薄煤层采空区自燃三带划分及危险性分析

丁 胜，张光明，王 瑞

(滕州市东大矿业有限责任公司，山东 枣庄 277514)

0 引言

薄煤层综采工作面采空区煤自燃在矿井进行生产时具有很大的危险性，通过监测煤自燃时产生的标志性气体，掌握煤层自燃“三带”(散热带、自燃带、窒息带)的分布情况，对于准确、有效地实施“三带”的分布规律，对于安全生产具有重要意义。雷焱云通过现场监测和数值模拟研究氧化带与风量变化的规律关系[1]。刘玉龙等[3 -5]通过束管监测系统进行监测预警有效指导煤矿的安全生产工作。周建等[6 -7]通过研究工作面推进速度和自然发火之间的关系，利用最小安全推进速度有效指导现场进行安全生产。陈晓坤等[8 -10]对自燃“三带”进行划分并对采空区自燃危险性进行预测。

利用束管监测系统监测工作面采空区内气体变化情况，结合采空区内的遗煤状况和煤的氧化升温实验，基于煤样升温氧化实验及标志性气体浓度变化情况，研究得出东大煤矿12118工作面的采空区自燃“三带”的分布规律。采用印度学者贝纳基提出的预测方法进行危险性分析，研究分析12118综采工作面的自然发火危险度。以煤的自然发火期和最小安全推进速度作为12118综采工作面不同推进速度下的自然发火防治指标，为薄煤层综采工作面自燃火灾的防治提供依据。

1 工作面概况及观测方法

12118综采工作面煤层赋存主要为12下煤，纯煤厚度1.45 m，属于薄煤层综采工作面，黑褐色条痕油脂光泽，暗煤为主，夹有亮煤，有硫化铁结晶体，夹矸厚0.02～0.32 m，平均0.3 m，岩性为泥岩、碳质泥岩。顶板为砂泥岩互层，灰色藻层状细砂岩与灰黑色泥岩交互韵律明显夹炭化植物化石。抗压强度为34.3～58.8，普氏硬度系数为3～6，中等稳定性，使用全部垮落法处理采空区。

12118综采工作面通过防治温度传感器和铺设束管的方式对采空区内的温度和气体监测。在轨道巷和皮带巷分别布置3路监测管路，2个温度传感器分别设置在管道端点，通过单侧3个测点来保证数据的连续性和可靠性。每个监测点都安设束管装置，并使用钢管和三通对束管和测点加以保护，防治束管被堵塞和损坏。管路布置如图1所示。

图1 东大煤矿12118综采工作面采空区三带观测管路布置Fig.1 Observation beam tube layout of the three zones of goaf in 12118 fully mechanized mining face of Dongda Coal Mine

随着工作面的推进，温度传感器和束管埋入采空区，通过现场观测来掌握采空区内的气体浓度、温度、束管埋入深度的变化情况，来监测采空区“三带”变化。在工作面以正常速度推进时，每天同一时间对各测点进行数据采集，其中主要包括采空区温度和采空区内气样，并准确记录各测点进入采空区的深度，回到地面对所采集气样进行气相色谱分析。根据所测得的数据来分析各指标气体的变化规律。

2 现场观测结果及分析

2.1 采空区氧气浓度变化

利用采空区内铺设的束管所采集的气体分析数据结合工作面的推进速度来研究轨道巷(进风巷)和皮带巷(回风巷)的氧气浓度变化规律如图2所示。图2表明进入采空区后，各测点氧气浓度随着测点深度的不断增加呈现出波动下降的趋势。在轨道巷内束管埋入35.9 m皮带巷内束管埋入28.5 m之前，采空区内各测点的氧气浓度均在18%以上，不利于煤的自燃。之后氧气浓度快速下降，同时轨道巷与皮带巷相比氧气浓度下降较慢，因此轨道巷氧化带长度略大于皮带巷。

图2 氧气浓度变化趋势Fig.2 Variation trend of oxygen concentration

2.2 采空区自燃“三带”分布

根据氧气浓度的变化情况，当进风侧掘进深度达到35.9 m时，氧气的浓度开始降低到18%以下，在76.5 m时，氧气浓度降至10%以下，进入窒息带。而回风侧氧气浓度下降较快，当掘进深度为28.5 m时，氧气浓度已经降至18%以下，进入氧化带范围，掘进深度在70.2 m时，进入窒息带范围。氧化带在回风侧的范围较大，约为41.7 m左右，因此在进风侧产生煤自然发火的可能性较大，是容易发生自然发火的区域。由于遗煤较少、热值较低、推进速度较快，整个氧化带的范围较大。自燃“三带”分布如图3所示。

3 氧化升温实验及数据分析

为了研究12118工作面采空区煤自燃过程，对12118工作面的煤样进行氧化升温试验，得到煤样自然发火的气体产生规律。

煤样氧化升温实验结果显示：12118综采工作面煤样瓦斯吸附量较低，随着煤温的升高，其吸附气体的释放量的变化不明显。在煤温达到120 ℃之前，C2H4、C2H6、C3H6、C3H8、C2H2均检测不到，CH4释放量也较小，持续在0.017‰以下，在煤温达到220 ℃后，上升幅度开始明显增加。

根据对12118工作面煤样氧化升温实验所得的数据进行分析，得到煤自燃标志。

CO标志气体特点：①在200 ℃之前，CO产生量随煤温的变化关系符合指数函数的上升规律；②CO产生的绝对量是所有煤氧化气体产物中最大的；③当煤温达到40 ℃时，煤开始氧化产生CO，并且整个氧化过程均存在CO的变化。

煤自然发火的C2H4(乙烯)标志气体特点：①C2H4的产生速率与煤温呈现出单一的递增关系；②由于矿井大气和煤体吸附的瓦斯气体中都不含有C2H4，因此C2H4是煤发生氧化产生的；③C2H4产生的临界温度为140 ℃左右；④C2H4的出现标志着煤已经开始氧化阶段，同时也标志着煤自燃已经进入了加速阶段。

4 采空区自然发火评价

4.1 自然发火危险性评价

根据12118工作面的现场测试，采用印度学者贝纳基提出的预测方法，建立综采工作面煤炭自然发火危险性评估模型，从而对12118工作面采空区内煤自燃的危险性进行了综合评价。

以煤自燃机理为基础，确定出构成自然发火危险程度的分指标：煤的自燃倾向性Y1、持续的漏风供氧条件Y2、聚热散热条件Y3。每一分指标又分16项一级的分指标构成[11]。

煤的自燃倾向性Y1：①煤的吸氧量Xl(mL/g)；②还原煤样与氧化煤样的着火温度差X2(℃)。

漏风供氧条件Y2：①采空区漏风风流氧浓度X3(%)；②采空区漏风持续时间X4(d)；③煤的破碎性X5；④采空区两侧风压差X6(Pa)；⑤采空区封闭质量X7；⑥顶板及采空区处理X8；⑦采区巷道布置方式X9；⑧采煤方法X10；⑨通风方式X11；⑩煤层倾角X12。

聚热散热条件Y3：①采空区风速X13；②自燃带长度与推进速度比X14(d)；③采空区遗煤状况X15；④区域围岩温度X16(℃)。

经过对东大煤样进行测试，东大煤矿煤层最短发火期为88 d，自燃倾向性较小。煤的吸氧量为0.48 mL/g。煤的破碎性属于Ⅱ类中等硬度；工作面的煤层回采率为97%；正常回采期间的最小推进速度约为3.6 m/d；12118工作面煤层倾角平均为5°；采空区漏氧浓度在10%～18%之间，有利于煤的氧化自燃；采空区风速大约在0.20 m/min；采空区两端风压差，静压约为90 Pa；围岩温度约为17 ℃。12118综采工作面自然发火危险性各单因素评判结果见表1。

表1 东大煤矿12118综采工作面自然发火危险性单因素评判

根据评价的模型进分层次对12118综采工作面进行评价。

y1=ω11×γ1+ω12×γ2=0.6×0.5+0.4×0.3=0.4

y2=ω23×γ3+ω24×γ4+ω25×γ5+ω26×γ6+ω27×γ7+ω28×γ8+ω29×γ9+ω210×γ10+ω211×γ11+ω212×γ12=0.135×0+0.161×0.15+0.057×0.3+0.140×0.25+0.093×0.2+0.058×0+0.055×0.15+0.171×0.2+0.049×0.25+0.081×0.2=0.1657 5

y3=ω313×γ13+ω314×γ14+ω315×γ15+ω316×γ168=0.278×0.2+0.396×0.1+0.163×0.1+0.163×0.1=0.127 8

U=y1×ω1+y2×ω2+y3×ω3=0.4×0.333+0.165 75×0.333+0.127 8×0.333=0.230 952 15

根据国内学者对中国53个煤矿煤层自然发火危险性的研究，采取模糊聚类分析，可将煤矿自然发火危险性分为4类：Ⅰ类很危险，其危险性隶属度大于0.53；Ⅱ类危险，其危险隶属度为0.53～0.3；Ⅲ类可能自燃，其危险隶属度为0.3～0.15；Ⅳ类不自燃，其危险隶属度小于0.15。

通过对12118综采工作面自然发火的危险性评价[12 -14]，12118工作面自然发火危险隶属度为23.09%，属Ⅲ类。相较于Ⅰ类(很危险)和Ⅱ类(危险)，12118工作面采空区自燃风险较小，但当供氧氧化条件和聚热散热条件同时具备时，仍然有可能发生自燃。因此，12118工作面需要制定相应的措施，来对自然发火的现象进行监测预警，从而降低采空区自然发火的隐患。

4.2 最小安全推进速度

合理提高工作面推进速度，保证工作面的正常推采，能够有效地降低采空区自然发火的危险。12118工作面的最小安全推进速度由公式(1)计算得出[15]

(1)

式中，V为工作面为安全最小推进速度，m/d；K为安全系数，根据工作面遗煤量、地质特点等因素综合判定；L氧为采空区自燃“三带”中氧化带长度，m；Tmin为煤层煤样的最短自然发火期，d。

进风侧3个测点所得氧化带宽度分别为41.1 m、39.8 m、40.9 m，回风侧3个测点所得氧化带宽度分别为43.9 m、38.9 m、42.5 m，为保证安全生产，应取最大值43.9 m；由于12118工作面地质条件较为简单，断层不甚发育，遗煤量小，并且煤的热值较低，自然发火隐患较小，故选取安全系数K=2.3，煤的最短自然发火期为88 d。通过(1)式计算得到12118综采工作面的最小安全推进速度为1.15 m/d。因此，当工作面的推进速度小于1.15 m/d时，氧化带内就有发生煤自燃的危险；当工作面的推进速度大于1.15 m/d时，采空区氧化带内自然发火的可能性较小。

5 结论

(1)通过数据分析，得到了东大煤矿12118工作面自燃“三带”分布规律。即对于东大煤矿12下煤层，当综采工作面面长在75 m左右，采高为1.8 m时，工作面采空区自燃“三带”分布规律如下：在进风侧，散热带：0～35.9 m，氧化带：35.9～76.5 m，窒息带：76.5 m～∞；在回风侧，散热带：0～28.5 m，氧化带：28.5～70.2 m，窒息带：70.2 m～∞。

(2)东大煤矿12118综采工作面的煤层最短自然发火期为88 d，在保证采空区不发生自然发火的情况下，工作面的最小安全推进速度为1.15 m/d。通过12118综采工作面自然发火危险性评价，表明了该工作面的自然发火的可能性较小，但需要采取一定的预报和防治措施，避免煤自燃的发生。

(3)在整个自燃“三带”束管监测实验进行中，12118综采工作面的回采期间最小推进速度约为3.6 m/d，即在正常回采的情况下，最小推进速度远大于最小安全推进速度。在特殊情况下，工作面的推进速度受阻导致推进速度小于最小安全推进速度时，应当加强采空区进风侧的火灾监测，并采取相应的防灭火措施。