薄煤層采空區自燃三帶劃分及危險性分析

丁 勝，張光明，王 瑞

(滕州市東大礦業有限責任公司，山東 棗莊 277514)

0 引言

薄煤層綜采工作面采空區煤自燃在礦井進行生產時具有很大的危險性，通過監測煤自燃時產生的標志性氣體，掌握煤層自燃“三帶”(散熱帶、自燃帶、窒息帶)的分布情況，對于準確、有效地實施“三帶”的分布規律，對于安全生產具有重要意義。雷焱云通過現場監測和數值模擬研究氧化帶與風量變化的規律關系[1]。劉玉龍等[3 -5]通過束管監測系統進行監測預警有效指導煤礦的安全生產工作。周建等[6 -7]通過研究工作面推進速度和自然發火之間的關系，利用最小安全推進速度有效指導現場進行安全生產。陳曉坤等[8 -10]對自燃“三帶”進行劃分并對采空區自燃危險性進行預測。

利用束管監測系統監測工作面采空區內氣體變化情況，結合采空區內的遺煤狀況和煤的氧化升溫實驗，基于煤樣升溫氧化實驗及標志性氣體濃度變化情況，研究得出東大煤礦12118工作面的采空區自燃“三帶”的分布規律。采用印度學者貝納基提出的預測方法進行危險性分析，研究分析12118綜采工作面的自然發火危險度。以煤的自然發火期和最小安全推進速度作為12118綜采工作面不同推進速度下的自然發火防治指標，為薄煤層綜采工作面自燃火災的防治提供依據。

1 工作面概況及觀測方法

12118綜采工作面煤層賦存主要為12下煤，純煤厚度1.45 m，屬于薄煤層綜采工作面，黑褐色條痕油脂光澤，暗煤為主，夾有亮煤，有硫化鐵結晶體，夾矸厚0.02～0.32 m，平均0.3 m，巖性為泥巖、碳質泥巖。頂板為砂泥巖互層，灰色藻層狀細砂巖與灰黑色泥巖交互韻律明顯夾炭化植物化石。抗壓強度為34.3～58.8，普氏硬度系數為3～6，中等穩定性，使用全部垮落法處理采空區。

12118綜采工作面通過防治溫度傳感器和鋪設束管的方式對采空區內的溫度和氣體監測。在軌道巷和皮帶巷分別布置3路監測管路，2個溫度傳感器分別設置在管道端點，通過單側3個測點來保證數據的連續性和可靠性。每個監測點都安設束管裝置，并使用鋼管和三通對束管和測點加以保護，防治束管被堵塞和損壞。管路布置如圖1所示。

圖1 東大煤礦12118綜采工作面采空區三帶觀測管路布置Fig.1 Observation beam tube layout of the three zones of goaf in 12118 fully mechanized mining face of Dongda Coal Mine

隨著工作面的推進，溫度傳感器和束管埋入采空區，通過現場觀測來掌握采空區內的氣體濃度、溫度、束管埋入深度的變化情況，來監測采空區“三帶”變化。在工作面以正常速度推進時，每天同一時間對各測點進行數據采集，其中主要包括采空區溫度和采空區內氣樣，并準確記錄各測點進入采空區的深度，回到地面對所采集氣樣進行氣相色譜分析。根據所測得的數據來分析各指標氣體的變化規律。

2 現場觀測結果及分析

2.1 采空區氧氣濃度變化

利用采空區內鋪設的束管所采集的氣體分析數據結合工作面的推進速度來研究軌道巷(進風巷)和皮帶巷(回風巷)的氧氣濃度變化規律如圖2所示。圖2表明進入采空區后，各測點氧氣濃度隨著測點深度的不斷增加呈現出波動下降的趨勢。在軌道巷內束管埋入35.9 m皮帶巷內束管埋入28.5 m之前，采空區內各測點的氧氣濃度均在18%以上，不利于煤的自燃。之后氧氣濃度快速下降，同時軌道巷與皮帶巷相比氧氣濃度下降較慢，因此軌道巷氧化帶長度略大于皮帶巷。

圖2 氧氣濃度變化趨勢Fig.2 Variation trend of oxygen concentration

2.2 采空區自燃“三帶”分布

根據氧氣濃度的變化情況，當進風側掘進深度達到35.9 m時，氧氣的濃度開始降低到18%以下，在76.5 m時，氧氣濃度降至10%以下，進入窒息帶。而回風側氧氣濃度下降較快，當掘進深度為28.5 m時，氧氣濃度已經降至18%以下，進入氧化帶范圍，掘進深度在70.2 m時，進入窒息帶范圍。氧化帶在回風側的范圍較大，約為41.7 m左右，因此在進風側產生煤自然發火的可能性較大，是容易發生自然發火的區域。由于遺煤較少、熱值較低、推進速度較快，整個氧化帶的范圍較大。自燃“三帶”分布如圖3所示。

3 氧化升溫實驗及數據分析

為了研究12118工作面采空區煤自燃過程，對12118工作面的煤樣進行氧化升溫試驗，得到煤樣自然發火的氣體產生規律。

煤樣氧化升溫實驗結果顯示：12118綜采工作面煤樣瓦斯吸附量較低，隨著煤溫的升高，其吸附氣體的釋放量的變化不明顯。在煤溫達到120 ℃之前，C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C2H2均檢測不到，CH4釋放量也較小，持續在0.017‰以下，在煤溫達到220 ℃后，上升幅度開始明顯增加。

根據對12118工作面煤樣氧化升溫實驗所得的數據進行分析，得到煤自燃標志。

CO標志氣體特點：①在200 ℃之前，CO產生量隨煤溫的變化關系符合指數函數的上升規律；②CO產生的絕對量是所有煤氧化氣體產物中最大的；③當煤溫達到40 ℃時，煤開始氧化產生CO，并且整個氧化過程均存在CO的變化。

煤自然發火的C2H4(乙烯)標志氣體特點：①C2H4的產生速率與煤溫呈現出單一的遞增關系；②由于礦井大氣和煤體吸附的瓦斯氣體中都不含有C2H4，因此C2H4是煤發生氧化產生的；③C2H4產生的臨界溫度為140 ℃左右；④C2H4的出現標志著煤已經開始氧化階段，同時也標志著煤自燃已經進入了加速階段。

4 采空區自然發火評價

4.1 自然發火危險性評價

根據12118工作面的現場測試，采用印度學者貝納基提出的預測方法，建立綜采工作面煤炭自然發火危險性評估模型，從而對12118工作面采空區內煤自燃的危險性進行了綜合評價。

以煤自燃機理為基礎，確定出構成自然發火危險程度的分指標：煤的自燃傾向性Y1、持續的漏風供氧條件Y2、聚熱散熱條件Y3。每一分指標又分16項一級的分指標構成[11]。

煤的自燃傾向性Y1：①煤的吸氧量Xl(mL/g)；②還原煤樣與氧化煤樣的著火溫度差X2(℃)。

漏風供氧條件Y2：①采空區漏風風流氧濃度X3(%)；②采空區漏風持續時間X4(d)；③煤的破碎性X5；④采空區兩側風壓差X6(Pa)；⑤采空區封閉質量X7；⑥頂板及采空區處理X8；⑦采區巷道布置方式X9；⑧采煤方法X10；⑨通風方式X11；⑩煤層傾角X12。

聚熱散熱條件Y3：①采空區風速X13；②自燃帶長度與推進速度比X14(d)；③采空區遺煤狀況X15；④區域圍巖溫度X16(℃)。

經過對東大煤樣進行測試，東大煤礦煤層最短發火期為88 d，自燃傾向性較小。煤的吸氧量為0.48 mL/g。煤的破碎性屬于Ⅱ類中等硬度；工作面的煤層回采率為97%；正常回采期間的最小推進速度約為3.6 m/d；12118工作面煤層傾角平均為5°；采空區漏氧濃度在10%～18%之間，有利于煤的氧化自燃；采空區風速大約在0.20 m/min；采空區兩端風壓差，靜壓約為90 Pa；圍巖溫度約為17 ℃。12118綜采工作面自然發火危險性各單因素評判結果見表1。

表1 東大煤礦12118綜采工作面自然發火危險性單因素評判

根據評價的模型進分層次對12118綜采工作面進行評價。

y1=ω11×γ1+ω12×γ2=0.6×0.5+0.4×0.3=0.4

y2=ω23×γ3+ω24×γ4+ω25×γ5+ω26×γ6+ω27×γ7+ω28×γ8+ω29×γ9+ω210×γ10+ω211×γ11+ω212×γ12=0.135×0+0.161×0.15+0.057×0.3+0.140×0.25+0.093×0.2+0.058×0+0.055×0.15+0.171×0.2+0.049×0.25+0.081×0.2=0.1657 5

y3=ω313×γ13+ω314×γ14+ω315×γ15+ω316×γ168=0.278×0.2+0.396×0.1+0.163×0.1+0.163×0.1=0.127 8

U=y1×ω1+y2×ω2+y3×ω3=0.4×0.333+0.165 75×0.333+0.127 8×0.333=0.230 952 15

根據國內學者對中國53個煤礦煤層自然發火危險性的研究，采取模糊聚類分析，可將煤礦自然發火危險性分為4類：Ⅰ類很危險，其危險性隸屬度大于0.53；Ⅱ類危險，其危險隸屬度為0.53～0.3；Ⅲ類可能自燃，其危險隸屬度為0.3～0.15；Ⅳ類不自燃，其危險隸屬度小于0.15。

通過對12118綜采工作面自然發火的危險性評價[12 -14]，12118工作面自然發火危險隸屬度為23.09%，屬Ⅲ類。相較于Ⅰ類(很危險)和Ⅱ類(危險)，12118工作面采空區自燃風險較小，但當供氧氧化條件和聚熱散熱條件同時具備時，仍然有可能發生自燃。因此，12118工作面需要制定相應的措施，來對自然發火的現象進行監測預警，從而降低采空區自然發火的隱患。

4.2 最小安全推進速度

合理提高工作面推進速度，保證工作面的正常推采，能夠有效地降低采空區自然發火的危險。12118工作面的最小安全推進速度由公式(1)計算得出[15]

(1)

式中，V為工作面為安全最小推進速度，m/d；K為安全系數，根據工作面遺煤量、地質特點等因素綜合判定；L氧為采空區自燃“三帶”中氧化帶長度，m；Tmin為煤層煤樣的最短自然發火期，d。

進風側3個測點所得氧化帶寬度分別為41.1 m、39.8 m、40.9 m，回風側3個測點所得氧化帶寬度分別為43.9 m、38.9 m、42.5 m，為保證安全生產，應取最大值43.9 m；由于12118工作面地質條件較為簡單，斷層不甚發育，遺煤量小，并且煤的熱值較低，自然發火隱患較小，故選取安全系數K=2.3，煤的最短自然發火期為88 d。通過(1)式計算得到12118綜采工作面的最小安全推進速度為1.15 m/d。因此，當工作面的推進速度小于1.15 m/d時，氧化帶內就有發生煤自燃的危險；當工作面的推進速度大于1.15 m/d時，采空區氧化帶內自然發火的可能性較小。

5 結論

(1)通過數據分析，得到了東大煤礦12118工作面自燃“三帶”分布規律。即對于東大煤礦12下煤層，當綜采工作面面長在75 m左右，采高為1.8 m時，工作面采空區自燃“三帶”分布規律如下：在進風側，散熱帶：0～35.9 m，氧化帶：35.9～76.5 m，窒息帶：76.5 m～∞；在回風側，散熱帶：0～28.5 m，氧化帶：28.5～70.2 m，窒息帶：70.2 m～∞。

(2)東大煤礦12118綜采工作面的煤層最短自然發火期為88 d，在保證采空區不發生自然發火的情況下，工作面的最小安全推進速度為1.15 m/d。通過12118綜采工作面自然發火危險性評價，表明了該工作面的自然發火的可能性較小，但需要采取一定的預報和防治措施，避免煤自燃的發生。

(3)在整個自燃“三帶”束管監測實驗進行中，12118綜采工作面的回采期間最小推進速度約為3.6 m/d，即在正常回采的情況下，最小推進速度遠大于最小安全推進速度。在特殊情況下，工作面的推進速度受阻導致推進速度小于最小安全推進速度時，應當加強采空區進風側的火災監測，并采取相應的防滅火措施。