厚煤層綜采工作面采空區自燃發火“三帶”研究

王少華

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

0 引言

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

1 工作面概況

試驗工作面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”型上行通風方式，工作面機巷進風、風巷回風；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，最短發火期為36 天。

2 采空區自燃“三帶”的劃分

2.1 采空區煤自燃“三帶”劃分依據

目前劃分“三帶”的指標主要有三種：

（1）采空區漏風風速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；煤的氧化反應順利進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。在較長的一段時間內采空區遺煤溫升速度1℃/d，則為自燃帶。

根據采空區漏風與氧氣濃度的大小，可將采空區的煤炭氧化自燃區域劃分為三個帶，即采空區煤炭氧化自燃“三帶”，第一帶為不自燃帶，這個帶氧氣充足，漏風流速大，有氧化但無蓄熱條件，氧化的熱量被漏風帶走。第二帶為自燃帶，由于采空區上覆巖層的冒落與逐漸壓實，采空區漏風減少，這是既有充足的供氧條件，又有良好的蓄熱環境，故煤炭最易于自然。第三帶為窒息帶，在自燃帶之后，采空區冒落的巖石不斷被壓實，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。

本次試驗主要根據采空區氧濃度結合溫度變化情況分析確定采空區煤自燃”三帶”。

2.2 觀測點的布置

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

3 采空區實測數據結果分析

3.1 采空區氧氣濃度變化

根據采空區氧氣濃度實測結果的分析可以得出：

（1）隨著工作面的推進，采空區內氧氣濃度逐漸下降，進風側從距工作面20m 后，回風側從距工作面12m 后開始氧氣濃度開始有明顯的下降趨勢，進風側的氧氣濃度下降的比回風側更緩慢，這是由于進風側受到進風巷的通風動壓慣性作用，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。從進風側氧氣濃度分布圖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；從回風側氧氣濃度分布圖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”劃分標準，進風側氧化帶的位置為距工作面20～105m，回風側氧化帶的位置為距工作面12～95m。

3.2 采空區溫度變化

根據111304 工作面采空區溫度實測數據分析：

（1）從溫度曲線分析可得，隨著工作面的推進，進風側的各測點的溫度一直在31.0～40.0℃之間徘徊，最高溫度39.72℃。回風側溫度一直在33.0～43.0℃之間，最高溫度42.20℃。上風側溫度略高于下風側。

（2）從進風側各測點的溫度分布圖4 可知，在距工作面20m 采空區范圍內，平均溫度較低，不超過34℃，并變化緩慢，這說明在這范圍內漏風大，采空區處于漏風范圍，遺煤氧化緩慢，采空區處于不燃帶；在距工作面20～80m 采空區范圍內，隨著工作面的推進，采空區溫度逐漸升高，并且升高速度加快，說明煤炭發生氧化升溫，進入自燃帶。當采空區達到80m 以后，采空區溫度隨工作面向前推進，溫度開始略有下降的趨勢，說明煤氧化速度明顯下降，進入窒息帶。這與進風側氧氣濃度的分布判斷采空區內“三帶”的分布基本吻合。

（3）從回風側各測點的溫度分布圖5 可知，在距工作面10m 采空區范圍內，平均溫度較低，不超過35℃，并變化緩慢，這說明在這范圍內漏風大，溫度不容易聚集；在距工作面10～70m 采空區范圍內，隨著工作面的推進，采空區平均溫度逐漸升高，采空區遺煤處于氧化升溫階段。當采空區達到70m 以后，采空區溫度基本不變，然后開始下降，說明采空區逐漸進入壓實帶，進入窒息階段。這與回風側氧氣濃度分布判斷采空區內“三帶”的分布基本吻合。

3.3 采空區煤自燃實測“三帶”分布

111304 工作面煤自燃實測“三帶”主要按照采空區氧濃度變化規律進行劃分，劃分依據為：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，并結合考慮采空區溫度的變化規律，得到該工作面進、回風側煤自燃“三帶”范圍如表1 所示。

表1 111304 工作面采空區煤自燃實測“三帶”范圍

4 結論

（1）通過實測采空區內氧濃度、溫度的分布規律，得到采空區進風側自燃帶的范圍為20—80～110m，回風側自燃帶的范圍為10～15—70～95m。

（2）在自燃帶范圍內，氧氣濃度在10%～20%之間，供氧條件充分，漏風風量小，具有良好的蓄熱環境；當工作面推進超過110m 以后，氧濃度下降至10%以下，各測點溫度開始下降，進入采空區窒息帶。

（3）試驗所測得該工作面采空區內溫度的分布規律與采空區內煤氧化耗氧分布規律吻合，以此說明實測結果基本符合現場實際。

（4）影響工作面采空區自然發火的主要因素是工作面推進速度和采空區漏風分布，應加快工作面推進速度和加強采空區漏風控制，在工作面上、下隅角封堵向采空區漏風時采用不燃材料代替碎煤，減少采空區內煤自燃的物質基礎，對防止采空區遺煤自燃，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"三帶"規律及自燃危險性研究[J].湖南科技大學學報，2004，19(3)：1-4.

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