魏墻煤礦工作面采空區自燃“三帶”劃分

崔魏 崔峰

摘要：采煤工作面采空區自燃“三帶”劃分是煤礦井下防滅火工作的重要基礎。本文基于魏墻煤礦1313工作面采空區自燃“三帶”的現場實測和分析，確定了魏墻煤礦3號煤層工作面采空區自燃“三帶”的分布規律。研究成果對魏墻煤礦采空區防滅火具有一定的指導意義。

關鍵詞：自燃;采空區;魏墻煤礦

0 引言

礦井火災是煤礦的主要災害之一，其中自然發火是最常見的礦井火災[1-3]。因此合理確定采煤工作面采空區自燃“三帶”劃分劃分是煤礦井下防滅火工作的重要基礎。只有準確、適時地掌握采空區自燃“三帶”的劃分，才能及時采取有效措施預防[4，5]礦井自然發火災害的發生。

魏墻煤礦3號煤為Ⅰ類自燃煤層，為預防煤炭自燃，需進行工作面采空區自燃“三帶”測試。采用現場埋設抽氣管路，通過管路抽取采空區氣樣，送入氣相色譜儀進行分析，得出采空區各種氣體濃度變化規律，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，確定工作面合理的回采進度，為制定符合客觀實際的防滅火措施提供依據。

1 現場測試方案的確定

采空區自燃“三帶”的測定，應有正確合理的測點布置方式及先進的技術測試設備與手段，通過采空區溫度和氣體的成份變化規律的測定，正確全面的分析煤炭氧化變化規律，并得出魏墻煤礦3號煤工作面的自燃“三帶”分布。

本項目采用高精度萬用表作為測試儀表，測溫元件采用集成溫度傳感器AD590（測溫范圍為-55℃～+150℃，非線性誤差為±0.3℃）;以色譜儀分析采空區氣體成份為依據，獲得綜采工作面采空區內與自然發火有關的各種基礎參數，在此基礎上合理確定綜采工作面各種防滅火技術的具體工藝。

1.1實施的具體內容

現場試驗采用埋設抽氣管路的方法，通過管路抽取采空區氣樣，送入氣相色譜儀進行分析，得出采空區各種氣體濃度變化規律，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。并以此為理論依據，合理確定各種綜放面防滅火技術的具體工藝參數及合理的工作面回采進度，制定符合客觀實際的防滅火技術方案。

1.2測試管路與測點布置

1）測點的設置

抽氣管和溫度傳感器AD590的布置方式采用兩順槽埋管的方式。由于現場條件的限制，在工作面兩順槽共設6個測點，測點設置示意圖見圖1。

2）鋪設方法及采樣

①將3寸無縫鋼管截成每根6m長，兩端焊接快速接頭，沿兩順槽靠近外側鋪設，再將抽氣管與測溫導線一齊穿入套管內，套管之間用快速接頭連接牢固。

②采樣周期為每日采樣一次，通過采樣器在井下抽取采空區氣樣至氣囊中，帶到地面送入氣相色譜儀分析。并每日測定溫度一次，從而得出隨工作面推進采空區的溫度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等氣體的濃度變化規律。

③記錄每日工作面的推進度，以便推算測點距工作面的距離。

1.3數據記錄與整理

根據參數測定結果記錄每天各測點的溫度和氣體成份（CO、O2、CO2、N2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2）及濃度變化情況。根據變化曲線分析采空區煤炭氧化規律、采空區氣體分布變化規律及煤炭自燃“三帶”。

2 魏墻煤礦1313工作面采空區溫度及氣體成份實測數據

2020年9月19日至2020年10月3日，對魏墻煤礦1313綜采面采空區煤炭自燃“三帶”進行了實測。

將每天采集的氣樣，進行氣相色譜分析。通過色譜分析發現：所有氣樣中都未檢測出乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）產生，氣樣中的甲烷濃度容易受到煤層本身瓦斯賦存的干擾，1313工作面瓦斯含量較低，且對采空區自燃“三帶”劃分無參考價值，故不做分析。

3?魏墻煤礦1313采空區溫度及氣體成份變化規律分析

3.1采空區溫度實測分析

對魏墻煤礦1313工作面采空區溫度實測分析可知：

（1）膠運順槽、回風順槽中各測點溫度均呈現先上升后下降趨于平穩的趨勢。由于工作面嚴格按照煤層頂底板進行回采，采空區遺煤量少，因此采空區溫度整體升高幅度在3～4℃，升幅較小?；仫L順槽中三個測點最高溫度分別為：4#為29.6℃，5#為30.6℃，6#為30.1℃;膠運順槽中三個測點最高溫度分別為：1#為28.9℃，2#為29.2℃，3#為30.1℃。

（2）回風順槽三個測點在距離工作面0～45m左右范圍內溫度升高較為緩慢，變化范圍不大，45～146m范圍內溫度升高較快，146m左右后溫度呈現下降趨勢。膠運順槽三個測點在0～80m范圍內溫度升高較為緩慢，80～170m范圍內溫度升高較快，170m左右后溫度呈現下降趨勢。

3.2采空區氧氣濃度實測分析

魏墻煤礦1313工作面各測點采空區氧氣濃度實測結果表明：

（1）回風順槽一側工作面推進至45m左右各測點氧氣濃度降低至18%，各測點氧氣濃度降低至18%的位置分別為：4#測點45m，5#測點47m，6#測點44m。各測點進入窒息區域（氧氣濃度低于6%）的位置為：4#測點為距工作面146m，氧氣濃度為5.35%;5#測點為距工作面158m，氧氣濃度為5.96%;6#測點為距工作面160m，氧氣濃度為5.87%。

（2）膠運順槽一側工作面在推進至75m左右各測點氧氣濃度降低至18%，各測點氧氣濃度降低至18%的位置分別為：1#測點81m，2#測點76m，3#測點74m。各測點進入窒息區域（氧氣濃度低于6%）的位置分別為：1#測點為距離工作面176m，氧氣濃度為5.74%;2#測點為距離工作面178m，氧氣濃度為5.35%;3#測點為距離工作面180m，氧氣濃度為5.28%。

（3）各測點氧氣濃度隨著工作面的推進，氧氣濃度逐漸下降，膠運順槽一側氧氣濃度在74m后氧氣濃度降至18%，回風順槽一側氧氣濃度在44m后氧氣濃度降至18%，氧氣濃度下降緩慢。膠運順槽一側74m以后，回風順槽一側44m后氧氣濃度下降較快。分析可能原因為：測點剛埋入采空區后，由于頂板垮落未能壓實，漏風嚴重，導致氧氣濃度下降緩慢，隨著測點繼續埋入采空區深部，礦山壓力作用下頂板垮落壓實，氧氣濃度下降趨勢較快。

參考國內外的一些劃分依據并結合現場實際情況，以氧氣濃度在6%～18%為自燃帶的標準對采空區自燃“三帶”進行劃分。根據各測點氧氣濃度變化趨勢劃分采空區自燃“三帶”范圍如表1所示。

從各個測點氧氣濃度的分布規律分析：魏墻煤礦1313工作面采空區靠近膠運順槽一側自燃“三帶”的范圍是從工作面向采空區的距離：散熱帶<74m，自燃帶74～180m，大于180m為窒息帶。采空區靠近回風順槽一側自燃“三帶”的范圍是從工作面向采空區的距離：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，大于160m為窒息帶。

4.3采空區一氧化碳濃度實測分析

魏墻煤礦1313工作面采空區一氧化碳濃度實測結果可知：在整個測試過程中回風順槽中3個測點（4#、5#、6#測點）監測到CO氣體，CO最大濃度分別為18.6ppm、20.5ppm、18.1ppm。

通過對采空區一氧化碳、溫度實測及結合煤層自燃標志性氣體測試分析認為，CO氣體可能來源于周圍鄰近采空區。

4.4采空區二氧化碳濃度實測分析

1313工作面采空區二氧化碳濃度實測結果分析可知：

（1）從各測點二氧化碳釋放濃度分析可知：隨著測點至工作面距離的增加，CO2釋放量也相應逐漸增加。1#測點的最高值為0.31%、2#測點為0.42%、3#測點為0.31%、4#測點為3.18%、5#測點為3.43%、6#測點為3.50%。通過測試結果可以看出回風順槽一側CO2濃度明顯高于膠運順槽一側，這是因為受漏風路線的影響從而造成的。

（2）從各測點的CO2濃度分析，隨著測點距工作面距離的增加，各測點濃度也存在一定的變化，說明采空區內各處有不同程度的煤炭發生氧化。

4.5魏墻煤礦 1313工作面采空區自燃“三帶”范圍劃分

工作面采空區自燃 “三帶”通常是根據氧氣濃度為標準的進行劃分，項目參考國內外相關文獻以及結合現場實際情況，主要以氧氣濃度6%～18%為自燃帶的標準進行劃分，同時以采空區內溫度變化規律進行輔助驗證。劃分結果為：

回風順槽一側：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，窒息帶>160m。

膠運順槽一側：散熱帶0～74m，自燃帶74～180m，窒息帶>180m。

實測采空區自燃“三帶”范圍如圖2所示。

對魏墻煤礦1313回采工作面現場采空區內氧氣濃度進行實測，采空區內氧氣濃度在75m左右維持在18%，實測自燃“三帶”范圍較大，說明采空區內漏風情況較為嚴重，分析認為主要以下兩點原因造成：○11313回采工作面推進速度為15m/d左右，較快的推進速度造成采空區冒落不實，采空區內孔隙率大，風流滲入較遠;○2在輔助運輸巷內采用局部通風機通風，巷道內風壓為正，且在礦壓作用聯絡巷密閉墻可能產生裂隙，從而引起聯絡巷密閉處存在一定程度漏風。

4.6魏墻煤礦1313工作面最低推進速度計算

由以上測試分析可知，魏墻煤礦1313工作面最大散熱帶寬度為74m時自燃帶寬度為106m，3號煤層實際條件下最短自然發火期為33天，則預防采空區自燃的工作面最低推進速度可按下式計算：

Vi>（Lz+Lb）/T m/月=（106+74）/33*30=163.6 m/月

式中：Vi ——工作面推進度，m/月;Lz——自燃帶寬度，106m;Lb——散熱帶寬度，74m;T——最短發火期，月。

考慮足夠的安全系數（取1.2），則建議1313回采工作面預防采空區自燃推進速度為Vs>1.2*163.6m/月=196.3 m/月。

4?結論

（1）通過現場實測回采工作面采空區內部溫度、氣體成分變化規律，以氧氣濃度在6%～18%為氧化自燃帶標準進行自燃“三帶”范圍劃分，同時以溫度變化規律輔助驗證。魏墻煤礦1313回采工作面采空區自燃“三帶”范圍為：

回風順槽一側：散熱帶0～44m，自燃帶44～160m，窒息帶>160m。

膠運順槽一側：散熱帶0～74m，自燃帶74～180m，窒息帶>180m。

（2）最低推進度計算：根據劃分的自燃“三帶”范圍，計算出魏墻煤礦1313回采工作面最低推進速度為196.3 m/月。

參考文獻：

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第一作者簡介：崔魏（1983—），男，陜西渭南人，采礦工程師，現任陜西陜煤陜北礦業有限公司韓家灣煤炭公司安全副總，18691232816，289728270@qq.com。