綜放工作面防滅火三帶測定與研究

【摘 要】綜放面在正常回采期間，確定采空區后浮煤自燃危險區域非常重要。根據綜放工作面開采后采空區遺煤自燃特點，采用實驗測定的關鍵參數，結合現場可測參數，推算現場不同條件下引起煤體自燃的極限參數，判定實際條件下綜放工作面“三帶”分布規律，自燃危險區域和安全推進速度，為綜放面自燃針對性預防奠定基礎。

【關鍵詞】采空區“三帶” 遺煤自燃 劃分條件 觀測及分析

1 采空區“三帶”劃分的理論與分析

1.1 采空區浮煤自燃極限參數

根據能量守恒原理，采空區浮煤自然氧化放熱量大于頂底板散熱和風流帶走的熱量之和時，才可能引煤體自然升溫，即采空區浮煤氧化放熱能引起升溫必須滿足下式：

式中： 、 分別表示工作面風流密度（g.cm-3）和熱容（J.g-1. ℃-1）； 為采空區內部距工作面的距離（cm）； 為實驗測定煤的放熱強度（J.cm-3.s-1）； 為浮煤導熱系數（J.s-1.cm-1）； 為采空區內漏風速度（cm/s）。

因此，采空區遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產生的熱量得以積聚；要有足夠的氧濃度使浮煤產生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風強度不能足夠大以致于讓風流將產生的熱量帶走。

1.1.1采空區最小浮煤厚度

若把采空區浮煤看成是無限大平面通過巖體傳導散熱，漏風強度很小。認為是一維漏風，煤體內的溫度近似認為均勻，則（1）式化為

即當浮煤厚度 時，松散煤體不能引起自然升溫， 為最小浮煤厚度。從（4）式可以看出： 隨煤溫、漏風強度、工作面的距離三個參數而變化。根據（4）式，可計算出不同煤體溫度和漏風量時的最小浮煤厚度。

1.1.2采空區極限氧濃度

因氧化放熱強度 與氧濃度成正比，即：

從（7）式可以看出；Cmin隨煤溫、漏風強度、工作面距離和浮煤厚度四個參數變化。忽略風流焓變散熱時，可得出不同浮煤厚度和煤體溫度時的下限氧濃度值。

1.1.3采空區極限漏風強度

當采空區浮煤厚度大于 ，又有足夠的氧濃度，且風流為一維流動，流速是個常數，則（1）式化為：

當漏風強度 時，煤體就不可能引起自然升溫，稱 為極限漏風強度。從（10）式看出 隨煤溫、工作面距離、浮煤厚度三個參數變化。

1.2 采空區遺煤自燃“三帶”劃分條件

采空區遺煤自燃大體可劃分為三個帶，即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。這三個帶在生產工作面呈動態變化，主要受工作面推進速度影響。

（1）散熱帶。采空區散熱帶是指在某一定溫度下，雖然有足夠的氧濃度，煤體能得以充分的氧化放熱，但產生的熱量始終小于或等于散發熱量的所有點的集合。

散熱帶的判定條件為：

（2）窒息帶。采空區缺氧窒熄帶是指在某一溫度下，雖有足夠的浮煤厚度和蓄熱條件，但由于氧濃度低，使得產生的熱量小于或等于散發熱量的所有點的集合。

窒熄帶的判定條件為：

（3）氧化升溫帶。采空區氧化升溫帶是指在某一溫度下，產生的熱量大于散發熱量的所有點的集合。

采空區氧化升溫帶的判定條件為：

綜放面采空區三帶范圍的靜態劃分見圖1。

2 綜放工作面采空區“三帶”觀測及分析

2.1 測點的布置

采用埋管抽氣法觀測采空區氣體濃度分布，即沿工作面回風順槽上幫、進風順槽下幫各敷設1根￠75mm長度150m的鋼管，鋼管內各布置單芯束管3條，順槽內監測點間隔50m，共埋設束管監測點6個，沿尾梁間隔30m埋設監測點5個，總計11個監測點，在如圖2所示。

預埋束管外套2英寸鋼管對其進行保護，探頭外套3寸鋼管進行保護。為了監測采空區真實氣體分布，防止采空區積水堵塞束管，并便于束管埋設，采空區束管進氣口距離底板高度為均在1m左右。進風順槽上幫、回風順槽下幫束管及套管布置如圖3所示。

2.2 觀測過程

觀測工作是通過采空區預埋管路進行氣樣分析，掌握采空區氣體濃度隨工作面推進的變化情況；同時測定工作面風量、氣體濃度等參數等。各監測點均利用束管監測系統抽取氣樣，分析的氣體成分為O2、CO、CO2、及CH4等烴類氣體。根據測定的結果，對數據分析處理，得出綜放面采空區氧氣濃度、漏風強度、三帶分布平面圖。

2.3 現場觀測結果及分析

根據工作面推進情況、氧氣濃度分布以及漏風強度分布情況對現場觀測進行分析與得出結論。根據測定采空區不同位置氣體濃度。據監測數據，擬合出采空區進風巷、回風巷以及尾梁5個監測點具有典型代表性氧濃度的變化規律。

采空區能引起煤自燃的漏風強度很小，漏風滲入采空區，風流中的氧不斷消耗。假定漏風流僅沿一維流動，當松散煤體內漏風強度恒定不變時，則漏風強度與氧濃度關系：

式中：C、C0分別為實際氧濃度和標準氧濃度（取9.375×10-6 （mol.cm-3））； 、 、分別為松散煤體在實際氧濃度和標準氧濃度中不同溫度下的耗氧速度， 為松散煤體表面漏風強度； 、 分別為松散煤體內部和表面的坐標。

2.4 采空區浮煤自燃極限參數確定

采空區遺煤自燃必須要有足夠的浮煤厚度，使浮煤氧化產生的熱量得以積聚；要有足夠的氧氣濃度能使浮煤產生足夠的氧化熱以提供煤體升溫所需熱能；漏風強度不能過大，以免產生的熱量讓風流帶走。

3 結語

根據自然發火實驗測定的煤放熱強度和耗氧速度，工作面的實際情況和回采率確定出的采空區浮煤厚度分布；通過向采空區埋管測出采空區的氧氣濃度分布，并由氧濃度分布推算出漏風強度分布；運用浮煤自燃數學模型計算出采空的極限參數，劃分砂墩子礦N4002綜放面采空區自燃“三帶”和危險區域，推算出安全推進速度，可以得出：

（1）采空區“三帶”劃分主要依據是采空區浮煤厚度、氧濃度、漏風強度的分布，這個區域是正常生產煤自燃防治的重點范圍。

（2）為了保障該面在觀測期間不出現自燃隱患，工作面均采用正常的防滅火技術措施，如注氮等措施。在這些措施采取的基礎上，采空區三帶和類似礦井綜放面三帶劃分結果類似，說明正常推進過程中這些防火措施還是對防止采空區內煤自燃起到了很大的作用。

作者簡介：李偉（1991—），男，山西朔州人，專科，潞安新疆煤化工集團有限公司，砂墩子礦，助理工程師。研究方向：煤礦工作面防滅火三帶測定與研究。