新景礦綜采工作面自燃“三帶”范圍分布規律研究

陳守鈺

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

1 概況

煤的自燃傾向性分為容易自燃、自燃、不易自燃3 類，山西新景礦有限責任公司15 號煤層屬于Ⅱ類自燃煤層，為了保障15 號煤層15317 綜放工作面高效生產，確保安全推進速度，需要對采空區自燃“三帶”進行測定。

山西新景礦煤業有限責任公司井田面積64.747 km2，均為優質無煙煤，生產能力為450 萬t/a，是煤與瓦斯突出礦井，開采的煤層是3、8、9、15 號煤，其中15 號煤層被測定為II 類自燃煤層，其他煤層為不易自燃煤層。15 號煤層15317 綜放工作面屬于Ⅱ類自燃煤層，位于蘆南采區南翼中部，工作面標高367—467 m，地面標高910—1 049 m，埋藏深度為478—610 m。工作面走向長969 m，傾斜長215 m，面積208 335 m2。工作面所采煤層為15 號煤，煤層結構為0.32（0.30） 2.95（0.60）2.45，煤層總厚6.44～8.00 m，平均厚度6.62 m，工作面煤層傾角3°～14°，平均傾角8°。該綜放工作面東為15316 工作面（未掘），南為15323工作面（未掘）。西、北面分別是15318 工作面（正掘）、蘆南采區大巷（已掘）；該綜放工作面上方3 號煤層71115 工作面、71117 工作面，8 號煤層2108 工作面、2109 工作面、2111 工作面，9 號煤層9108 工作面均已開采，其余煤層均未開采。該綜放工作面采用U 型通風系統，1 條進風巷、1條回風巷進行通風。

因此，合理劃分和確定15317 綜放工作面采空區自然發火“三帶”是綜放工作面采空區防火的重要依據。

2 采空區自燃“三帶”現場試驗研究

綜放工作面采空區自然發火“三帶”可劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶。散熱帶緊靠工作面，隨著綜放工作面的推進，巖塊堆積孔隙多而松散，漏風率較大，導致熱量不易存儲，因此不易自燃；氧化帶巖塊堆積壓實，漏風率較小，導致熱量易存儲，再加上生產推進遺留的煤，因此容易自燃；窒息帶巖塊堆積更加緊密，漏風逐漸消失，氧氣濃度直線下降，由于氧氣濃度的缺失，即使遺煤發生自燃，進入窒息帶也因氧氣濃度含量不足而熄滅，因此窒息帶不易自燃。如圖1 所示。

圖1 采空區自燃“三帶”示意Fig.1 Schematic diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf

2.1 采空區自燃“三帶”劃分依據

采空區自燃“三帶”劃分方法經常使用2 種方法。

（1） 參照煤自然發火臨界氧濃度指標來劃分，一般將氧氣濃度＞15%～18%劃分為散熱帶，將5%～8%≤氧氣濃度≤15%～18%劃分為氧化帶，將氧氣濃度＜5%～8%劃分為窒息帶。

（2） 參照采空區內的漏風風速來劃分，漏風的風速＞0.24 m/min 時為散熱帶，漏風的風速在0.1～0.24 m/min 區段時為氧化帶，漏風的風速＜0.1 m/min 時為窒息帶。

此次根據15317 綜放工作面采空區實際情況，選取煤自然發火臨界氧氣濃度指標來劃分采空區自燃“三帶”，便于觀察和操作。

2.2 采空區自燃“三帶”現場測定

15317 綜放工作面采空區自燃“三帶”的測定與劃分采用束管監測監控技術。在工作面進行鋪設束管，并延伸到采空區內，然后在束管末端加設粉塵過濾器，最后依托KJ428 型礦用分布式激光火情監測系統抽取采空區內的氣體，對氣體成份進行分析，依據氣體成份分析的氧氣濃度結果，判斷采空區自燃“三帶”的分布規律。

此次測定主要使用的觀測儀器儀表包括集束束管（6 路）、保護管路（2 寸鋼管300 m）、連通套管（6 個3 寸鋼管或者1 寸半鋼管，需300 mm）、三通探頭6 個（高500 mm，鋼管周圍打滿篩眼）、快速接頭30 個、彎頭2 個（2 寸） 等。

2.2.1 束管監測點布置

15317 綜放工作面可采走向長度969 m，傾斜長215 m。進、回巷沿工作面走向煤壁各布置3 個束管測點，進風巷測點編號為1、2、3 號，回風巷測點編號為4、5、6 號，如圖2 所示。

圖2 工作面采空區測點布置示意Fig.2 Layout of measuring points in goaf of working face

沿15317 綜放工作面回風順槽外幫預埋2 寸鋼管150 m，每隔30 m 布置1 個測點，每個監測點內安設束管采樣器，綜放工作隨著生產逐日推進，1～6 號測點隨著工作面推進，束管監測點循環進入“散熱帶”、“氧化帶”和“窒息帶”，觀測束管監測點氧氣濃度，判斷采空區“三帶”分布規律。

束管外套2 寸無縫鋼管，鋼管連接處采用螺紋接口，進行鋼管連接保護鋼管內的束管。從上隅角外5 m 到束管采樣器鋪設的束管都要加套管保護，束管末端加設粉塵過濾器，采樣器埋入采空區時，距離底板大約400 mm 并緊靠巷幫，測點采樣器結構如圖3 所示。

圖3 測點采樣器結構Fig.3 The structure of measuring point sampler

2.3 監測數據分析與結論

現場實測過程中，依據各監測點氧氣濃度數據進行分析。

2.3.1 進風巷采空區氧氣濃度數據分析

15317 綜放工作面進風巷1～3 號監測點氧氣濃度隨著工作面推移進入采空區內變化曲線如圖4～圖6 所示。

圖4 進風巷1 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.4 Change curve of oxygen concentration at No.1 measuring point of air inlet roadway with depth of entering goaf

圖5 進風巷2 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.5 Change curve of oxygen concentration at No.2 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

圖6 進風巷3 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.6 Change curve of oxygen concentration at No.3 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

（1） 1 號測點進入采空區44.82 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進入采空區118.52 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

（2） 2 號測點進入采空區47.02 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下：隨著工作面推移進入采空區123.22 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

（3） 3 號測點進入采空區50.02 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進入采空區121.92 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

2.3.2 回風巷采空區氧氣濃度數據分析

15317 綜放工作面回風巷4～6 號監測點氧氣濃度隨著工作面推移進入采空區內變化曲線如圖7～圖9 所示。

圖7 回風巷4 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.7 Change curve of oxygen concentration at No.4 measuring point of return airway with depth into goaf

圖8 回風巷5 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.8 Change curve of oxygen concentration at No.5 measuring point of return airway with depth into goaf

圖9 回風巷6 號測點氧氣濃度隨進入采空區深度變化曲線Fig.9 Change curve of oxygen concentration at No.6 measuring point of return airway with depth into goaf

（1） 4 號測點進入采空區32.69 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進入采空區94.19 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

（2） 5 號測點進入采空區33.39 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下：隨著工作面推移進入采空區99.09 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

（3） 6 號測點進入采空區31.19 m 左右時，氧氣濃度降至18%以下；隨著工作面推移進入采空區93.89 m 左右時，氧氣濃度降至5%以下。

2.3.3 采空區自燃“三帶”劃分

根據上述分析數據，取各組測點平均值，并按照氧氣濃度5%～18%作為采空區自燃“三帶”范圍劃分的依據，對15317 綜放工作面采空區自燃“三帶”進行劃分，詳見表1、圖10。

表1 15317 綜放工作面采空區自燃“三帶”分布范圍Table 1 Distribution range of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

圖10 15317 綜放工作面采空區自燃“三帶”示意圖Fig.10 Diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

采用進風側氧化帶右邊界121.2 m 和回風側氧化帶左邊界32.4 m 差值作為15317 綜放工作面采空區氧化帶寬度，即88.8 m。

3 綜放工作面安全推進速度

依據華北科技學院出具的《山西新景礦煤業有限責任公司15 號煤層煤樣最短自然發火期》測定報告，最短自然發火期為78 d。依據山西新景礦煤業有限責任公司15 號煤層最短自然發火期為78 d和15317 綜放工作面采空區氧化帶寬度為88.8 m，可計算出15317 綜放工作面的最小安全推進速度：

帶入數據計算得，15317 綜放工作面的最小安全推進速度為1.1 m/d。當工作面平均推進速度大于1.1 m/d 時，采空區沒有自然發火的危險；當工作面連續超78 d 平均推進速度小于1.1 m/d 時，采空區將有自然發火危險。

4 結語

本文對山西新景礦15317 綜放工作面采空區自燃“三帶”進行了測定，得出15317 綜放工作面采空區氧化帶寬度為88.8 m，據此計算出最小安全推進速度為1.1 m/d，為工作面安全開采提供了數據支持，保障了工作面安全高效開采。