采空区自然发火“三带”测定及自燃防治技术研究

于国志 李富强 郑 馨

（沈阳焦煤股份有限公司红阳三矿，辽宁 辽阳 111307）

红阳三矿北二1210-2 工作面最大采深-948 m，该工作面为下覆回采煤层，属于Ⅲ类不易自燃，最短发火期87 d。在回采过程中有两条（5 m 宽和10 m 宽）煤柱一直伴随回采结束，煤柱上层不采煤层遗落在采空区内，容易引起自然发火，对防火工作非常不利。为了防止矿井在回采过程发生煤自燃灾害，保证矿井安全生产，有必要通过双参数（O2—CO）的浓度值来分析划分采空区自然发火“三带”宽度和发火危险程度，有针对性地采取正确可靠的防火措施，为矿井火灾防治提供科学依据。

1 地质概况

红阳三矿北二1210-2 工作面所采煤层为12 煤与13 煤的复合煤层。12 煤由12-1 煤和12-2 煤组成，12-1 煤平均厚1.60 m，12-2 煤平均厚1.45 m，两层煤层间距平均为1.00 m，夹矸岩性为泥岩。12-2 煤与13 煤层间距为1.30 m，夹矸岩性为细砂岩。

工作面设计为三巷布置，“W 型”通风，两侧顺槽入风，中间顺槽回风，工作面面长409 m。其中工作面上段长181 m，回采13 煤，下段长228 m，回采12-2 煤与13 煤，工作面可推进长度为929 m。

紧邻北侧1#运输顺槽（下顺）有4.5 m 宽12煤与13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤将会留在顶板；1210-2 中顺回风顺槽北侧间隔9 m 后，有10 m 宽12 煤与13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤和部分12-2 煤将会留在顶板，未采的12 煤层会垮落至采空区内，有自然发火隐患。

该工作面共有断层18 处，其中落差＜0.5 m 有1 处，0.5 m ≤落差＜1 m 有8 处，落差≥1 m 有9 处。

2 自然发火测定

2.1 测定方法

煤炭氧化后随着氧化进程的不同将依次释放出各种气体，这些气体的出现及释放量基本能准确反映煤炭氧化自燃程度。因此，准确地分析煤炭氧化自燃所放出的气体及其浓度，能够及时地预测预报煤炭自燃情况，为防治工作提供科学指导。

该测定利用向采空区内埋入的束管取气样化验分析，采用双参数（O2—CO） 的浓度值确定采空区自然发火“三带”宽度和发火危险程度，采用综合数据分析能够更准确地判断不同区间段的自然发火情况，更加充分保证“三带”范围划分下防火措施应用的科学性、合理性。

2.2 采空区自燃“三带“划分依据

根据实际情况及现场测定技术条件等因素影响，采用以氧气浓度划分法为主，辅助CO 浓度测定，判断“三带”区段内自然发火发展程度。

3 个区段内的O2浓度随采空区垮落密实度的不同而漏风风速不同，O2浓度会发生变化。根据O2浓度值的大小，将采空区内自然发火划分为“三带”，即散热带（O2≥18%，）、氧化升温带（18%＞O2＞7%，）、窒息带（O2≤7%）。

煤炭自燃的决定性因素是氧气浓度的供给。通过测定采空区氧气浓度的大小，作为划分氧化自燃“三带”的依据，由于束管监测系统的应用，使之变得简便可行。通过采空区预设取样束管，结合气相色谱仪，对采空区气体成分进行监测分析，这是目前应用最广泛的一种方法，也是最有效的实测方法。这种实测方法的关键在于采空区测点的设置。

2.3 采空区测点布置

该测定点布置在有煤柱的下段工作面，沿工作面方向布置7 个测点。在下顺槽贴近煤帮布置第一个测点。根据煤柱卸压角保护范围计算，得出了采空区不易冒落区，该区应布置测点，即在靠近下顺槽5 m 宽煤柱边沿的下风侧布置第2 个测点。第6个测点布置在10 m 宽煤柱边沿的上风侧，第7 个测点布置在回风顺槽正对采空区内，其他3 个测点按照50 m 间距，均匀布置。每个测点布置一根束管，并用Φ4 mm 带有螺纹丝口的铁管做外套保护，防止束管进入采空区后被砸断，每回采1.4 m 延接一次护套管，并使用黄泥封堵护套管内孔，同时每天人工对束管取一次气样使用气相色谱仪进行化验。测点束管布置如图1。

图1 测点束管布置示意

2.4 测定数据分析

通过现场实测数据可以发现，O2浓度分布场在采空区内具有一定的规律，但受采空区边界保护煤柱及多种物理因素影响又有不同，如图2。

图2 束管监测O2 曲线图

靠近入风巷道侧采空区内的散热带宽度为28 m、氧化升温带宽度为30 m，靠近回风巷道侧采空区内的散热带宽度为13 m、氧化升温带宽度为15 m，中部采空区散热带宽度为13 m、氧化升温带宽度为15 m，如图3。

图3 北二1210-2 采空区自然“三带”区间分布图（m）

分析图2、图3 可知，受采空区保护煤柱影响，靠近入回风侧煤帮10 m 左右范围内的采空区散热带和氧化升温带区间都要比采空区中部宽15 m，靠近回风侧煤柱附近前后1～2 m 范围内进入散热带和氧化升温带滞后采空区中部4～5 m，说明煤柱未采煤层进入采空区后比再生顶板要有更好的完整性，较大的块体之间更容易形成空隙。从测定数据可以看出，排除受煤柱的因素影响，“三带”的分界线基本与工作面平行，再生顶板下开采破碎的采空区顶板垮落基本一致，靠近回风顺槽侧的采空区没有形成与工作回风压力相等的低负压涡流区，说明“W型”通风方式无回风隅角，采空区漏风风流运移轨迹呈一次方程流动。

检测数据显示，从进入采空区开始就有CO，其浓度入风巷道侧采空要比采空区中部和回风侧采空区值要小，且其出现的要晚。监测数据显示CO浓度与O2浓度成反比，并且在氧化升温带区间内没有明显的增长，进入窒息带后浓度值保持一个较平稳的状态，没有出现自然发火迹象。采空区CO测定曲线如图4。

图4 采空区CO 浓度测定曲线图

在测氧法划分出采空区自燃“三带”后，通过自然发火标志性气体CO 对其辅助验证。数据分析显示，在散热带：CO 浓度没有增加，说明测定的散热带没有蓄热条件，没有自然发火危险；氧化升温带：CO 浓度稍有升高，有轻微氧化现象，说明采空区漏风风速的降低构成了蓄热和氧化条件且没有将产生的CO 及时稀释冲淡，应加强重视遗煤在氧化升温带内的防火措施；窒息带：CO 浓度较氧化升温带又稍有升高，O2浓度降到2%～7%之间后，CO 浓度处在比较平稳状态且没有发展到自然发火浓度值，没有因为在千米地温蓄热和煤氧化蓄热条件下出现自然发火迹象。采用双参数（O2—CO）测定采空区自燃“三带”的技术应用及测定点的布置方式通过实际应用得到了验证，符合采空区自燃“三带”的划分标准，技术应用是可行和可靠的。

3 自然发火防治措施

3.1 CO 来源分析及防火重点

北二1210-2 采煤工作面为下覆开采，在上覆开采中留有平均100 mm 厚的浮煤，在上覆回采过程中遗留在采空区中，期间与O2充分接触后出现CO，吸附在遗煤和垮落的顶板碎矸缝隙中。在该回采过程中与细碎的再生顶板一起暴露在工作面及液压支架后面，从工作面顶板落煤及碎矸中检测到（1～1.5）×10-5浓度的CO，即可证明再生顶板和上覆遗煤中存有CO。

根据采空区气体运移规律，从采空区入风侧到回风侧的气体浓度值是叠加的，越靠近回风侧巷道其值越高。从检测数据观察在本层煤回采中没有出现明显增长趋势，煤柱附近测定的CO 浓度较其他测定浓度值相对要大，但还没有达到自然发火浓度临界值以上，且其不是成线性不断增长，说明本层开采从工作面煤层暴露开始到进入采空区窒息带期间没有严重的自然发火危险。

煤柱上部的1.6 m 厚的煤体落入采空区后会垮落形成较多破碎面，与O2接触后极易氧化、蓄热产生自然发火隐患，因此重视煤柱的防火及正确防火措施的采取是今后防火工作的重点。

3.2 防火措施

从采空区自燃“三带”测定的数据，分析得出重点防火位置是入回风巷道煤帮、两条煤柱及有一定厚度的顶板遗煤。在遗煤进入采空区58 m 以后就已经完全进入窒息带，以后便可以不用采取防火措施。

目前实际采取的措施：

（1）向两条煤柱及其附近和有顶板遗煤的位置注入能够完全覆盖遗留在采空内遗煤的白泥；

（2）向入回风巷帮铺挂防灭火材料，达到煤帮与O2隔绝，防止出现氧化；

（3）在入风顺槽向采空区埋入注砂管，每回采20～30 m 时向采空区注一次砂，通过压力控制注砂量，起到封堵采空区漏风目的；

（4）控制回采进度，在为期35 d 回采距离58 m 的“三带”测定数据显示中没有出现自然发火，证明35 d 的自然发火期没有达到最短发火期，时间上是安全的，月回采58 m 是安全距离，即确定在采取以上防火措施的情况下，一个月内平均每天的推进度的安全距离是不小于1.66 m。

4 结语

运用O2浓度值的大小测定出北二1210-2 工作面“三带”范围，运用CO 浓度值验证“三带”区段的自然发火的发展程度。采空区自然“三带”划分结果表明，沿采空区走向上，采空区氧化带的范围非线性分布，入风巷道侧区段宽度最大，煤柱段次之，采空区其他部分基本一致。从采空区自燃“三带”测定的数据，结合工作面回采实际，分析得出重点防火位置是入回风巷道煤帮、两条煤柱及有一定厚度的顶板遗煤，以此为指导，提出了注白泥、铺挂防灭火材料、埋注砂管、控制回采进度等治理措施，起到了良好的防灭火效果。