出預防。

3 基于MATLAB的試驗數據分析

為了能夠更加直觀地觀測井下氣體分布特征，通過MATLAB軟件對實測數據進行了處理。采空區O2體積分數分布云圖和等值線圖如圖3～4 所示。

圖3 采空區O2體積分數分布云圖

圖4 采空區O2體積分數等值線圖

由圖4可以看出，小莊煤礦40201工作面采空區內O2體積分數的分布特征(左側為進風巷)，通過觀測O2體積分數分布等值線所對應的采空區走向和傾向距離可以確定采空區“三帶”的大致范圍。采空區進風巷氧化帶(15%≥φ(O2)≥5%)自 36 m 處開始，一直延伸到采空區100 m以后；在采空區傾向方向距進風巷60 m處O2體積分數曲線(5%)趨于平穩，與傾向方向大致平行；在回風巷一側O2體積分數曲線(5%)再次向采空區深部延伸，但變化幅度比進風巷一側要小。

采空區內CO體積分數如圖5所示。利用MATLAB軟件對圖5進行轉化，得到采空區內CO體積分數等值線圖，如圖6所示。

圖5 采空區CO體積分數分布云圖

圖6 采空區CO體積分數等值線圖

由圖5可見，CO的集中區域在采空區走向 20～65 m內，采空區傾向60～160 m內，在此范圍內CO的體積分數為0.006%～0.008%。越靠近中間區域CO體積分數越高，發生遺煤自燃的可能性也就越大，因此，上述區域是采空區需要重點防護的危險區域。

根據現場數據觀測結合MATLAB軟件分析，得到小莊煤礦采空區的“三帶”分布范圍，如表1所示。

表1 小莊煤礦采空區“三帶”分布

小莊煤礦采空區“三帶”分布如圖7所示。

圖7 小莊煤礦采空區“三帶”分布示意圖

從表1和圖7可以看出， 40201工作面采空區內氧化帶的寬度為：運巷約64 m，風巷約50 m；采空區中部區域約37 m。散熱帶范圍為29～38 m。試驗工作面的日推進距離約4.3 m，遺煤在散熱帶時間較長，風巷需9 d后才能進入氧化帶。

為了更好地對小莊煤礦40201工作面采空區內的自然發火危險區域進行刻畫，使采空區自然發火的防護做到有的放矢，利用MATLAB圖像處理功能對上述O2體積分數與CO體積分數的分布狀況進行疊加。將采空區O2體積分數分布及CO體積分數分布圖中分別選取氧化帶(O2體積分數在5%～15%的區域)與CO體積分數在0.006%～0.008%的區域進行疊加，疊加效果如圖8所示。

圖8 采空區自然發火危險區域

由圖8可見，在采空區傾向距離(距進風巷)57～160 m內，采空區走向距離36～64 m內的虛線區域，存在較高的自然發火可能性。此區域選取在氧化帶之內，煤體本身就具有較高的氧化自燃的可能性，再加上該區域是CO的高濃度分布區域(煤體氧化較為劇烈的區域)。因此，通過在氧化帶的基礎上疊加CO體積分數較高分布的區域，可以更好地對采空區內存在自燃危險性的區域進行刻畫。由此可知，在圖8中的虛線區域是煤自燃的重點防護區域。

4 工作面推進速度與自然發火的關系分析

隨著工作面向前推進，采空區后部處于氧化帶內的遺煤進入到窒息帶，在沒有充足O2供應的情況下，原本具有自燃危險性的遺煤逐漸喪失自然發火的可能性[17-19]。通過測定氧化帶最大寬度Lmax，最短發火期Tmin，可以推測出工作面的極限推進速度Vmin[20]：

(1)

在井下實際生產過程當中，工作面會因為某些工況的故障而停止向前推進。則推進速度V=Lmax/(Tmin-T)。其中，V為實際推進速度，m/d；T為工作面停產的時間，d。則T可以表示為：

(2)

40201工作面的實際推進速度為4.3 m/d，最短自然發火期為22 d，氧化帶的最大寬度為61 m。由此可以計算出工作面允許停頓的時間T=7.8 d，取整T=7 d。也就是說工作面最大停頓時間為 7.8 d，在排除其他擾動的情況下，工作面以4.3 m/d的推進速度向前推進，可以在氧化帶中的煤自然發火之前使之進入到窒息帶，因此，氧化帶中的危險區域的長度為L危=VT=4.3 m/d×7.8 d=33.54 m，取整為 34 m。即從采空區氧化帶最深處起，向工作面方向延伸34 m的距離內都是自然發火的危險區域，如圖9 所示。

圖9 隨工作面推進的采空區自然發火危險區域

在圖9中以采空區走向長度57 m為界限，右側斜實線表示區域為采空區工作面推進過程中所形成的自然發火危險區域，在此基礎上再與CO體積分數分布較高的區域疊加(圖9所示的橫虛線區域)，這樣就確定了采空區內自然發火的高危險區域。該區域的大致范圍是：采空區走向長度在57～67 m，采空區傾向長度在100～150 m的區域，此區域存在更高的自然發火的可能性。若工作面停頓時間較長，應及時提高工作面的推進速度，并向采空區距工作面 50～70 m內注入惰性氣體，防止火災的發生。

5 結論

1)采用束管采樣分析方法，實測了小莊煤礦40201工作面采空區內O2與CO濃度的變化情況，并用MATLAB對實測數據進行了處理，結果表明采空區內氧化帶在進風側的寬度約為61 m，在回風側的寬度約為 50 m，在中部區域的寬度為37 m左右。

2)以O2濃度作為采空區自燃“三帶”的劃分指標，利用MATLAB軟件獲得自燃“三帶”的分布范圍；并以O2與CO濃度相疊加，確定了采空區內自然發火的高危險區域，為采空區自然發火提供了判定條件。

3)根據工作面的實際推進速度，得出采空區內自然發火的高危險區域為采空區走向長度 57～67 m，傾向長度100～150 m內的“三角形”區域，并且計算出40201工作面的最大停產整頓時間為7 d。