综放工作面防灭火三带测定与研究

【摘 要】综放面在正常回采期间，确定采空区后浮煤自燃危险区域非常重要。根据综放工作面开采后采空区遗煤自燃特点，采用实验测定的关键参数，结合现场可测参数，推算现场不同条件下引起煤体自燃的极限参数，判定实际条件下综放工作面“三带”分布规律，自燃危险区域和安全推进速度，为综放面自燃针对性预防奠定基础。

【关键词】采空区“三带” 遗煤自燃 划分条件 观测及分析

1 采空区“三带”划分的理论与分析

1.1 采空区浮煤自燃极限参数

根据能量守恒原理，采空区浮煤自然氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热量之和时，才可能引煤体自然升温，即采空区浮煤氧化放热能引起升温必须满足下式：

式中： 、 分别表示工作面风流密度（g.cm-3）和热容（J.g-1. ℃-1）； 为采空区内部距工作面的距离（cm）； 为实验测定煤的放热强度（J.cm-3.s-1）； 为浮煤导热系数（J.s-1.cm-1）； 为采空区内漏风速度（cm/s）。

因此，采空区遗煤自燃必须要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚；要有足够的氧浓度使浮煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能；漏风强度不能足够大以致于让风流将产生的热量带走。

1.1.1采空区最小浮煤厚度

若把采空区浮煤看成是无限大平面通过岩体传导散热，漏风强度很小。认为是一维漏风，煤体内的温度近似认为均匀，则（1）式化为

即当浮煤厚度 时，松散煤体不能引起自然升温， 为最小浮煤厚度。从（4）式可以看出： 随煤温、漏风强度、工作面的距离三个参数而变化。根据（4）式，可计算出不同煤体温度和漏风量时的最小浮煤厚度。

1.1.2采空区极限氧浓度

因氧化放热强度 与氧浓度成正比，即：

从（7）式可以看出；Cmin随煤温、漏风强度、工作面距离和浮煤厚度四个参数变化。忽略风流焓变散热时，可得出不同浮煤厚度和煤体温度时的下限氧浓度值。

1.1.3采空区极限漏风强度

当采空区浮煤厚度大于 ，又有足够的氧浓度，且风流为一维流动，流速是个常数，则（1）式化为：

当漏风强度 时，煤体就不可能引起自然升温，称 为极限漏风强度。从（10）式看出 随煤温、工作面距离、浮煤厚度三个参数变化。

1.2 采空区遗煤自燃“三带”划分条件

采空区遗煤自燃大体可划分为三个带，即散热带、氧化升温带和窒息带。这三个带在生产工作面呈动态变化，主要受工作面推进速度影响。

（1）散热带。采空区散热带是指在某一定温度下，虽然有足够的氧浓度，煤体能得以充分的氧化放热，但产生的热量始终小于或等于散发热量的所有点的集合。

散热带的判定条件为：

（2）窒息带。采空区缺氧窒熄带是指在某一温度下，虽有足够的浮煤厚度和蓄热条件，但由于氧浓度低，使得产生的热量小于或等于散发热量的所有点的集合。

窒熄带的判定条件为：

（3）氧化升温带。采空区氧化升温带是指在某一温度下，产生的热量大于散发热量的所有点的集合。

采空区氧化升温带的判定条件为：

综放面采空区三带范围的静态划分见图1。

2 综放工作面采空区“三带”观测及分析

2.1 测点的布置

采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，即沿工作面回风顺槽上帮、进风顺槽下帮各敷设1根￠75mm长度150m的钢管，钢管内各布置单芯束管3条，顺槽内监测点间隔50m，共埋设束管监测点6个，沿尾梁间隔30m埋设监测点5个，总计11个监测点，在如图2所示。

预埋束管外套2英寸钢管对其进行保护，探头外套3寸钢管进行保护。为了监测采空区真实气体分布，防止采空区积水堵塞束管，并便于束管埋设，采空区束管进气口距离底板高度为均在1m左右。进风顺槽上帮、回风顺槽下帮束管及套管布置如图3所示。

2.2 观测过程

观测工作是通过采空区预埋管路进行气样分析，掌握采空区气体浓度随工作面推进的变化情况；同时测定工作面风量、气体浓度等参数等。各监测点均利用束管监测系统抽取气样，分析的气体成分为O2、CO、CO2、及CH4等烃类气体。根据测定的结果，对数据分析处理，得出综放面采空区氧气浓度、漏风强度、三带分布平面图。

2.3 现场观测结果及分析

根据工作面推进情况、氧气浓度分布以及漏风强度分布情况对现场观测进行分析与得出结论。根据测定采空区不同位置气体浓度。据监测数据，拟合出采空区进风巷、回风巷以及尾梁5个监测点具有典型代表性氧浓度的变化规律。

采空区能引起煤自燃的漏风强度很小，漏风渗入采空区，风流中的氧不断消耗。假定漏风流仅沿一维流动，当松散煤体内漏风强度恒定不变时，则漏风强度与氧浓度关系：

式中：C、C0分别为实际氧浓度和标准氧浓度（取9.375×10-6 （mol.cm-3））； 、 、分别为松散煤体在实际氧浓度和标准氧浓度中不同温度下的耗氧速度， 为松散煤体表面漏风强度； 、 分别为松散煤体内部和表面的坐标。

2.4 采空区浮煤自燃极限参数确定

采空区遗煤自燃必须要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚；要有足够的氧气浓度能使浮煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能；漏风强度不能过大，以免产生的热量让风流带走。

3 结语

根据自然发火实验测定的煤放热强度和耗氧速度，工作面的实际情况和回采率确定出的采空区浮煤厚度分布；通过向采空区埋管测出采空区的氧气浓度分布，并由氧浓度分布推算出漏风强度分布；运用浮煤自燃数学模型计算出采空的极限参数，划分砂墩子矿N4002综放面采空区自燃“三带”和危险区域，推算出安全推进速度，可以得出：

（1）采空区“三带”划分主要依据是采空区浮煤厚度、氧浓度、漏风强度的分布，这个区域是正常生产煤自燃防治的重点范围。

（2）为了保障该面在观测期间不出现自燃隐患，工作面均采用正常的防灭火技术措施，如注氮等措施。在这些措施采取的基础上，采空区三带和类似矿井综放面三带划分结果类似，说明正常推进过程中这些防火措施还是对防止采空区内煤自燃起到了很大的作用。

作者简介：李伟（1991—），男，山西朔州人，专科，潞安新疆煤化工集团有限公司，砂墩子矿，助理工程师。研究方向：煤矿工作面防灭火三带测定与研究。