基于温度和O2浓度的采空区“三带”分布规律研究①

杨忠东

(开滦(集团)有限责任公司，河北唐山 063018)

1 矿井及工作面概况

崔家寨矿井位于河北省蔚县矿区的北部，为开滦集团蔚州矿业公司下属生产矿井，煤种主要为褐煤、长焰煤。各煤层均属于易自燃煤层。由于煤质容易自燃、井下采空区和小煤窑沟通复杂等情况的存在，崔家寨矿井下煤层自然发火情况非常严重，严重影响矿井的安全生产。为掌握井田采空区自然发火规律，为预防煤层自然发火工作提供理论依据，决定在E12604工作面进行采空区“三带”观测。E12604工作面走向长度570 m，倾斜平均长度135m，东邻已回采的E12606工作面，西邻 E12602工作面回风巷。采煤方法为综采倾斜长壁、一次采全高采煤方法。煤层平均厚度为3～3.2 m，采高为2.8～3 m。

2 E12604工作面采空区“三带”观测方法与观测数据

采空区“三带”观测方法分为温度观测方法和O2浓度观测方法，本次研究两种方法综合应用。在与 E12604回风巷相邻的已掘出的E12602回风巷内，打了5个通向 E12604面回风巷的观测钻孔，其中1#～3#观测钻孔中布置了热电偶测温线，1#～5#观测钻孔中均布置了束管，E12604工作面采空区观测测点布置如图1所示。

图1 E12602工作面回风巷观测钻孔布置示意图

2.1 采空区温度观测

根据在E12602回风巷内钻孔内的3个热电偶观测E12604采空区内温度变化情况如图2所示。

2.2 采空区气体变化分析

在E12602回风巷的5个观测钻孔中预先布设好束管，利用SG－2003型矿井火灾束管监测系统对采空区气体变化情况进行了连续监测，对采空区气体连续进行取样化验分析，得到了相应的O2浓度与工作面推进度的观测数据，观测结果如图3～图7所示。

图2 E12604工作面推进期间采空区温度变化(从E12602工作面钻孔观测)

图3 1号钻孔测量的采空区氧气浓度变化

图4 2号钻孔测量的采空区氧气浓度变化

图5 3号钻孔测量的采空区氧气浓度变化

图6 4号钻孔测量的采空区氧气浓度变化

图7 5号钻孔测量的采空区氧气浓度变化

3 E12604工作面采空区“三带”划分

3.1 采空区温度变化分析

由于3#钻孔观测距离太短，这里仅就1#、2#两个钻孔测量的温度变化进行分析。

1号钻孔:冷却带大约23 m左右，工作面推进到75 m左右时，出现了44℃左右的高温点，当工作面推进到170 m左右时，采空区温度趋于稳定。

2号钻孔:冷却带大约23 m左右，工作面推进到122 m左右时，采空区温度趋于稳定。

3.2 采空区O2浓度变化分析

按照采空区氧气浓度来划分的“三带”范围一般是:扩散带的O2浓度:大于18%;氧化带的O2浓度:8% ～18%;窒息带的O2浓度:小于8%。

分析由束管观测数据得到采空区O2浓度与工作面推进度关系，可以得出:

1)1号钻孔观测结果:工作面推过19 m时，采空区内O2含量降到了14.389%。工作面在推过80.6 m时，采空区内O2含量降到了7.9144%。

2)2号钻孔观测结果:工作面推过30.5 m时，采空区内O2含量降到了18.2082%。工作面在87 m时，采空区内O2含量降到了6.4512%。

3)3号钻孔观测结果:工作面推过34.4 m时，采空区内O2含量降到了17.0665%。工作面在推过 97.5 m时，采空区内 O2含量降到了7.7182%。由于10月4日至6日束管被堵，7日重新在3号、4号孔更换安装一条束管进行取样，由此推测3号孔实际进入窒息带的距离应该大约在89.5 m左右。

4)4号钻孔观测结果:工作面推过98 m时，采空区内O2含量降到了6.4369%。

5)5号钻孔观测结果:工作面在推过76.1 m时，采空区内O2含量降到了7.8245%。

3.3 采空区“三带”划分

根据采空区温度和O2浓度的变化，综合以上测定分析数据，E12604工作面的扩散带宽度为23 m左右，氧化带的宽度大约为70～100 m，其后为工作面的窒息带。

4 采空区温度分布的数值模拟研究

根据E12604工作面的具体条件，分别取回采工作面推进速度为0.6 m/d、3.6m/d、5.9m/d、8 m/d及10 m/d进行采空区自然发火模拟。数值模拟结果表明，当其它条件相同时，随着推进速度的降低，采空区内最高温度越来越高，当每天割一刀煤(即0.6 m/d)时采空区的最高温度可以达到80℃以上，如果工作面正常推进3.6m/d时，采空区的最高温度也不超过42℃，当工作面推进速度达到5.9 m/d，时，则采空区的最高温度也不超过35℃。煤样实验结果表明，30～60℃是崔家寨矿采空区煤炭氧化自热前期，此阶段氧化速率缓慢，不会自然发火。这证实了推进速度是影响采空区自然发火的主要原因，所以加快回采工作面推进速度是防止采空区自燃的最好措施之一。崔家寨矿井下实际统计表明，当工作面月推进度达到75 m以上时，未出现过自然发火隐患。

图9 推进速度为3.6m/d时E12604工作面采空区温度分布图

5 结论

1)根据采空区温度和O2浓度的变化，综合以上测定分析数据，E12604工作面的扩散带宽度为23 m左右，氧化带的宽度大约为70～100 m，其后为工作面的窒息带。采用两种方法研究采空区的“三带”分布，使得结论更为可靠。

2)数值模拟研究表明，当工作面正常推进时，采空区不会自燃发火。因此，加快回采工作面推进速度是防止采空区自燃的最好措施之一。崔家寨矿井下实际统计表明，当工作面月推进度达到75 m以上时，未出现过自然发火隐患。

［1］ 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

［2］ 孙勇，张人伟，等.综放开采采空区自然发火规律实测分析研究［J］.煤炭科学技术，2008，(5):52－55

［3］ 管维生，张显峰.热电偶测温技术在矿井防灭火中的应用［J］.华北科技学院学报，2005，(3):31－33