凉水井煤矿综采工作面采空区自燃“三带”划分实施方法探讨

DOI：10.16660/ki.1674-098X.2016.22.027

摘 要：通过分析凉水井煤矿现阶段防灭火措施的可行性和不足之处，结合理论研究方法，提出了使用氧气浓度为主要指标、温升速率为参考指标和敷设束管线、热电偶作为测量手段对凉水井煤矿综采工作面采空区自燃“三带”划分的实施方法，对矿井后期防灭火工作提供了重要的指导，对预防采空区内因火灾、保障矿井安全生产有十分重要的意义。

关键词：采空区 三带 火灾 自燃

中图分类号：TD752.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）08（a）-0027-03

作为煤矿五大自然灾害之一，火灾的发生不仅能产生大量的CO造成作业人员中毒，高温烟流可能导致巷道风流逆转、破坏通风系统，而且还会烧毁资源、设备，甚至引起矿井瓦斯燃烧和爆炸。根据其成因将矿井火灾分为内因火灾和外因火灾，内因火灾因其发生过程缓慢，无明显火焰，不易察觉，也不能及时找到火源的精准位置，一旦发现，大面积自燃发火很难控制和采取措施处理。据不完全统计，采空区自燃火灾占矿井内因火灾的60%左右，由此可见，矿井内因火灾大多数都与采空区有关，但不是采空区所有区域都存在自燃发火威胁，一般根据自燃发火可能性高低将采空区划分为散热带、氧化带和窒息带。氧化带满足持续漏风供氧、蓄热条件，当有易自燃或自燃煤层呈破碎状态堆积时，即可引起采空区自燃火灾。因此，采取正确的研究方法，准确确定氧化带范围并采取措施，是有效预防采空区自然发火的关键。

1 矿井防灭火现状

凉水井煤矿隶属陕西能源集团有限责任公司，矿井核定生产能力8.0 Mt/a，现阶段主采4-2煤层，采用“三进两回”分区式通风方式、抽出式通风方法进行通风，属于瓦斯矿井。根据陕西安技装备检测有限公司对矿井煤层的煤尘爆炸性、煤自燃倾向性化验结果得知，4-2煤层自燃倾向性等级为I级，煤尘爆炸性指数为35.57%，如表1所示。由西安科技大学承担的《凉水井煤矿矸石山防灭火技术研究》项目报告中指出，矿井最短自燃发火期为37 d。由此可见自燃发火是威胁矿井安全生产的重要因素。

凉水井煤矿已建立起以注浆为主、注氮为辅、束管监测系统配套的自燃发火防治体系，二号工业广场设有黄泥灌浆站，制浆能力为82 m3/h。井下设有临时和永久注氮硐室，注氮能力为1 800 m3/h，地面设有束管监测系统，在各封闭采空区和采煤工作面上隅角、采空区设置采样器，能通过气体变化情况监测采空区气体是否存在氧化现象。矿井防灭火系统能满足防灭火工作需要，但在实际使用过程中存在问题。综采工作面采空区注氮方式为预防性注氮，原理为向氧化带输送氮气达到降低氧气浓度，预防煤体剧烈氧化的目的，束管监测系统主要监测采空区氧化带指标性气体变化情况，以判断采空区是否存在自燃迹象。但在实际工作中，因矿井未进行采空区“三带”划分方面的研究，氮气输送管和束管监测取样器埋管位置仅根据其他矿井经验设置在采空区距工作面30 m的位置，由此可能造成预防性注氮的失效和束管监测系统气体分析的不准确。为了确保采空区注氮取得实效，束管监测系统能准确监测到自燃迹象，需要采用正确的方法对采空区“三带”进行划分。

2 采空区“三带”划分方法

目前对采空区“三带”的划分方法主要根据对煤自燃过程产生影响的氧气浓度、漏风流速和温升速率3个指标确定，氧气浓度、漏风流速过大可能导致热量不能积聚，过小不能提供必需的氧气支持燃烧。温升指标为不确定因素，不同自燃特性的煤层测定结果不同，可作为辅助参考指标。

（1）根据采空区漏风流速划分：散热带，流速>0.24 m/min；氧化带，0.1 m/min≤流速≤0.24 m/min；窒息带，流速

（2）根据氧气浓度划分：散热带，浓度>15%；氧化带，5%≤浓度≤15%；窒息带，浓度

（3）温升速率：当温升速率>1 ℃/d，一般认为该区域为氧化带。

3 矿井“三带”划分实施方法

（1）试验位置。

矿井现阶段布置31101和42112两个综采工作面，其中31101为3-1煤层最后一个回采工作面，测定采空区“三带”意义不大，因此将测定地点设置在42112综采工作面，通过42112工作面研究，可为4-2煤层其他接续工作面提供相关技术参数。42112工作面走向长4 375 m，倾向长310 m，煤层平均厚度3.06 m，倾角0°～3°，采用长壁综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法处理采空区。

（2）划分指标。

“三带”划分指标中，其中采空区漏风流速为矢量，现场不易检测，常用于实验室研究。根据矿井煤层自燃特性研究，试验周期在20 d以内时，煤层每天温升速率小于1 ℃。42112工作面推采速度快（每天约15 m），使用该指标不能划分“三带”范围，仅可以作为辅助指标。因此在现场测定中选取氧气浓度作为“三带”划分依据，温升速率作为辅助参考指标，4-2煤层实验室温度升温曲线如图1所示。

（3）指标测量。

为了不影响矿井正常生产，同时减少移架作业对测量的影响，确保测得数据准确，测点设置在42112胶运巷和回风巷。为了增强测量数据的可靠性，每条巷道设置3组测点，每组间距20 m，第一组分别设在上、下隅角位置，距离第3组测点100 m的位置设观测点，以便于数据统计。氧气浓度通过束管埋线，使用多功能鉴定器配套氧气测定管测量，温度由热电偶测量，将束管、热电偶线缆使用DN25钢管进行保护，采样器使用DN50钢管保护，测点布置如图2所示。

（4）数据分析。

测点进入采空区后，采煤作业期间每次移架时对测点温度和氧气浓度进行一次测量，当氧气浓度小于5%并趋于稳定时（继续测量5次），停止该点测量，否则须进行多点测量。根据胶运巷1#～3#测点，回风巷4#～6#测点测得氧气浓度按照“三带”标准分别进行划分，各测点之间、胶运巷和回风巷对应“三带”进行对比，得出划分范围，结合测得温度参数，查看氧气浓度在5%～15%区域是否存在明显温升，进一步确定氧化带范围。

4 结语

氧气浓度可以作为凉水井煤矿综采工作面采空区“三带”划分主要指标，温升速率为辅助参考指标。采取胶运、回风巷向采空区埋管、多次设置测点的方式测得相关数据，通过详细对比可以准确划分“三带”范围，为矿井后期采空区自燃发火防治提供了重要的借鉴。

参考文献

[1] 王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2] 王云.矿井火灾预防与处理[M].北京：煤炭工业出版社，1992.

[3] 范天吉.矿井防灭火综合技术手册[M].吉林：吉林音像出版社，2003.

[4] 邓凯，袁树杰.综采工作面采空区煤炭自燃“三带”的划分及实测[J].煤矿安全，2012（5）：141-142.

[5] 杨宏民，李化金.采空区自燃“三带”划分指标的探讨[J].煤矿安全，1998（5）：26-28.