李雅莊煤礦工作面采空區自然發火“三帶”分布特性研究

于 江，徐文俊，張連超

（1.霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦，山西 臨汾 031400；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

我國自燃或存在自燃危險的礦井已占到60%以上。當井下發生自燃時，產生高溫及有毒有害氣體，引起瓦斯爆炸及人員中毒等災害，嚴重威脅著工人的生命安全[1-2]；由于自燃火災封閉或燒毀了井下設備、凍結了大量寶貴的煤炭資源，每年給國家帶來數十億元的經濟損失[3-4]，破壞礦井開采部署，縮短礦井服務年限，造成環境及大氣污染等問題[5-6]。因此，近年來國家和企業對安全生產日益重視，加大了安全投入的強度[7]。根據國家礦山安全監察局《煤礦防滅火細則》（礦安[2021] 156 號）的規定，開采易自燃和自燃煤層時，同一煤層應當至少測定1 次采煤工作面采空區自然發火“三帶”分布范圍。為了杜絕礦井火災事故的發生，完善防滅火管理，需根據霍州煤電集團有限責任公司李雅莊煤礦（簡稱“李雅莊煤礦”）的煤層賦存狀況開展采空區自然發火“三帶”分布規律研究，這對于保證礦井安全生產、避免資源損失及礦井的可持續發展具有重大意義。

1 工程背景

李雅莊煤礦位于山西省南部臨汾盆地的北緣，井田南距霍州市10 km，行政區劃隸屬霍州市師莊鄉管轄，系霍州礦區北端的一個井田，西與什林煤礦和王莊煤礦相鄰。根據阜新工大安全檢測檢驗有限責任公司出具的《煤自燃傾向性檢測報告》可知，2#煤層自燃傾向性等級為II 類，屬自燃煤層，最短自燃發火期為45天，煤層自燃火災為制約礦井發展的重大隱患之一。2-801 采煤工作面煤層厚度平均為3.2 m，煤層傾角2~6°，采用一次采全高開采工藝。

2 自燃“三帶”概述

自然發火是有自燃傾向性的煤層被開采破碎后在常溫下與空氣接觸發生氧化，產生熱量使其溫度升高，出現發火和冒煙的現象。煤炭的氧化自燃，必須同時具備三個條件：煤層具有自燃傾向性且呈破碎狀態堆積，堆積厚度一般要大于0.4 m；連續的通風供氧條件；持續的蓄熱環境。在礦井有煤層自燃傾向性的工作面采空區內這三個必備條件具體表現在采空區合適的漏風風速與采空區氧氣體積分數供給的大小，漏風風速的大小直接影響煤炭的供氧與蓄熱條件，而氧氣體積分數的大小決定煤層的氧化自燃能力。因此，根據采空區漏風與氧氣體積分數的大小，可將采空區的煤炭氧化自燃區域劃分為三個帶，即采空區自燃“三帶”。

3 李雅莊煤礦工作面采空區“三帶”測試方案

通過資料收集及工作面現場勘查后確定2-801采煤工作面采空區自然發火“三帶”測定與劃分的基本方案為：

1）測點布置方式：采用試驗現場埋設抽氣管路，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體積分數變化規律，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溫度變化與氣體分布規律，確定綜采工作面采空區自然發火“三帶”的分布范圍。從測定結果的可靠性、施工方便性和經濟性等方面考慮，在工作面的進、回風順槽共布置4個測點（進、回風巷各2個），1#測點：設置在進風巷距工作面≥20 m 處；2#測點：沿進風巷布置，距離1#測點8 m處；3#測點：設置在回風巷距工作面≥20 m處；4#測點：沿回風巷布置，距離3#測點8 m處。

在2-801 工作面的運輸順槽、回風順槽的煤柱幫沿底部敷設直徑為8 mm的束管，采用專用的束管接頭連接，做到連接處無漏氣。當采樣點進入采空區后進行取樣分析，待測點所測得的氧氣體積分數降到7%后，斷開該測點。埋入采空區的束管要用DN 25~50 mm 的鋼管加以保護。束管管口取樣點處，應用大塊矸石或木跺防護，以防止浮煤堵塞束管取樣口。為防止采空區積水抽進束管，束管的進口處必須抬高0.5 m。測溫元件采用集成溫度傳感器AD590，采用CFZ22 型井下氣體采樣泵進行抽氣取樣，采樣周期為每日采樣一次，通過抽氣泵在井下抽取采空區氣樣至氣囊中，帶到地面使用氣相色譜儀進行分析。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等碳氫氣體的體積分數變化規律。2-801工作面測點及管路布置如圖1所示。

圖1 工作面束管測點布置圖

2）三帶劃分判定依據：根據實測采空區內各組分氣體體積分數及其變化，采用臨界氧體積分數指標法（散熱帶（氧氣體積分數>18%）、氧化帶（7%≤氧氣體積分數≤18%）、窒息帶（氧氣體積分數<7%））分析判定2-801 采煤工作面采空區測點位置自然發火“三帶”的范圍。

4 李雅莊煤礦工作面采空區自然發火“三帶”分布特性分析

圖2 為工作面推進過程中1#、2#、3#、4#測點溫度值。進回風順槽各測點溫度變化趨勢明顯，隨工作面推進整體上都是先上升后下降的趨勢，符合采空區氧化帶分布規律。在進風順槽側：1#測點在工作面推進至57.90 m，溫度最高上升到32.6℃，2#測點當工作面推進至56.30 m，溫度最高上升到32.7℃，隨著工作面繼續推進，測點進入窒息帶，1#測點溫度緩慢降至29.8℃，2#測點降至29.5℃。在回風順槽側：3#測點當工作面推進至54.70 m，溫度最高上升到32.5℃，4#測點隨工作面推進到53.10 m，溫度最高上升到32.7℃，隨著工作面繼續推進，測點進入窒息帶，3#測點溫度最終降至29.6℃，4#測點溫度降至29.6℃。從數據可以得到在進風順槽側峰值溫度較回風順槽側出現的距離離工作面更遠。

圖2 采空區測點溫度分布

因測試氣樣中未檢測出CO、C2H4及C2H2等烯烴類氣體，僅檢測到O2、CO2、CH4、N2氣體體積分數數據，考慮到N2的變化趨勢主要由其他三種氣體決定，因此只對O2、CO2、CH4進行分析，具體數據見圖3、圖4、圖5 所示。

圖3 采空區氧氣體積分數測點數據

圖4 采空區測點CO2分布

圖5 采空區測點CH4分布

O2、CO2、CH4進行分析，具體數據見圖3、4、5所示。

從圖3可知，隨著工作面推進，采空區內氧氣體積分數由原始20.8%逐步緩慢下降，并從散熱帶逐步進入氧化帶和窒息帶。在進風順槽側：1#測點在距工作面約26.8 m處監測到氧氣體積分數低于18%，之后，氧氣體積分數繼續降低，在工作面推進83.5 m后，氧氣體積分數降至7.0%以下；2#測點在距工作面約24.4 m 處監測到氧氣體積分數低于18%，在工作面推進81.9 m后，氧氣體積分數降至7.0%以下。在回風順槽側：3#測點在距工作面約24.8 m 處監測到氧氣體積分數低于18%，在工作面推進77.1 m 后，氧氣體積分數降至7.0%以下；4#測點在距工作面約21.2 m 處監測到氧氣體積分數低于18%，在工作面推進78.7 m后，氧氣體積分數數據降至7.0%以下。綜合進風順槽側和回風順槽側氧氣監測數據，進風順槽側的散熱帶0~24.4 m、氧化帶24.4~83.5 m、窒息帶＞83.5 m；回風順槽側的散熱帶0~21.2 m、氧化帶21.2~78.7 m、窒息帶＞78.7 m。

結合圖4 可以得到，進風順槽側1#、2#測點和回風順槽3#、4#測點的CO2體積分數變化規律呈現先平穩后上升的趨勢。其中CO2體積分數開始上升時，1#測點在工作面推進到36.8 m 處，2#測點在工作面推進到36.3 m，3#測點在工作面推進到32.4 m，4#測點在工作面推進到32.3 m 處；測試結束時，1#測點采空區CO2體積分數上升到1.86%。2#測點CO2體積分數上升到1.85%，3#測點CO2體積分數上升到1.59%。4#測點采空區CO2體積分數上升到1.82%。

采空區內CH4變化的趨勢基本都是一直上升的，結合圖5 可以得到進風順槽1#測點CH4體積分數在測試結束時上升到13.47%；進風順槽2#測點的CH4體積分數在測試結束時上升到13.66%；在回風順槽側3#測點CH4體積分數上升到13.78%；4#測點的CH4體積分數在測試結束時上升到13.53%。

結合采空區氧氣體積分數與溫度監測數據，2#煤層2-801 工作面采空區自然發火“三帶”范圍劃分為：散熱帶寬度為0~21.2 m，氧化帶寬度為21.2~83.5 m，85.5 以上為窒息帶，如圖6 所示。其中氧化帶寬度為21.2~83.5 m，在這一寬度范圍內，氧氣體積分數為7%~18%，屬于煤炭易自燃區域，既有充足的供氧條件，又由于漏風風量逐漸減小，具有良好的蓄熱環境，氧化帶寬度相對較寬，不利于防治煤炭自然發火。結合2-801 工作面日推進速度為3.2 m/d 左右，當工作面推進27 d后，采空區即可進入窒息帶。

圖6 采空區自然發火“三帶”范圍

5 結論

對李雅莊煤礦2-801 采煤工作面進行采空區埋管，測定采空區溫度、氣體成份及體積分數隨工作面推進度的變化規律，分析得到其“三帶”數據，為建立2#煤層自然發火防控體系提供了科學依據，主要得出以下結論：

1）從采空區溫度實測分析可以得知，各測點在工作面的推進過程中，溫度最大為32.7 ℃，說明工作面采空區壓實條件較好，供氧量小，很難氧化自燃。

2）依據采空區自然發火“三帶”劃分標準，通過對2-801 工作面進、回兩順槽鋪設束管采樣點，其采空區自然發火“三帶”為：散熱帶的寬度為0~21.2 m，氧化帶寬度為21.2~83.5 m，85.5 m以上為窒息帶。

3）2-801 工作面日推進速度3.2 m/d 左右，即工作面推進27天后，采空區即可進入窒息帶。