魏墙煤矿工作面采空区自燃“三带”划分

崔魏 崔峰

摘要：采煤工作面采空区自燃“三带”划分是煤矿井下防灭火工作的重要基础。本文基于魏墙煤矿1313工作面采空区自燃“三带”的现场实测和分析，确定了魏墙煤矿3号煤层工作面采空区自燃“三带”的分布规律。研究成果对魏墙煤矿采空区防灭火具有一定的指导意义。

关键词：自燃;采空区;魏墙煤矿

0 引言

矿井火灾是煤矿的主要灾害之一，其中自然发火是最常见的矿井火灾[1-3]。因此合理确定采煤工作面采空区自燃“三带”划分划分是煤矿井下防灭火工作的重要基础。只有准确、适时地掌握采空区自燃“三带”的划分，才能及时采取有效措施预防[4，5]矿井自然发火灾害的发生。

魏墙煤矿3号煤为Ⅰ类自燃煤层，为预防煤炭自燃，需进行工作面采空区自燃“三带”测试。采用现场埋设抽气管路，通过管路抽取采空区气样，送入气相色谱仪进行分析，得出采空区各种气体浓度变化规律，并通过埋设的温度探头测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区自热变化与分布规律，确定工作面合理的回采进度，为制定符合客观实际的防灭火措施提供依据。

1 现场测试方案的确定

采空区自燃“三带”的测定，应有正确合理的测点布置方式及先进的技术测试设备与手段，通过采空区温度和气体的成份变化规律的测定，正确全面的分析煤炭氧化变化规律，并得出魏墙煤矿3号煤工作面的自燃“三带”分布。

本项目采用高精度万用表作为测试仪表，测温元件采用集成温度传感器AD590（测温范围为-55℃～+150℃，非线性误差为±0.3℃）;以色谱仪分析采空区气体成份为依据，获得综采工作面采空区内与自然发火有关的各种基础参数，在此基础上合理确定综采工作面各种防灭火技术的具体工艺。

1.1实施的具体内容

现场试验采用埋设抽气管路的方法，通过管路抽取采空区气样，送入气相色谱仪进行分析，得出采空区各种气体浓度变化规律，并通过埋设的温度探头测定采空区温度变化情况，从而研究分析出采空区自热变化与分布规律，确定综采工作面自燃“三带”的分布范围。并以此为理论依据，合理确定各种综放面防灭火技术的具体工艺参数及合理的工作面回采进度，制定符合客观实际的防灭火技术方案。

1.2测试管路与测点布置

1）测点的设置

抽气管和温度传感器AD590的布置方式采用两顺槽埋管的方式。由于现场条件的限制，在工作面两顺槽共设6个测点，测点设置示意图见图1。

2）铺设方法及采样

①将3寸无缝钢管截成每根6m长，两端焊接快速接头，沿两顺槽靠近外侧铺设，再将抽气管与测温导线一齐穿入套管内，套管之间用快速接头连接牢固。

②采样周期为每日采样一次，通过采样器在井下抽取采空区气样至气囊中，带到地面送入氣相色谱仪分析。并每日测定温度一次，从而得出随工作面推进采空区的温度和O2、CO、CO2、CH4、C2H2等气体的浓度变化规律。

③记录每日工作面的推进度，以便推算测点距工作面的距离。

1.3数据记录与整理

根据参数测定结果记录每天各测点的温度和气体成份（CO、O2、CO2、N2、CH4、C2H6、C2H4、C3H8、C2H2）及浓度变化情况。根据变化曲线分析采空区煤炭氧化规律、采空区气体分布变化规律及煤炭自燃“三带”。

2 魏墙煤矿1313工作面采空区温度及气体成份实测数据

2020年9月19日至2020年10月3日，对魏墙煤矿1313综采面采空区煤炭自燃“三带”进行了实测。

将每天采集的气样，进行气相色谱分析。通过色谱分析发现：所有气样中都未检测出乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）、丙烷（C3H8）、乙炔（C2H2）产生，气样中的甲烷浓度容易受到煤层本身瓦斯赋存的干扰，1313工作面瓦斯含量较低，且对采空区自燃“三带”划分无参考价值，故不做分析。

3 魏墙煤矿1313采空区温度及气体成份变化规律分析

3.1采空区温度实测分析

对魏墙煤矿1313工作面采空区温度实测分析可知：

（1）胶运顺槽、回风顺槽中各测点温度均呈现先上升后下降趋于平稳的趋势。由于工作面严格按照煤层顶底板进行回采，采空区遗煤量少，因此采空区温度整体升高幅度在3～4℃，升幅较小。回风顺槽中三个测点最高温度分别为：4#为29.6℃，5#为30.6℃，6#为30.1℃;胶运顺槽中三个测点最高温度分别为：1#为28.9℃，2#为29.2℃，3#为30.1℃。

（2）回风顺槽三个测点在距离工作面0～45m左右范围内温度升高较为缓慢，变化范围不大，45～146m范围内温度升高较快，146m左右后温度呈现下降趋势。胶运顺槽三个测点在0～80m范围内温度升高较为缓慢，80～170m范围内温度升高较快，170m左右后温度呈现下降趋势。

3.2采空区氧气浓度实测分析

魏墙煤矿1313工作面各测点采空区氧气浓度实测结果表明：

（1）回风顺槽一侧工作面推进至45m左右各测点氧气浓度降低至18%，各测点氧气浓度降低至18%的位置分别为：4#测点45m，5#测点47m，6#测点44m。各测点进入窒息区域（氧气浓度低于6%）的位置为：4#测点为距工作面146m，氧气浓度为5.35%;5#测点为距工作面158m，氧气浓度为5.96%;6#测点为距工作面160m，氧气浓度为5.87%。

（2）胶运顺槽一侧工作面在推进至75m左右各测点氧气浓度降低至18%，各测点氧气浓度降低至18%的位置分别为：1#测点81m，2#测点76m，3#测点74m。各测点进入窒息区域（氧气浓度低于6%）的位置分别为：1#测点为距离工作面176m，氧气浓度为5.74%;2#测点为距离工作面178m，氧气浓度为5.35%;3#测点为距离工作面180m，氧气浓度为5.28%。

（3）各测点氧气浓度随着工作面的推进，氧气浓度逐渐下降，胶运顺槽一侧氧气浓度在74m后氧气浓度降至18%，回风顺槽一侧氧气浓度在44m后氧气浓度降至18%，氧气浓度下降缓慢。胶运顺槽一侧74m以后，回风顺槽一侧44m后氧气浓度下降较快。分析可能原因为：测点刚埋入采空区后，由于顶板垮落未能压实，漏风严重，导致氧气浓度下降缓慢，随着测点继续埋入采空区深部，矿山压力作用下顶板垮落压实，氧气浓度下降趋势较快。

参考国内外的一些划分依据并结合现场实际情况，以氧气浓度在6%～18%为自燃带的标准对采空区自燃“三带”进行划分。根据各测点氧气浓度变化趋势划分采空区自燃“三带”范围如表1所示。

从各个测点氧气浓度的分布规律分析：魏墙煤矿1313工作面采空区靠近胶运顺槽一侧自燃“三带”的范围是从工作面向采空区的距离：散热带<74m，自燃带74～180m，大于180m为窒息带。采空区靠近回风顺槽一侧自燃“三带”的范围是从工作面向采空区的距离：散热带0～44m，自燃带44～160m，大于160m为窒息带。

4.3采空区一氧化碳浓度实测分析

魏墙煤矿1313工作面采空区一氧化碳浓度实测结果可知：在整个测试过程中回风顺槽中3个测点（4#、5#、6#测点）监测到CO气体，CO最大浓度分别为18.6ppm、20.5ppm、18.1ppm。

通过对采空区一氧化碳、温度实测及结合煤层自燃标志性气体测试分析认为，CO气体可能来源于周围邻近采空区。

4.4采空区二氧化碳浓度实测分析

1313工作面采空区二氧化碳浓度实测结果分析可知：

（1）从各测点二氧化碳释放浓度分析可知：随着测点至工作面距离的增加，CO2释放量也相应逐渐增加。1#测点的最高值为0.31%、2#测点为0.42%、3#测点为0.31%、4#测点为3.18%、5#测点为3.43%、6#测点为3.50%。通过测试结果可以看出回风顺槽一侧CO2浓度明显高于胶运顺槽一侧，这是因为受漏风路线的影响从而造成的。

（2）从各测点的CO2浓度分析，随着测点距工作面距离的增加，各测点浓度也存在一定的变化，说明采空区内各处有不同程度的煤炭发生氧化。

4.5魏墙煤矿 1313工作面采空区自燃“三带”范围划分

工作面采空区自燃 “三带”通常是根据氧气浓度为标准的进行划分，项目参考国内外相关文献以及结合现场实际情况，主要以氧气浓度6%～18%为自燃带的标准进行划分，同时以采空区内温度变化规律进行辅助验证。划分结果为：

回风顺槽一侧：散热带0～44m，自燃带44～160m，窒息带>160m。

胶运顺槽一侧：散热带0～74m，自燃带74～180m，窒息带>180m。

实测采空区自燃“三带”范围如图2所示。

对魏墙煤矿1313回采工作面现场采空区内氧气浓度进行实测，采空区内氧气浓度在75m左右维持在18%，实测自燃“三带”范围较大，说明采空区内漏风情况较为严重，分析认为主要以下两点原因造成：○11313回采工作面推进速度为15m/d左右，较快的推进速度造成采空区冒落不实，采空区内孔隙率大，风流渗入较远;○2在辅助运输巷内采用局部通风机通风，巷道内风压为正，且在矿压作用联络巷密闭墙可能产生裂隙，从而引起联络巷密闭处存在一定程度漏风。

4.6魏墙煤矿1313工作面最低推进速度计算

由以上测试分析可知，魏墙煤矿1313工作面最大散热带宽度为74m时自燃带宽度为106m，3号煤层实际条件下最短自然发火期为33天，则预防采空区自燃的工作面最低推进速度可按下式计算：

Vi>（Lz+Lb）/T m/月=（106+74）/33*30=163.6 m/月

式中：Vi ——工作面推进度，m/月;Lz——自燃带宽度，106m;Lb——散热带宽度，74m;T——最短发火期，月。

考虑足够的安全系数（取1.2），则建议1313回采工作面预防采空区自燃推进速度为Vs>1.2*163.6m/月=196.3 m/月。

4 结论

（1）通过现场实测回采工作面采空区内部温度、气体成分变化规律，以氧气浓度在6%～18%为氧化自燃带标准进行自燃“三带”范围划分，同时以温度变化规律辅助验证。魏墙煤矿1313回采工作面采空区自燃“三带”范围为：

回风顺槽一侧：散热带0～44m，自燃带44～160m，窒息带>160m。

胶运顺槽一侧：散热带0～74m，自燃带74～180m，窒息带>180m。

（2）最低推进度计算：根据划分的自燃“三带”范围，计算出魏墙煤矿1313回采工作面最低推进速度为196.3 m/月。

参考文献：

[1]王德明.矿井火灾学[M].徐州：中国矿业大学出版社，2011.

[2]張九零，朱定，朱壮.煤变质程度对煤自燃特性的影响[J].矿业安全与环保，2020，47（3）：42-44.

[3]梁运涛，侯贤军，罗海珠，等.我国煤矿火灾防治现状及发展对策[J].煤炭科学技术，2016，44（6）：1-6+13.

[4]邓军，李贝，王凯等.我国煤火灾害防治技术研究现状及展望[J].煤炭科学技术，2016，44（10）：1-7.

[5]鲜学福，王宏图，姜德义等.我国煤矿矿井防灭火技术研究综述[J].中国工程科学，2001，3（12）：28-32.

[6]褚廷湘，余明高，李龙飞.采空区遗煤自燃环境信息识别及预报指标确定[J].中国安全科学学报，2014，24（8）：151-157.

第一作者简介：崔魏（1983—），男，陕西渭南人，采矿工程师，现任陕西陕煤陕北矿业有限公司韩家湾煤炭公司安全副总，18691232816，289728270@qq.com。