孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究

秦荣宏，翟小伟

(1.徐州矿务集团，江苏 徐州 221000；2.Barapukuria Coal Mining Company Limited Chowhti,Parbatipur,Dinajipur Bangladesh;3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；4.西部矿井开采及灾害防治教育部 重点实验室，陕西 西安 710054)

孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究

秦荣宏1，2，翟小伟3，4

(1.徐州矿务集团，江苏 徐州 221000；2.Barapukuria Coal Mining Company Limited Chowhti,Parbatipur,Dinajipur Bangladesh;3.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；4.西部矿井开采及灾害防治教育部 重点实验室，陕西 西安 710054)

针对孟巴矿二分层1203工作面采空区特厚遗煤在高地温高湿环境下存在二次氧化的复杂性特点，采用工作面两巷预埋管路人工取气观测及数值模拟采空区内O2浓度场的方法，以O2浓度及CO浓度为指标划分了采空区煤自燃“三带”范围，确定了工作面的最小安全推进速度为2.8m/d，为二分层工作面自燃火灾防治提供了依据。

高地温；高湿；特厚遗煤；煤自燃

SpontaneousCombustionRuleofExtremely-thickResidualCoalinGobofMengbaCollieryunderHighTemperatureandHighHumidityEnvironment

矿井采空区煤自燃火灾严重威胁着矿工的生命与煤矿的安全生产，大量理论与实践研究表明，煤自燃“三带”划分可以有针对性地指导采空区煤自燃防治[1]，但由于不同矿区煤层自燃倾向性不同，开采环境及方式有所区别，自燃的预测指标和“三带”划分依据也并不相同。目前采空区煤自燃“三带”的预测指标与划分依据主要有O2浓度、CO浓度、C2H2浓度、温度与漏风强度[2-5]等。针对孟巴矿二分层工作面在高地温高湿环境下采空区遗煤量大、存在二次氧化等诸多因素影响煤自燃的复杂性，采用工作面两巷铺设束管取气分析以及采空区内氧浓度场数值模拟的方法，以O2浓度和CO浓度作为指标划分了自燃“三带”范围，为二分层工作面采空区煤自燃防治提供了依据。

1 工作面概况

孟加拉巴拉普库利亚煤矿(以下简称孟巴矿)是孟加拉国兴建的第1个年产1.0Mt的现代化矿井，目前分层开采VI煤层，煤层厚38.0～40.52m，平均39.14m，变质程度低，极易自燃。二分层1203工作面位于井田南翼采区下山南侧，采用综合机械化采煤法开采，其上方为一分层1103工作面采空区，分层间有3.3～6.5m的煤柱，采空区内遗煤量大。工作面处于高地温环境，煤岩初始温度在40℃以上，为保证工作面作业温度环境，配风量为1300m3/min，煤系地层顶部存在含水层，工作面最大涌水量可达200m3/h，采空区内受高温、高湿环境及一分层遗煤二次氧化影响导致煤自燃危险性较大。

2 采空区煤自燃危险区域观测方法

2.1 测点布置

在工作面进、回风两巷预留束管及测点，束管预留长度为150m，束管外用φ50mm钢管进行保护，两巷各设置2个测点，分别编号1号、2号，测点间距50m，测点布置如图1所示。由于涌水量较大，为防止采空区积水堵塞束管，每个探头抬高1.5m以上。同时在探头外用留有孔的铁箱罩住，整个管路尽量贴近煤壁以防挤压。

图1 采空区“三带”观测测点布置

2.2 气体采集及分析

主要采用气体法，对预埋束管人工抽气色谱分析气体成分。随着工作面的推进，预留测点进入采空区的深度发生变化，根据推进度测算进入采空区深度，每天定时人工采样分析，测定在采空区不同深度时的气体情况。

3 观测结果及分析

3.1采空区浮煤厚度

在引起煤自然发火的4个因素中，松散煤体的堆积状态及厚度是提供煤体自燃的物质基础[6]。根据现场条件，1203工作面顶煤厚度较大，后部采空区内留下大量遗煤，同时有一分层1103采空区内二次氧化浮煤，其自燃倾向性更大[7]。根据2个分层间距及一分层采空区遗煤量，结合采出率与空隙率(按照30%计算)，推算出采空区浮煤厚度范围为4.7～9.3m。

3.2 两侧采空区气体分布

煤自燃过程其实就是煤氧复合反应的过程，煤分子结构与氧发生物理、化学吸附及化学反应，该过程所产生的反应物CO浓度能够衡量煤自燃的程度，故研究O2浓度及CO浓度的变化规律可以用来分析采空区自燃规律。

3.2.1 回风侧采空区气体分析

根据观测数据，得到回风侧采空区距工作面不同距离的O2浓度与CO浓度，如图2所示。

图2 回风侧测点O2及CO浓度随距工作面距离变化

随着工作面的推进，测点进入采空区的深度逐渐增加，回风侧采空区内O2浓度呈下降趋势。在测点刚进入采空区10m时，O2浓度降到18%左右，此时下降速度开始加快，同时CO气体产生速度加快；在20m位置CO浓度达到最大值时O2浓度降到10%，之后O2浓度下降速度降低，CO浓度开始下降；在45m时O2浓度达到3%以下，CO浓度基本消失。在20～45m范围内虽然O2浓度下降速度降低，CO浓度仍较高，仍存在氧化自燃现象。由于高地温及水分的作用[8-11]，煤体在与空气接触初期，CO浓度较高，氧化程度大，增加了煤自燃的危险性，因此，在1203工作面推进的过程中，回风侧10～45m范围是防灭火的重点区域。

3.2.2 进风侧采空区气体分析

根据观测数据，得到进风侧采空区不同距离的O2浓度与CO气体浓度规律，如图3所示。进入采空区65m之前，O2浓度维持在18%以上，O2浓度下降速度较慢，同时未检测到CO气体，在65m之后O2浓度下降速度加快，同时CO气体产生量增加，在O2浓度为12%时达到最大，在进入采空区115m时O2浓度达到3%以下，CO气体基本消失。在高地温环境下，为降低作业环境温度，工作面配风量较大，导致进风侧采空区内漏风较大，O2浓度降低较慢，产生的CO气体经风流稀释作用，浓度较低。在65～115m范围内煤体既有良好的蓄热环境，同时又有足够的O2浓度，煤体氧化速度较快，自燃危险性大，是煤自燃防治的重点区域。

图3 进风侧1号测点O2及CO浓度随距工作面距离变化

1203工作面两巷采空区O2浓度的分布在进风侧范围比较大，同一位置的O2浓度，进风侧比回风侧普遍偏大，同时CO气体与O2浓度的分布有较好的相关性，可辅助作为“三带”范围的划分指标。

3.3 采空区内部O2浓度场数值模拟

在现场检测数据的基础上，根据多孔介质流体力学原理，采用FLUENT数值模拟软件对1203综采面采空区内部O2浓度场进行了数值模拟。根据工作面实际情况，建立采空区三维模型长200m，宽130m，计算区域划分网格为非结构性网格，浮煤中网格在x，y，z3个方向上步长为0.2m，岩石中步长为0.5m，共划分网格1690000个。

由于煤自燃过程非常缓慢，因此可以认为在正常生产中采空区的渗流、扩散及化学反应是稳态过程，采空区温度保持不变，利用如下控制方程[12]：

(1)

父母亲倒是没有多大改变，三年时间在岁月的长河中，毕竟也只是弹指一挥间。风影在心底里最惦念的，依然还是那个红琴，他便向母亲打听她的消息。母亲幽然叹了口气，说这个娃子也忒怪，像是中了什么邪，以前活蹦乱跳的一个人，现在都不愿说话了，见了生人就躲起来，有时候见了熟人也不打声招呼，还一天到晚的躲在楼上不下来，神经兮兮的，你说怪不怪？在母亲看来，红琴八成是落了洞，即被什么山洞里的什么神掳去了灵魂，配了阴婚，得了相思病什么的。风影似乎明白了什么，他瞟了一眼随身带来的竹笛子，心中有了主意。

回风侧O2浓度拟合方程：

y=2×10-6x5-3×10-4x4+0.0171x3-0.4262x2+3.8512x+7.7254

(2)

进风侧O2浓度拟合方程：

y=-3×10-7x4+4×10-5x3-0.0019x2+0.0264x+20.55

(3)

图4为综采面采空区O2浓度模拟结果，由图4可以得出，1203工作面采空区内部O2浓度分布范围较大，中部O2浓度分布与进风侧相近，O2浓度3%时在工作面后方110m左右，靠近回风侧O2浓度分布范围相对较小。

图4 1203综采面采空区模拟O2浓度分布规律

4 采空区煤自燃规律分析

4.1 煤自燃危险区域分布规律

现阶段采空区煤自燃危险区域的判定主要采用“三带”划分方法，针对确定的氧化升温带进行重点防治。根据两巷采空区内O2浓度与CO气体的分布情况，确定散热带的判定条件为：C>18%；窒息带的判定条件为：C<3%；氧化升温带的判定条件为：3%

根据采空区O2浓度进行自燃“三带”分析，分析结果如图5所示，氧化升温带宽度在工作面进风侧最大，达50m左右，工作面回风侧氧化升温带的宽度较小，约为35m，在工作面中部为35～50m，平均为40m左右。

图5 1203工作面采空区“三带”分布

煤层自然氧化首先发生在工作面氧化升温带，氧化升温带越宽，推进速度越慢，煤体自然氧化的时间越长，越容易自燃。采空区进风侧氧化升温带宽度最大，因此最有可能发生煤层自然氧化。采空区回风侧氧化升温带离工作面较近，对工作面生产影响最大。

4.2 最小安全推进速度

(4)

式中，νmin为工作面极限推进速度，m/d；Lmax为工作面氧化升温带最大宽度，m。

1203工作面氧化升温带最大宽度Lmax=50m，孟巴矿VI煤层变质程度低，极易自燃，根据之前的发火经验及高地温影响确定其自然发火期低于20d，以采空区初始温度为40℃计，推测采空区浮煤最短自然发火期τmin=18d，确定采空区发生自燃的工作面极限推进速度为：

νmin=Lmax/τmin=50/18=2.8(m/d)

因此，当采煤工作面的推进速度大于2.8m/d时，正常开采条件下，采空区内自然发火危险性较小；当工作面推进速度小于2.8m/d，且连续超过18d时，采空区将有发火危险，必须采取相应的防灭火措施。

5 结论

(1)以O2与CO浓度为指标划分了孟巴矿1203工作面的煤自燃“三带”，确定回风侧采空区氧化升温带范围为10～45m，进风侧采空区氧化升温带范围为65～115m。

(2)以氧化升温带的最大宽度和最短自然发火期为依据，确定出该工作面的最小安全推进速度为2.8m/d。

(3)回风侧氧化升温带距离工作面近，氧化产生的CO气体对工作面正常生产影响较大，应在加强监测的同时，对回风侧采空区内重点采取灌浆注胶等防灭火措施。

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[责任编辑：施红霞]

2014-02-10

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.028

秦荣宏(1963-)，男，江苏高邮人，采矿高级工程师，现任徐州矿务集团有限公司孟巴项目部总经理、党总支书记。

秦荣宏，翟小伟.孟巴矿高地温高湿环境采空区特厚遗煤自燃规律研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：100-102，69.

TD752.1

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1006-6225(2014)05-0100-03