厚煤层综采工作面采空区自燃发火“三带”研究

【摘 要】根据工作面实际情况，在工作面风、机巷设置测点，对采空区内的气体成分及温度情况进行测定，通过分析，合理确定采空区煤自燃“三带”划分，为13-1煤层其它类似综采工作面在防灭火设计方面提供科学依据，对类似条件下的工作面防灭火治理具有一定的借鉴意义。

【关键词】采空区；自燃；三带

0 引言

煤炭自燃火灾是矿井安全生产的主要灾害之一。如何防止和减少火灾的损失是目前煤矿面临的重要的问题题。采空区自燃“三带”的划分是矿井防灭火基础工作的重要内容之一，只有较准确地掌握了采空区“三带”的分布范围，才能在制定各种防灭火措施时做到有的放矢，为防灭火工作提供科学依据[1-2]。

1 工作面概况

试验工作面111304工作面为走向长壁后退式开采，该工作面切眼平均长度300.8m，工作面煤厚1.39～5.9m，平均煤厚4.9m。工作面采高为3.5m～5.8m。属于大采高综采工作面，煤层倾角为4°～21°，平均倾角为13°；工作面采用”U”型上行通风方式，工作面机巷进风、风巷回风；工作面所在13-1煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，最短发火期为36天。

2 采空区自燃“三带”的划分

2.1 采空区煤自燃“三带”划分依据

目前划分“三带”的指标主要有三种：

（1）采空区漏风风速V，即V>0.9m/s为散热带；1.2≥V≥0.02m/min为自燃带；V

（2）采空区氧浓度（C）分布，即C

（3）温度升高速率。在较长的一段时间内采空区遗煤温升速度1℃/d，则为自燃带。

根据采空区漏风与氧气浓度的大小，可将采空区的煤炭氧化自燃区域划分为三个带，即采空区煤炭氧化自燃“三带”，第一带为不自燃带，这个带氧气充足，漏风流速大，有氧化但无蓄热条件，氧化的热量被漏风带走。第二带为自燃带，由于采空区上覆岩层的冒落与逐渐压实，采空区漏风减少，这是既有充足的供氧条件，又有良好的蓄热环境，故煤炭最易于自然。第三带为窒息带，在自燃带之后，采空区冒落的岩石不断被压实，氧气浓度下降到8～10%以下的窒息浓度。在自燃带已自燃的煤炭到了窒息带也因氧气浓度的减少而窒息熄灭。

本次试验主要根据采空区氧浓度结合温度变化情况分析确定采空区煤自燃”三带”。

2.2 观测点的布置

本次试验采用真空抽气法和热电偶测定法，考虑到现场实际情况，采用试验现场埋管（束管采样器），通过束管抽取采空区气样，应用气相色谱仪分析，得出采空区气体浓度变化规律，并通过埋设的温度探头测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区自热变化与分布规律，确定综采工作面自燃“三带”的分布范围。在工作面风、机巷同时布置采集气体的束管和观测遗煤温度的热电偶，上、下风巷中分别布置。

3 采空区实测数据结果分析

3.1 采空区氧气浓度变化

根据采空区氧气浓度实测结果的分析可以得出：

（1）随着工作面的推进，采空区内氧气浓度逐渐下降，进风侧从距工作面20m后，回风侧从距工作面12m后开始氧气浓度开始有明显的下降趋势，进风侧的氧气浓度下降的比回风侧更缓慢，这是由于进风侧受到进风巷的通风动压惯性作用，所以氧浓度下降的比较缓慢。

（2）若采用氧气浓度进行划分，以氧气浓度20%作为散热带和氧化带的临界浓度，以10%作为氧化带和窒息带的临界浓度。从进风侧氧气浓度分布图2中粗线可以看出，氧气浓度为20%的位置处在距工作面20m处，氧气浓度为10%的位置处在距工作面105m处；从回风侧氧气浓度分布图3中粗线可以看出，氧气浓度为20%的位置处在距工作面12m处，氧气浓度为10%的位置处在距工作面95m处。

（3）从以上分析可得，若以氧浓度作为“三带”划分标准，进风侧氧化带的位置为距工作面20～105m，回风侧氧化带的位置为距工作面12～95m。

3.2 采空区温度变化

根据111304工作面采空区温度实测数据分析：

（1）从温度曲线分析可得，随着工作面的推进，进风侧的各测点的温度一直在31.0～40.0℃之间徘徊，最高温度39.72℃。回风侧温度一直在33.0～43.0℃之间，最高温度42.20℃。上风侧温度略高于下风侧。

（2）从进风侧各测点的温度分布图4可知，在距工作面20m采空区范围内，平均温度较低，不超过34℃，并变化缓慢，这说明在这范围内漏风大，采空区处于漏风范围，遗煤氧化缓慢，采空区处于不燃带；在距工作面20～80m采空区范围内，随着工作面的推进，采空区温度逐渐升高，并且升高速度加快，说明煤炭发生氧化升温，进入自燃带。当采空区达到80m以后，采空区温度随工作面向前推进，温度开始略有下降的趋势，说明煤氧化速度明显下降，进入窒息带。这与进风侧氧气浓度的分布判断采空区内“三带”的分布基本吻合。

（3）从回风侧各测点的温度分布图5可知，在距工作面10m采空区范围内，平均温度较低，不超过35℃，并变化缓慢，这说明在这范围内漏风大，温度不容易聚集；在距工作面10～70m采空区范围内，随着工作面的推进，采空区平均温度逐渐升高，采空区遗煤处于氧化升温阶段。当采空区达到70m以后，采空区温度基本不变，然后开始下降，说明采空区逐渐进入压实带，进入窒息阶段。这与回风侧氧气浓度分布判断采空区内“三带”的分布基本吻合。

3.3 采空区煤自燃实测“三带”分布

111304工作面煤自燃实测“三带”主要按照采空区氧浓度变化规律进行划分，划分依据为：氧气浓度分别以20%作为散热带和氧化带的临界浓度，以10%作为氧化带和窒息带的临界浓度，并结合考虑采空区温度的变化规律，得到该工作面进、回风侧煤自燃“三带”范围如表1所示。

4 结论

（1）通过实测采空区内氧浓度、温度的分布规律，得到采空区进风侧自燃带的范围为20―80～110m，回风侧自燃带的范围为10～15―70～95m。

（2）在自燃带范围内，氧气浓度在10%～20%之间，供氧条件充分，漏风风量小，具有良好的蓄热环境；当工作面推进超过110m以后，氧浓度下降至10%以下，各测点温度开始下降，进入采空区窒息带。

（3）试验所测得该工作面采空区内温度的分布规律与采空区内煤氧化耗氧分布规律吻合，以此说明实测结果基本符合现场实际。

（4）影响工作面采空区自然发火的主要因素是工作面推进速度和采空区漏风分布，应加快工作面推进速度和加强采空区漏风控制，在工作面上、下隅角封堵向采空区漏风时采用不燃材料代替碎煤，减少采空区内煤自燃的物质基础，对防止采空区遗煤自燃，可起到重要作用。

【参考文献】

[1]徐精彩，张辛亥.常村煤矿 2106 综放面采空区"三带"规律及自燃危险性研究[J].湖南科技大学学报，2004，19（3）：1-4.

[2]谢中朋，庞庄煤矿采空区“三带”范围确定及防灭火技术研究[J].华北科技学院学报，2014（1）：59-61.