近距离煤层群开采上覆煤层自燃危险区域探测技术

邢 震

(1.中煤科工集团 常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

近距离煤层群开采上覆煤层自燃危险区域探测技术

邢 震1，2

(1.中煤科工集团 常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

针对近距离煤层群采空区自然发火隐蔽高温区难以识别问题，采用分布式光纤温度探测技术对火源高温点监测，以及井下近距离抽气的束管探测技术对气体异常点监测。根据近距离煤层群开采遗煤分布特征及漏风规律，布置符合现场实际情况的气体测点，通过现场观测结果研究了采空区内温度分布及气体分布规律。结果表明：光纤测温结合近距离束管抽气的方法能较全面地监测近距离煤层群开采上覆煤层自燃关键参数变化，同时对类似矿井火区探测研究具有较好的借鉴意义。

近距离；煤层群；上覆煤层；采空区；火区探测

煤层群开采埋深较浅，煤层之间距离小，开采过程中相邻煤层会相互影响[1-3]。特别是上覆煤层开采完成形成采空区，开采本煤层时由于负压作用与上覆煤层的大量层间及地表裂隙形成漏风通道，且由于现有开采方式导致进回风巷道遗留的煤较多，形成了遗煤自燃的物质基础，一旦热量积聚足够，上覆煤层及开采煤层采空区都容易发生自然发火现象，加大了火区高温火源点的辨识难度，从而使有毒有害气体治理难度加大[4-6]。因此采用有效的监测手段及时识别出隐蔽高温区域，是煤层群开采自然发火治理的重点[7-8]。

目前对于采空区煤自燃的监测常用的有光纤测温系统及井上束管监测系统，光纤测温系统能有效监测采空区煤自燃的温度，解决煤自燃采空区监测的难题，由于其采用特殊的测温光缆作为传感器，仅能做到沿线的监测，对于采空区内未能布置光纤的其他区域，则无法监测，容易形成盲区。而现有井上束管监测系统存在管路长、容易漏气、实时性差、气体检测周期长等缺点，实际应用中，无法得到有效数据。采空区煤自燃多参数监测装置集成现有光纤测温系统及井下束管监测系统的优势，采用以光纤测温为主，井下束管监测为辅的方法，可以有效地解决近距离煤层群开采上覆煤层采空区自然发火的监测难题。

1 现场概况

试验矿井主采煤层为1号、2号煤层，煤层平均间距约为50m，均采用综合机械化开采方式。其中1号煤层工作面倾向长度为200m，预留煤柱18m，该煤层已经开采完毕，现正在开采2号煤层。1号煤层的2个工作面之间的煤柱恰好位于试验工作面上部，由于1号煤层工作面停采时间较长，大量裂隙已被压实，透过1号煤层直接顶的漏风忽略不计，因此渗流区域为1号煤层顶板至2号煤层底板之间。

2 煤矿火灾多参数监测系统概况

隔爆兼本安型煤矿火灾多参数监测装置(以下简称为“监测装置”)置于煤矿井下，可以实现温度的连续分布式监测和CO，CO2，CH4，O2的实时在线监测。其中温度监测采用光纤测温的原理，以特殊的多模感温光纤为传输通道和感温介质，通过与监测装置连接，便可以发射光信号测沿线温度，每隔1m布设1个测点，对于光缆的另一端无需作任何处理，监测装置最多可以连接20路感温光缆；对于气体的监测采用井下束管监测的原理，通过监测装置内部的抽气泵获取动力，将远端监测点的气体通过布置的束管传输到监测装置，利用传感器分析气体浓度，井下束管不超过2000m，大大缩短了束管长度，解决了束管漏气等问题，每个监测装置共设计8路气体管路接入通道。

2.1 系统组成

采空区煤自燃多参数监测预警系统主要由地面监测主机及软件、传输网络、井下多参数监测装置、束管(含滤尘器)、束管分路箱(含滤水器)、测温光缆组成。

2.2 技术指标

(1)运行方式 24 h自动分析或人工设定。

(2)系统容量 每个分站8 路束管。

(3)气体测量 CO：0～1000×10-6；CO2：0～5%；CH4：0～100%；O2：0～25%。

(4)温度测量 无源分布式测量。测温范围：-20～120℃；通道数目：4～20可选；单通道最大测量距离：30km；温度误差：≤3%(相对于满量程)；定位精度：≤±2m。

图1为煤矿火灾各参数监测系统架构。

图1 煤矿火灾多参数监测系统架构

3 综放采空区现场观测

3.1 测点布置

采空区温度测点首先要布置在容易发生自燃的区域，采空区两巷遗煤较多，容易形成良好的蓄热环境，最易发生煤自燃，因此温度监测点首选布置在采空区两巷。

采用束管监测方法对采空区内气体分布规律进行研究，对巷道密闭墙进行安装气体监测测点，密闭墙相距约50m，束管需用50.8mm的钢管防护。

图2为温度及气体测点布置情况。

图2 温度及气体测点布置情况

3.2 测点防护

为了保护光缆，设计了一种采空区煤自燃分布式测温光纤的防护装置，包括钢管和与钢管相连通的软管，软管的内径不小于钢管的外径，软管的端部套设在钢管端部的外侧。在布置分布式测温光纤时，在一般区域铺设钢管；如在采空区内部、停采线撤架位置以及密闭墙等特殊位置，则设置与钢管相连通的软管。钢管的导热性好，便于在管内设置冗余盘，预留光纤，便于施工作业。软管在具备良好导热性能的同时柔韧性好，可以在采空区、停采线撤架位置以及密闭墙等特殊位置进行弯曲、盘绕，对测温光纤起到保护作用(图3)。

图3 测温光缆防护装置

采空区及回风巷预埋的束管进气口与底板之间的距离应不小于1.15m，其目的是为了监测不同区域气体的浓度，避免束管堵塞且方便布置束管，如图4所示。

图4 综放面采空区埋管观测探头布置

4 监测结果分析

4.1 温度监测结果

2号光缆位于回风巷，有限监测距离为28m，综采工作面电气化程度较高，机械、电气设备等散热量较大，温度监测结果显示整体温度较高。图5所示为同一条光缆在不同时期的温度分布情况。

图5 回风巷温度监测情况

光缆初始埋入回风巷时，其末端着位于回风隅角位置，监测的是整个试验工作面轨道巷的温度，经过对比可以知道光纤测温监测的结果与现场温度传感器监测的温度一致，测量结果可信，可以看出末端温度略高于巷道温度，即回风巷内沿风流方向温度逐步降低，这与实际情况是一致的；随着工作面的推进，光纤逐步被埋入采空区，第6d光纤被埋入采空区约有15m，可以看出温度有明显的升高现象，可以判断采空区内由于蓄热环境良好，出现了氧化，导致温度升高；工作面推进第9d光缆被埋入采空区约有27m，此时工作面处于停采状态，风量逐渐变小，风流带入采空区的热量显著变小，采空区内温度续集主要来源于煤的氧化放热。而漏风通道的存在使得采空区不同区域煤的放热强度有所不同，因而导致温度差异，呈现先升高后降低的规律，可以判断，回风巷内散热带范围是从停采线至采空区内7m的区间，氧化升温带范围为8～22m的区间，窒息带范围为采空区内22m至深部区域。

4.2 气体监测结果

经过长达2个月的观测，研究采空区不同区域的气体浓度。气体测点不动，而工作面在向前推进，记录了不同时刻固定位置的气体分布规律，由于整个工作面推进速度相对于煤自然发火的过程较快，因此可以看作同一时刻不同位置的气体分布情况。根据现场实时观测数据拟合出采空区O2浓度分布规律，O2浓度随着距离工作面距离的加大呈现递减规律，且随着距离工作面距离的增加，背着速度逐步减缓。依据工作面推进180m的过程中对测点的数据所绘制的曲线能够反映出工作面继续推动下，该采空区的O2浓度分布规律，见图6。

图6 采空区O2分布规律

采空区中测点的O2浓度随着工作面与测点之间的距离增加而减小。由于采空区进风处的顶板不垮落，使得该处成为采空区的漏风通道，观测过程中进风口位置的浓度变化并不大。在工作面向前推进的过程中，O2浓度随着采空区深度的变大而呈现出减小的趋势。观测完成时，最终O2浓度降低到5%以下。采空区回风侧测点的O2浓度变化比较大，而且随着工作面推进，测点的O2浓度在不断下降。最后到检测周期结束时O2浓度也减小到了一定程度。因为漏风的位置与进风处的距离比较短，导致虽然位置比较相似，但是回风处观测点与进风处观测点相比其O2浓度更小。而且测点处的O2浓度随着与工作面的距离变大而减弱。当高位巷开始抽采瓦斯，且测点位于采空区时浓度减小的趋势变弱，这是由于抽采负压使得漏风程度增加而导致的。

采空区的进风处分布的氧化带较大，所以自燃现象出现的概率较大。进风侧CO浓度可以反映整个采空区的情况，研究煤层自燃的情况可以在现场抽取采空区进风处的CO浓度进行观测，随着工作面的推进呈现出来的趋势如图7所示。

图7 进风侧3个测点CO浓度变化规律

该曲线与自燃的“三带”分布趋势相吻合，在工作面推进过程中，3个测点CO的浓度均呈现出从零开始逐步增加的趋势，当工作面推进9d时3个测点浓度最大，此时1号测点距离工作面约90m，2号测点距离工作面约110m，3号测点距离工作面约130m，3个测点的CO值均达到70×10-6以上，意味着自燃带里面的遗煤出现了低温氧化的现象，煤的温度开始增加，这时该区域的浮煤或许已经临近自燃的温度。

5 结束语

(1)针对浅埋煤层群开采隐蔽火源位置难以识别的特点，采用新研发的煤矿火灾多参数监测系统可大范围、高效率、24h实时监测高温火源点位置，为煤层群开采自然发火提供先进的监测手段。

(2)为避免煤层群开采自然发火应该防止煤层间及地表漏风，以免引起大面积高温区域，一旦有CO等指标气体异常情况，应该采用煤矿火灾多参数监测系统，利用分布式光纤测温及井下就地束管监测原理，锁定高温火源点，实现高温火源点的有效治理。

[1]张辛亥，李 昊，等．补连塔煤矿上覆采空区大面积火区综合治理技术研究[J].煤炭工程，2014，46(2)：52-54.

[2]张辛亥，席 光，陈晓坤，等．近距离煤层群开采自燃危险域划分及自燃预测[J].煤炭学报，2005，30( 6)：733-736.

[3]韩春晓．高瓦斯煤层群煤柱综采工作面立体抽采技术研究与实践[J].煤矿开采，2015，20 (4)：118-119，129.

[4]马 曙，杨明涛，李晓华，等．高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽采及防灭火技术实践[J].煤矿开采，2012，17(1)：83-85.

[5]王长元，王正辉，岳超平．易燃高瓦斯综放面煤层自燃综合防治技术[J].矿业安全与环保，2007，34 ( 5)：56-58.

[6]邵 昊，蒋曙光，王兰云，等．尾巷对采空区煤自燃影响的数值模拟研究[J].采矿与安全工程学报，2011，28(1)：45-50.

[7]周瑜苍，郭 璋，李朝辉．特厚易自燃煤层综放工作面自燃三带划分及防灭火技术[J].煤矿开采，2016，21(1)：105-107.

[8]徐圣集．冯家塔矿易自燃煤层采空区火区火源探测研究[J].煤矿开采，2016，17(3)：93-95.

[责任编辑：李 青]

Spontaneous Combustion Danger Zone Detection Technology of Overlying Coal Seam with Contiguous Coal Seam Group Mining

XING Zhen1,2

(1.CCTEG Changzhou Research Institute，Changzhou 213015,China；2.Tiandi(Changzhou) Automation Co.，Ltd.，Changzhou，213015，China)

In order to solve the difficulty problems that contiguous coal seam group goaf spontaneous combustion conceal high temperature could not distinguished easily，and then distributed optical fiber temperature measurement technology was applied in fire source high temperature monitoring，and gas outlier was monitored with underground contiguous gas extraction tube bundles detection technology.According left-over coal distribution characters and ventilation leakage law of contiguous coal seam group mining，and the test points that conformed the practical situation was layout，and goaf temperature distribution and gas distribution law were studied according observation results in field.The results showed that overlying coal seam spontaneous key parameters of contiguous coal seam group mining could be monitored fully with compound method of optical fiber temperature measurement and contiguous tube bundles，and it references for similar situation.

contiguous；coal seam group；overlying coal seam；goaf；fire detection

2016-11-07

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.02.024

国家重点研发计划：煤矿重大灾害感知技术和装备(2016YFC0801804)

邢 震(1987-)，男，山东临沂人，硕士，助理研究员，现从事煤矿灾害治理及监测相关工作。

邢 震.近距离煤层群开采上覆煤层自燃危险区域探测技术[J].煤矿开采，2017，22(2)：96-99.

TD752.1

A

1006-6225(2017)02-0096-04