不同回采进度与煤质条件下采空区自燃“三带”划分

王庆国，杨 帅，杨 程

（沈阳焦煤股份有限公司红阳二矿，沈阳 辽宁 110106）

0 引 言

采空区自燃三带的划分是防范采空区自燃的重要基础[1-2]。作为高产量、高效率的采煤技术，综放开采已在国内普遍使用，能大幅度提高煤炭生产效率及产量。但与此同时，这项技术为采空区也带来了巨大的安全隐患，遗留下大量的浮煤让采空区的自然发火问题空前严重[3]。煤炭的自燃一般发生在氧化带。因此，为了确保安全生产的正常进行，应该科学合理地确定采空区自燃“三带”的范围，可以增强防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的效果，有效预防自然发火事故，将对预防采空区的自然发火及保障综采工作面的安全生产具有十分重要的现实意义。

漏风风速、氧气浓度和温升是划分采空区自燃“三带”的三个标准[4-5]。其中采空区氧气浓度最能反应煤的氧化程度。氧气含量的大小，反映遗煤氧化的供氧条件和蓄热条件，根据采空区内氧气浓度的分布就可以确定三带的范围。具体划分标准如下：散热带氧气浓度＞18%；5%＜氧化带氧气浓度＜18%；窒息带氧气浓度＜5%[6-7]；从理论来讲温度是反应煤自然发火程度的最直接的指标，然而煤是热的不良导体，采空区内煤岩的热量传递过程十分复杂，很难掌握采空区各个区域的温升变化，因此，温度指标在三带划分中一般作为辅助指标。红阳二矿通过感温光纤监测采空区温度变化，尝试使用温升划分采空区自燃“三带”。

1 工作面概况

红阳二矿位于沈阳市苏家屯区红菱堡镇南红村，矿井瓦斯相对涌出量19.84m3/t，绝对瓦斯涌出量58.76m3/min,属于煤与瓦斯突出矿井，瓦斯抽放造成煤层破碎严重，影响了采空区自燃“三带”的范围；煤为Ⅰ级易自燃煤层，煤层自燃发火期为81-202天，采用“U”型通风方式，在开采过程中存在采空区遗煤自然发火的隐患。因此划分采空区“三带”范围对于防止遗煤自燃和保证回采工作安全高效进行具有重要意义。为了探究回采进度以及煤质条件对采空区自燃“三带”分布的影响，红阳二矿对1203、1204、1301采煤工作面采空区的自然“三带”进行划分，1203、1204、1301采煤工作面与煤层介绍如表1、表2所示。

表1 采煤工作面位置及井上下关系表

表2 工作面煤层情况

2 监测系统布置方式

2.1 监测束管布置方式

采用矿用分布式激光火情监测系统分别对1203、1204、1301采煤工作面采空区内气体进行监测，采用可调谐激光二极管吸收光谱技术实现气体浓度检测，其中氧气作为划分自燃“三带”范围的指标气体；防止被采空区垮落岩体砸断，埋入采空区的束管外部套2寸钢管进行保护；采空区气体通过气体采样泵组从监测点远端抽取到激光火情监测主机实现对采空区气体的连续监测，同时在气体采样泵前安装束管过滤箱，实现除水和滤尘的功能，能够适应井下采面多尘多水的环境。

在采煤工作面回风侧提前布置气体监测束管。其中1203采煤工作面布置4根气体监测束管，分别为1203采空区1号束管、1203采空区2号束管、1203采空区3号束管、1203采空区4号束管；1204采煤工作面布置两根气体检测束管，分别为1204采空区1号束管、1204采空区2号束管；1301采煤工作面布置两根气体检测束管，分别为1301采空区1号束管、1301采空区2号束管。三个采煤工作面束管测点布置如图1所示。

图1 采煤工作面采空区束管（红线）测点布置

2.2 感温光纤布置方式

在采煤工作面回风侧提前布置感温光纤，并通过光纤测温系统实现对采空区温度的实时监测。光纤测温系统由光纤测温模块、感温光纤、信号隔离模块、电机控制和隔爆兼本安电源模块五部分组成。光纤测温模块负责光纤测温信号处理、测温数据显示和上传；感温光纤负责现场的温度信号采集；信号隔离模块实现电机控制信号、电机状态信号和测温模块的通讯信号转换；电机控制实现对系统的采样泵电机控制；隔爆兼本安电源模块负责给本系统其它设备提供12V直流本安电源。

3 束管测定结果分析

3.1 采空区氧气浓度变化

采空区氧气浓度与推进距离关系如图2、图3、图4所示。其中对1301采煤工作面采空区进行三次氧气浓度监测，并取三次监测平均值作为划分采空区自燃带的依据。在推进距离较小时，氧气浓度维持在18%以上，属于散热带，这是由于岩块破碎严重，漏风较强，散热充分；随着推进距离增加，氧气浓度呈下降趋势，由于采空区内垮落的岩石逐渐被压实，漏风减小，且遗煤不断进行低温氧化，氧气浓度呈下降趋势，测点进入氧化带；随着工作面继续推进，垮落的岩块进一步被压实，漏风量更小，遗煤继续进行低温氧化，氧气浓度更低，测点进入窒息带。总体上来看，1203、1204与1301三个工作面采空区内氧气浓度随着推进距离的增大而减小，变化速率有所差异，这与煤质条件以及回采进度有关。

图2 1203工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系

图3 1204工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系

图4 1301工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系

3.2 采空区温度变化

从光纤温度数据分析可得，随着工作面的推进，1203、1204与1301三个工作面采空区测点的温度处于在一个比较稳定的状态，无温度过高的异常情况。从温度数据方面考虑，目前还没有发现温度变化的可行性规律对采空区“三带”进行划分，因此在划分“三带”范围过程中没有考虑将温度的监测结果作为判定采空区自燃“三带”范围的基础数据。

3.3 采空区自燃“三带”划分

工作面采空区内氧气浓度作为划分自燃“三带”依据，1203、1204与1301三个工作面采空区自燃“三带”划分如表3所示。1203工作面采空区散热带长度64.8m，氧化带长度44.2m；1204工作面采空区“散热带”长度为30.8m，“氧化带”长度为93.2m；1301工作面采空区“散热带”平均长度16.9m，“氧化带”平均长度11.8m。三个工作面自燃“三带”对比可以得出，1301工作面采空区的“三带”范围较短，这是由于13煤层与其它两个工作面在煤质条件上的差异导致；然而1203工作面与1204工作面虽然同属12煤层，但是在自燃“三带”范围上却有着很大的差别，根据综合数据分析，造成这种差异的原因很可能是回采进度所引起（见表4）。1204工作面的回采速度要大于1203工作面的回采速度，这使得1204工作面采空区提前进入氧化带，并且其氧化带范围增大，因此在采煤工作面空区防火工作中，确定工作面合理的回采速度也是十分重要的，对采空区防灭火起着很重要的作用。确定了自燃“三带”范围和回采速度，可以有效增加对防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的预防效果，进而有效预防自燃事故的产生。当确定了采空区的自燃“三带”后，在采空区内最易自燃区域内注防灭火材料，从而破坏漏风供氧和蓄热环境，消灭煤炭自燃。

表3 自燃“三带”划分

表4 工作面回采进度对比

4 结论

红阳二矿在采煤工作面采空区自燃“三带”的划分主要以采空区氧气浓度作为主要依据，即氧气浓度分别以18%作为散热带和氧化带的临界浓度，以5%作为氧化带和窒息带的临界浓度。在确定自燃“三带”范围的基础上，通过采煤工作面回采速度与煤质的对比分析，进一步了解回采速度与煤质对采煤工作面采空区自燃“三带”的影响，对于指导采空区防灭火具有重要意义。通过对1203、1204与1301三个工作面采空区自燃“三带”划分，可以得出以下结论：

1）氧气浓度作为自燃“三带”划分标准，与漏风风速、温升相比，干扰因数较少，数据结果较为明显；

2）影响工作面采空区自然发火的主要因素是采空区漏风分布，而产生漏风的原因之一就是回采速度的影响，当回采速度过快，采空区顶板的岩石跨落不够充分，漏风率增大，使采空区氧化带长度增加，容易导致自然发火，所以应该确定合理的回采速度，加强采空区漏风控制，采空区漏风时在工作面上、下隅角封堵采用不燃材料，减少采空区内自燃的物质基础，这对防止采空区自燃起到重要作用；

3）煤质条件对工作面采空区自燃“三带”的分布也起到重要的影响，煤的挥发性越大，采空区的“氧化带”越短，煤自燃危险性越小。因此在确定回采速度以及采空区防灭火措施时，也应充分考虑煤质条件，制定合理的防灭火措施。