采空区自燃三带的划分

【摘要】采空区自燃三带的划分是防范采空区自燃的重要基础。在进行采空区空间自燃三带划分时，应当综合考虑影响煤炭自然发火的主要影响因素，氧气浓度的指标和浮煤厚度分布的情况，还要把采空区三维空间氧气浓度场与浮煤厚度分布范围相叠加起来，才可划分出综放采空区的空间自燃三带。本文就采空区自燃三带的划分问题，通过对采空区遗煤的空间分布的分析，对自燃三带作出了解释，最后以煤氧复合理论为依据，对采空区自燃三带作出了划分，即“散热带”、“氧化升温带”、“窒息带”。

【关键词】自燃“三带”；划分指标；空间分布

引言

作为高产量、高效率的采煤技术，综放开采已在国内普遍使用。大幅度提高煤炭生产效率及产量是人们所关注的。但与此同时，这项技术为采空区也带来了巨大的安全隐患。比如，遗留下大量的浮煤，推广速度过快、在采空区的自然区域范围内的不严格规划，等等，这些情况让采空区的自然发火问题空前严重。矿区的安全一直是相关部门注重的首要问题，而综放开采则严重威胁着矿区的安全。我们应该清楚的认识到，矿区工作应该是在安全的基础上去实现高产高效的目的。采空区分为三带，而煤炭的自燃一般发生在自然带。因此，为了确保工作人员的人身安全，应该科学合理地确定采空区自燃三带的范围，可以增强防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的效果，有效预防自然发火事故，将对预防采空区的自然发火及保障综放面的安全生产具有十分重要的现实意义。

一、采空区遗煤的空间分布状态

根据资料及实际运用可知，综放的主要特点如下：随着工作面的推进，在压力的作用下，顶煤不断地被破坏、冒落并最终被放出；接着是直接顶岩层发生垮落，由于采出空间的增大，采空区不能被首先先垮落的下位直接顶充满，以至于顶板岩层的垮落会继续向上发展，直到充满采空区或形成较为稳定的结构；紧接着就是基本顶的垮落。根据现场观测，顶煤的冒落一般伴随着下位直接顶的冒落，又因为受到冒落顶煤和矸石的限制，开始冒落时，下位直接顶冒落较规则；但是，随着顶煤的放出，已冒落的下位直接顶岩块呈不规则排列；在工作面放煤的后期，这部分冒落的矸石会混入顶煤一起落下，在实际放煤工作中，保障煤质是关键，为了达成目的，一般操作是将放煤口关闭，停止放煤。这样在采空区空间高度上形成了浮煤的不同分布状态，自上而下形成了冒落矸石带、矸石与浮煤混合带、浮煤带等3个带。

综放开采工作面的采空区浮煤在空间高度上呈现条带状分布，底部浮煤厚度相对均匀，上部的矸石与浮煤混合带厚度因人工控制放煤具有一定的随机性，导致其厚度分布不均匀，但是总体上，矸石与浮煤混合带的厚度要小于下部的浮煤带。

采空区的这种特殊分布状态，决定了其采空区的自燃三带是三维空间的，而不是传统意义上的二维平面。空间自燃三带是指综放采空区三维空间范围内存在着散热带、氧化带和窒息带，即不仅在工作面走向上存在自燃三带，而且在工作面采空区垂直高度上也存在自燃三带，2个方向上的自燃三带的组合构成综放采空区的空间自燃三带。

二、采空区自燃三带的划分

2.1传统采空区自燃三带的划分及评价

目前采空区自燃三带划分有三个指标[1][2]：漏风风速、氧气浓度、温升。划分如下：

1）散热带是指采空区漏风风速大于0.24m/min，氧气体积分数大于18%，温升ΔT

2）氧化升温带是指漏风风速在0.10～0.24m/min，氧气体积分数为10%～18%，温升ΔT≥1℃/d的区域[4]；

3）窒息带是指漏风风速小于0.10m/min，氧气体积分数小于10%温升ΔT

上述3个指标中，①漏风风速是矢量，很难进行实际的测量，因此，在采用该标准进行三带划分时，通常采用的是数学模型建立求解的方法，最后通过计算机对不同边界条件下采空区漏风的流线和风速分布进行数值模拟，最后来划分采空区三带，然而采空区的边界条件是十分复杂的，会导致计算误差很大，使用此方法划分出的三带与实际相差较大。②温度指标，从理论来讲温度是反应煤自然发火程度的最直接的指标，然而煤是热的不良导体，采空区内煤岩的热量传递过程十分复杂，很难掌握采空区各个区域的温升变化，因此，温度指标在三带划分中一般作为辅助指标。③采空区内氧气分布，不仅与漏风状态有关，同时与煤的氧化程度有关，自燃程度高的区域耗氧量大，氧气浓度低，氧含量的大小，反映遗煤氧化的供氧条件和蓄热条件，根据采空区内氧气浓度的分布就可以确定三带的范围。同时，氧气浓度是个标量，在实际中也便于测定。氧化带进一步细分，又可划分为“氧化自燃非危险带”和“氧化自燃危险带”。氧化带的前段即靠近冷却带的区域，虽然已具备煤自然发火的个基本条件，煤的氧化反应也能正常进行。但由于煤的自然发火需要一个由缓慢氧化到加速氧化乃至激烈氧化的时间过程，即在煤的自然发火期内不会发生自燃现象，我们把这一区域称为“氧化自燃非危险带”。剩余的部分同时具备了自然发火的浮煤、蓄热、供氧和时间条件，能够发生自然发火，因此称为“氧化自然危险带”。因此，本文在进行空间自燃三带划分时，采用氧气浓度指标。

2.2自燃三带划分的理论依据

自燃三带划分的理论依据[3]是煤氧复合理论，该理论认为煤炭自然发火必须同时满足3个条件，即：①煤自燃倾向，且呈现破碎堆积状态；②具有持续供氧的漏风条件；③具有良好的蓄热条件。分析自然发火的条件可以看出：自燃的第1个和第3个条件与浮煤的厚度相关，只有煤层达到一定厚度才具备蓄热条件；自燃的第2个条件与氧气浓度相关，只有氧气浓度达到一定值后才能维持浮煤的氧化反应。因此，氧气浓度场分布和采空区浮煤厚度分布可以正确反应采空区浮煤的自燃环境和自燃条件，利用这2个指标就可以将采空区科学地划分为空间自燃三带。

2.3自燃三带划分的方法

自然发火是煤氧复合发生反应的结果，在进行采空区空间自燃三带划分时，不仅要考虑采空区氧气浓度的分布，还要考虑煤自然发火的物质基础[5]———煤的分布，只有把氧气浓度C与浮煤厚度h分布相结合，才能正确反应综放采空区浮煤的自燃状态。具体划分办法有以下3种。

1）散热带。综放采空区散热带是指具备充足的供氧条件但不具备蓄热条件的区域，或者具备充足的供氧条件但浮煤厚度h小于极限厚度hmin或没有浮煤的区域，其判定条件为（C>18%）∪（10%≤C≤18%∩h

2）氧化升温带。氧化升温带是指具备充足的供氧条件和良好的蓄热条件，煤自燃产生的热量只有部分被带走，所剩热量能维持煤继续氧化升温的区域，其判定条件为（10%≤C≤18%）∩（h>hmin）。

3）窒息带。窒息带是指由于不具备维持煤继续自燃升温的供氧条件，煤氧化反应减缓或停止的区域，其判定条件为C

三、结论

综放采空区冒落空间很大，而且在空间高度上存在着大量的浮煤，传统上把采空区简化为二维平面的自燃三带划分方法，已不能够反映综放采空区浮煤的实际自燃状态，必须建立三维空间的思维方式，才能科学合理地对综放采空区进行自燃三带划分。这种划分方法既考虑了采空区的漏风风场、氧气浓度场，又考虑了浮煤的堆积状态，理论上合理，实践上可行。对综放采空区空间自燃三带的划分结果表明：沿采空区走向上，采空区氧化带的范围分布并不均匀，在进风巷侧的范围大，回风巷侧次之，采空区中部氧化带的范围最窄。在垂直高度上，采空区氧化升温带范围，紧近工作面后方较窄，逐步变宽，随着高度的降低，氧化带的范围逐步变宽。这些结果与现场实际非常吻合。

【摘要】采空区自燃三带的划分是防范采空区自燃的重要基础。在进行采空区空间自燃三带划分时，应当综合考虑影响煤炭自然发火的主要影响因素，氧气浓度的指标和浮煤厚度分布的情况，还要把采空区三维空间氧气浓度场与浮煤厚度分布范围相叠加起来，才可划分出综放采空区的空间自燃三带。本文就采空区自燃三带的划分问题，通过对采空区遗煤的空间分布的分析，对自燃三带作出了解释，最后以煤氧复合理论为依据，对采空区自燃三带作出了划分，即“散热带”、“氧化升温带”、“窒息带”。

【关键词】自燃“三带”；划分指标；空间分布

引言

作为高产量、高效率的采煤技术，综放开采已在国内普遍使用。大幅度提高煤炭生产效率及产量是人们所关注的。但与此同时，这项技术为采空区也带来了巨大的安全隐患。比如，遗留下大量的浮煤，推广速度过快、在采空区的自然区域范围内的不严格规划，等等，这些情况让采空区的自然发火问题空前严重。矿区的安全一直是相关部门注重的首要问题，而综放开采则严重威胁着矿区的安全。我们应该清楚的认识到，矿区工作应该是在安全的基础上去实现高产高效的目的。采空区分为三带，而煤炭的自燃一般发生在自然带。因此，为了确保工作人员的人身安全，应该科学合理地确定采空区自燃三带的范围，可以增强防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的效果，有效预防自然发火事故，将对预防采空区的自然发火及保障综放面的安全生产具有十分重要的现实意义。

一、采空区遗煤的空间分布状态

根据资料及实际运用可知，综放的主要特点如下：随着工作面的推进，在压力的作用下，顶煤不断地被破坏、冒落并最终被放出；接着是直接顶岩层发生垮落，由于采出空间的增大，采空区不能被首先先垮落的下位直接顶充满，以至于顶板岩层的垮落会继续向上发展，直到充满采空区或形成较为稳定的结构；紧接着就是基本顶的垮落。根据现场观测，顶煤的冒落一般伴随着下位直接顶的冒落，又因为受到冒落顶煤和矸石的限制，开始冒落时，下位直接顶冒落较规则；但是，随着顶煤的放出，已冒落的下位直接顶岩块呈不规则排列；在工作面放煤的后期，这部分冒落的矸石会混入顶煤一起落下，在实际放煤工作中，保障煤质是关键，为了达成目的，一般操作是将放煤口关闭，停止放煤。这样在采空区空间高度上形成了浮煤的不同分布状态，自上而下形成了冒落矸石带、矸石与浮煤混合带、浮煤带等3个带。

综放开采工作面的采空区浮煤在空间高度上呈现条带状分布，底部浮煤厚度相对均匀，上部的矸石与浮煤混合带厚度因人工控制放煤具有一定的随机性，导致其厚度分布不均匀，但是总体上，矸石与浮煤混合带的厚度要小于下部的浮煤带。

采空区的这种特殊分布状态，决定了其采空区的自燃三带是三维空间的，而不是传统意义上的二维平面。空间自燃三带是指综放采空区三维空间范围内存在着散热带、氧化带和窒息带，即不仅在工作面走向上存在自燃三带，而且在工作面采空区垂直高度上也存在自燃三带，2个方向上的自燃三带的组合构成综放采空区的空间自燃三带。

二、采空区自燃三带的划分

2.1传统采空区自燃三带的划分及评价

目前采空区自燃三带划分有三个指标[1][2]：漏风风速、氧气浓度、温升。划分如下：

1）散热带是指采空区漏风风速大于0.24m/min，氧气体积分数大于18%，温升ΔT

2）氧化升温带是指漏风风速在0.10～0.24m/min，氧气体积分数为10%～18%，温升ΔT≥1℃/d的区域[4]；

3）窒息带是指漏风风速小于0.10m/min，氧气体积分数小于10%温升ΔT

上述3个指标中，①漏风风速是矢量，很难进行实际的测量，因此，在采用该标准进行三带划分时，通常采用的是数学模型建立求解的方法，最后通过计算机对不同边界条件下采空区漏风的流线和风速分布进行数值模拟，最后来划分采空区三带，然而采空区的边界条件是十分复杂的，会导致计算误差很大，使用此方法划分出的三带与实际相差较大。②温度指标，从理论来讲温度是反应煤自然发火程度的最直接的指标，然而煤是热的不良导体，采空区内煤岩的热量传递过程十分复杂，很难掌握采空区各个区域的温升变化，因此，温度指标在三带划分中一般作为辅助指标。③采空区内氧气分布，不仅与漏风状态有关，同时与煤的氧化程度有关，自燃程度高的区域耗氧量大，氧气浓度低，氧含量的大小，反映遗煤氧化的供氧条件和蓄热条件，根据采空区内氧气浓度的分布就可以确定三带的范围。同时，氧气浓度是个标量，在实际中也便于测定。氧化带进一步细分，又可划分为“氧化自燃非危险带”和“氧化自燃危险带”。氧化带的前段即靠近冷却带的区域，虽然已具备煤自然发火的个基本条件，煤的氧化反应也能正常进行。但由于煤的自然发火需要一个由缓慢氧化到加速氧化乃至激烈氧化的时间过程，即在煤的自然发火期内不会发生自燃现象，我们把这一区域称为“氧化自燃非危险带”。剩余的部分同时具备了自然发火的浮煤、蓄热、供氧和时间条件，能够发生自然发火，因此称为“氧化自然危险带”。因此，本文在进行空间自燃三带划分时，采用氧气浓度指标。

2.2自燃三带划分的理论依据

自燃三带划分的理论依据[3]是煤氧复合理论，该理论认为煤炭自然发火必须同时满足3个条件，即：①煤自燃倾向，且呈现破碎堆积状态；②具有持续供氧的漏风条件；③具有良好的蓄热条件。分析自然发火的条件可以看出：自燃的第1个和第3个条件与浮煤的厚度相关，只有煤层达到一定厚度才具备蓄热条件；自燃的第2个条件与氧气浓度相关，只有氧气浓度达到一定值后才能维持浮煤的氧化反应。因此，氧气浓度场分布和采空区浮煤厚度分布可以正确反应采空区浮煤的自燃环境和自燃条件，利用这2个指标就可以将采空区科学地划分为空间自燃三带。

2.3自燃三带划分的方法

自然发火是煤氧复合发生反应的结果，在进行采空区空间自燃三带划分时，不仅要考虑采空区氧气浓度的分布，还要考虑煤自然发火的物质基础[5]———煤的分布，只有把氧气浓度C与浮煤厚度h分布相结合，才能正确反应综放采空区浮煤的自燃状态。具体划分办法有以下3种。

1）散热带。综放采空区散热带是指具备充足的供氧条件但不具备蓄热条件的区域，或者具备充足的供氧条件但浮煤厚度h小于极限厚度hmin或没有浮煤的区域，其判定条件为（C>18%）∪（10%≤C≤18%∩h

2）氧化升温带。氧化升温带是指具备充足的供氧条件和良好的蓄热条件，煤自燃产生的热量只有部分被带走，所剩热量能维持煤继续氧化升温的区域，其判定条件为（10%≤C≤18%）∩（h>hmin）。

3）窒息带。窒息带是指由于不具备维持煤继续自燃升温的供氧条件，煤氧化反应减缓或停止的区域，其判定条件为C

三、结论

综放采空区冒落空间很大，而且在空间高度上存在着大量的浮煤，传统上把采空区简化为二维平面的自燃三带划分方法，已不能够反映综放采空区浮煤的实际自燃状态，必须建立三维空间的思维方式，才能科学合理地对综放采空区进行自燃三带划分。这种划分方法既考虑了采空区的漏风风场、氧气浓度场，又考虑了浮煤的堆积状态，理论上合理，实践上可行。对综放采空区空间自燃三带的划分结果表明：沿采空区走向上，采空区氧化带的范围分布并不均匀，在进风巷侧的范围大，回风巷侧次之，采空区中部氧化带的范围最窄。在垂直高度上，采空区氧化升温带范围，紧近工作面后方较窄，逐步变宽，随着高度的降低，氧化带的范围逐步变宽。这些结果与现场实际非常吻合。

参考文献

[1]杨宏民，牛广珂，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.

[2]陈全.采空区“三带”划分指标的研究[J].煤炭工程师，1997（3）：12-15.

[3]张国枢，戴广龙.煤炭自燃理论与防治实践[M].北京：煤炭工业出版社，2002：85-91.

[4]邸志前.放顶煤综采采空区“三带”的理论计算与观测分析[J].中国矿业大学学报，1993，22（1）：8-15.

[5]李树刚.综放采空区冒落特征及瓦斯流态[J].矿山 压力与顶板管理，1997，（3，4）：76-78