复采综放工作面自然发火三带划分技术研究

吕运河 秦鹏

为解决山东省兖州市大统矿业有限公司F9305复采综放工作面自然发火三带划分测定及应用问题，根据复采工作面现状提出在工作面两顺槽埋设束管采样点采用临界氧浓度指标法测定复采综放工作面三带数据，并推算复采综放工作面防灭火安全推进速度。经过现场实际应用，通过束管监测系统监测数据验证，采空区三带的划分符合工作面实际情况，通过调整防灭火措施、保证正常组织生产有效的消除了自然发火隐患，自然发火防治效果良好。

一、引言

复采综放工作面防治重点是采空区自然发火防治[1]，采空区自然发火三带是指工作面切顶线向采空区方向形成的散热带、氧化带和窒息带[2]。存在自然发火隐患的复采综放工作面正常回采期间如何根据现场相关参数测定与分析判定采空区自然发火危险区域十分重要。

根据复采综放工作面回采后采空区遗煤自然发火的特性，研究F9305复采综放工作面三带分布规律，合理划分采空区三带、判定自然发火危险区域、计算安全推进速度为F9305复采综放工作面自然发火预防奠定技术基础。

本研究通过对F9305复采综放工作面采用临界氧浓度指标法测定采空区三带距离，同时根据测定的氧化带宽度和最短自然发火期计算工作面防灭火安全推进速度，以三带划分数据作为防灭火措施处理的重点，以工作面防灭火安全推进速度作为工作面生产组织部署的重点，以期保证F9305复采综放工作面回采期间的防灭火安全。

二、F9305复采综放工作面概况

F9305复采综放工作面为山东省兖州市大统矿业有限公司第一个复采综放工作面，该工作面位于原F9311工作面东半部遗煤区域，布置在九采东南回风大巷南侧，西侧为F64断层，工作面轨道顺槽布置在原F9311综放工作面遗煤区域内，其它巷道均布置在实体煤区域，工作面煤岩层总体呈西北高东南低的单斜构造，根据附近采掘揭露情况分析，预计回采期间将揭露 F8、F9、F10、F11、F12、F13、F14七条断层。该工作面轨顺走向长700.3m，运顺走向长716.3m，倾斜长90.6m，工作面需风量565m3/min。

矿井于2017年6月委托山东鼎安检测技术有限公司对南翼采区3煤自燃倾向性等级进行鉴定，自燃倾向性鉴定等级为Ⅱ类自燃煤层。最短自然发火期为80天。

鉴定报告中确定以一氧化碳气体作为指标性气体，当一氧化碳出现时表明测试煤样已经发生氧化，其出现临界温度为66.1℃，浓度为0.18*10-6；当煤温超过60℃低于70℃时，一氧化碳产生速率、升温速度及氧气消耗速度均出现加快现象；鉴定报告指出C2H4出现并且变化速率明显加快时表明煤样进入加速氧化阶段，其出现的临界温度为115.0℃-142.5℃，浓度为0.03*10-6，此时复采工作面应该采取积极有效的强化性防灭火措施。

C2H4/C2H6比值峰值的出现表明煤样已进入剧烈氧化阶段，测试峰值出现的温度为287.0℃，对应检测的C2H4浓度为17.10*10-6，C2H6浓度为3.98*10-6，C2H4/C2H6可作为判别煤自燃反应程度的辅助指标。将工作面回风隅角CO浓度设定为24*10-6作为早期自然发火征兆预警值。

三、复采综放工作面采空区三带观测方案

特定煤层其煤体的自然发火氧化放热性能是定量，当煤体粒度适中、遗煤厚度适中、采空区氧气充足时，若自然发火期内推进距离低于氧化带宽度就可能造成采空区遗煤自燃。复采综放工作面前期煤体已经开采受到破坏，因此必须掌握该工作面采空区相关气体参数浓度以及日常实际推进度、风量等才能对采空区遗煤自燃做出预测。

采空区自燃“三带”划分方法一般有3种：①按照煤自然发火临界氧浓度[3]指标来划分，一般可采用散热带（氧气浓度>（15%～18%）），氧化带（（5%～8%）≤氧气浓度≤（15%～18%）），窒息带（氧气浓度<（5%～8%）） ②按照采空区内的漏风风速来划分，分为散热带（漏风风速>0.24m/min），氧化带（0.1m/min≤漏风风速≤0.24m/min），窒息带（漏风风速<0.1m/min） ③按照采空区内的温升速率来划分，如果采空区内的日升温大于1℃/d时，就认为已进入氧化带。

目前，采空区自然发火“三带”划分方法尚无具体的国家统一标准或依据，F9305复采综放工作面采空区自然发火三带划分采用临界氧浓度指标法。采空区自然发火“三带”现场测点布置有两种方式：一种是沿采空区进、回风巷道设置数个测点，设点简单，但监测点范围受限，不能整体完整反应采空区气体分布。一种是沿工作面架后设置数个测点，后一种方式设点工作难度大，但与采空区实际气体分布吻合度高。 每个测点可设置气体取样装置和温度测试装置，可采用束管监测系统或人工取样分析系统对气体进行测试分析。

（一）测点分布

通过提前预埋的束管对复采综放工作面采空区内的气体成分进行观测分析，采空区气体成分监测范围为距工作面150 m前后，两顺槽各设置3各监测点，监测点距离50m，共计覆盖采空区距离150m，其中下顺为1、2、3测点，上顺为4、5、6测点。当氧气浓度降至5%～7%时或第3、6号测点进入采空区150 m后结束监测。

采空区内监测束管外用2寸钢管（或其他能避免束管被垮落砸坏的管路）进行保护，束管芯数为三芯。工作面采空区6个测定安排专人每天采样送往地面通过色谱分析仪进行色谱分析。工作面两顺槽共布置6个测点（如图1所示），并随着工作面移动。

图1.工作面采空区三带观测测点布置图

工作面运输顺槽束管管路距底板的高度为1.5 m～1.8m以避免工作面采空区积水堵塞束管，工作面轨道顺槽的管路可沿底板敷设。

（二）监测探头布置方法

采用三芯束管对采空区进行埋点取样，束管末端采用内径8mm的过滤式探头。每根束管负责一个监测点取样分析工作，每个束管探头抬高0.5 m以上便于区分，束管从2英寸的钢管内拉出。

束管敷设过程中每个监测点的探头都应明确标清具体测点号；所有监测束管应当紧贴附近煤体以尽量减少束管被压断的可能。各监测点在不使用取时应密封好，放置在安全可靠地点，加以防护。若由于束管漏气、被砸断等原因导致监测异常，需重新布设束管进行监测。采用人工采取气体样本后利用气相色谱仪进行实时分析。

（三）观测参数及仪器观测参数

观测参数为实际开采条件下 F9305复采综放工作面采空区浮煤分布情况、工作面日推进速度、采空区氧气浓度变化情况、工作面日回采率、顶板跨落情况描述等；观测仪器为负压气体采样仪以及气相色谱仪。

四、工作面推进情况及遗煤情况

（一）F9305工作面推进情况

F9305复采综放工作面束管埋设取样开始于2021年12月20日，观测开始于2021年12月25日，监测结束于2022年2月28号，历时共计70天。F9305复采综放工作面采空区遗煤自燃“三带”测期间，F9305复采综放工作面共推进88.2 m。观测期间测点处于氧化带时的工作面推进速度平均为1.62 m/d。工作面推进速度直接影响了采空区内浮煤与氧气的反应变化时间，加快工作面推进速度可以更加有效的防止工作面及采空区遗煤自燃，消除采空区遗煤自燃隐患；因此，必须坚持有效的保证持工作面推进速度的稳定，减少机器损坏等带来的影响，从而减少采空区遗煤氧化反应时间，预防采空区遗煤自然发火。

（二）采空区浮煤分布状况

松散煤体的堆积状态及厚度是遗煤自燃的重要因F9305复采综放工作面采空区现场留有一定厚度浮煤，但并不是全部区域的遗煤都都会自燃，主要取决于遗煤周围的供氧等环境条件。首先采空区遗煤厚度必须达到自燃要求，能够使得遗煤氧化产生的热量有效积聚；其次提供煤体升温所需热能，保证足够的氧浓度能使遗煤产生足够的氧化热；最后采空区漏风强度适宜避免风流带走过多的热量，造成热量的损失。

以往防灭火经验可判断出采空区内部遗煤较多的区域为顶煤遗留区域。在回采过程中，受煤层顶底板压力影响，巷道顶板煤体受压垮落，造成松散状态煤体堆积在顺槽内，随工作面不断持续推进，这部分遗煤遗落到采空区深部，达到遗煤自燃所需的蓄热环境、漏风条件，最终引起遗煤自然发火。现阶段因为采空区遗煤分布不均，尚未找到准确测量遗煤厚度的测量方案。遗煤厚度的测量时通过间接测算进行。

F9305复采综放工作面煤层可开采厚度平均为5 m，回采率为85%，采空区内部空隙率取10%。通过测量工作面顶煤厚度以及工作面回采率来估算出采空区遗煤平均厚度。

采空区中部综合回采率取85%，计算其遗煤厚度为：5×（1-0.85）/（1-0.1）=0.833 m通过计算可得采空区遗煤厚度为 0.833 m左右。

五、F9305复采综放工作面采空区氧气浓度分布规律

根据F9305复采综放工作面巷道布置的特点及现状，工作面两顺槽共布置6个监测点，在观测的过程中随采空区范围扩大，采空区内部压力显现也逐步增加。通过监测数据分析得到进、回风顺槽距离工作面采空区不同距离时各监测点的氧气浓度变化曲线（如图2、图3所示）。

图2：F9305复采综放工作面采空区煤自燃“三带”范围

图3：F9305复采综放工作面采空区煤自燃“三带”范围

从上述两图可以看出，采空区内各监测点氧气浓度随着工作面采空区范围的增加整体呈现下降趋势。

回风顺槽采空区距离工作面20m左右时氧气浓度下降到15%左右。相比而言进风顺槽氧气浓度下降缓慢，在进风顺槽采空区距工作面50 m范围内氧气浓度居高不下，这是由于进风顺槽压差大导致漏风增大。同时工作面回采时束管敷设在靠近巷帮的地点，受煤柱与支护体系的影响造成顶板长时间无法垮落形成漏风区域，其次周边采空区顶板垮落不严造成漏风。随工作面的继续推进，监测点不断向采空区深处多孔流域移动，风流从下隅角进入采空区，遗煤氧化过程不断消耗氧气从而使得氧浓度逐渐下降。

通过以上监测点数据分析可知：F9305复采综放工作面采空区氧气浓度在进风顺槽分布范围广，随工作面回采进风顺槽采空区内氧气浓度逐渐减小，当进入采空区距工作面75m时氧气浓度降至5%以下。回风顺槽氧气浓度分布范围窄，当进入采空区距工作面16m时氧气浓度持续在18%左右，但进入采空区60m时氧气浓度低至5%左右。

六、采空区遗煤自燃“三带”划分结论

《煤矿防灭火细则》指出采空区遗煤自燃可大体划分为三个带，即散热带、氧化带、窒息带。采空区自然发火三带随工作面回采呈现动态变化，其主要因素为工作面回采推进速度。根据束管监测氧气浓度变化规律在图上进行绘制，即可以判断出复采综放工作面采空区自然发火三带划分范围[5]。

图4：复采综放工作面采空区自然发火三带划分范围

根据上图4可知F9305复采综放工作面采空区进风顺槽漏风大散热带范围较长0-25m；回风顺槽漏风小散热带范围较窄0-16m；进风顺槽氧化带范围25-75m，窒息带为距离采空区75m以上的深处范围；回风顺槽氧化带范围16-60m，窒息带为距离采空区60m以上的深处范围。

表1：采空区“三带”划分表

位置 散热带 氧化带 窒息带

进风侧 0m-25m 25m-75m ＞75m

回风侧 0m-16m 16m-60m ＞60m

由图4和表1可知，根据观测数据，F9305复采综放工作面氧化带最大深度位于工作面回风侧，氧化带最大距离 Lmax=75-16=59m。根据山东鼎安检测技术有限公司的鉴定结果表明该工作面采空区遗煤最短自然发火期为80天，根据计算得出采空区遗煤可能发生自燃的工作面极限回采推进度为：

式中：Vmin—工作面极限推进度，m/d；

Lmax—工作面氧化带最大距离，m；

Tmin—采空区遗煤最短自然发火期，d；

K—安全系数，取 k为2.0；

经计算该工作面极限推进度为1.48m/d。

七、应用及效果分析

（一）调整注氮、注浆出口

一般而言采空区自燃危险区域位于氧化带内，采煤工作面采空区采用氮气防火时，氮气管路释放口保持在采空区的氧化带内可以提高对采空区的情化效率。氮气释放口如果在采空区散热带内，受工作面漏风风量及地质条件、采空区垮落等客观因素的影响[4] ，造成氮气主要在散热带附近扩散，甚至随漏风风流方向流向工作面，达不到惰化采空区的效果；氮气释放口如果在采空区窒息带内，氮气的扩散等运动受漏风风流影响较小，但同时由于压差作用，氮气会向采空区深部移动，同样达不到情化采空区的效果。因此为保证惰化效果，应当将释放口位置保持在采空区的氧化带内。

通过上述研究得知F9305复采综放工作面采空区进风顺槽散热带范围0-25m；回风顺槽散热带范围0-16m；进风顺槽氧化带范围25-75m；回风顺槽氧化带范围16-60m，因此工作面进风顺槽敷设注浆注氮管路间距不大于25m，回风顺槽注氮注浆管路间距不大于16m，进风顺槽注氮释放口选择在进风顺槽进入采空区25-75m；回风顺槽注氮释放口选择在回风顺槽进入采空区16-60m。

根据国家标准GB 51078-2015《煤炭矿井设计防火规范》，注氮量按下式计算：

QN=60*K*Q0*

式中：

QN代表注氮量（m3/h）；

Q0代表采空区氧化带内的漏风量，采取堵漏风措施后取1/80，漏风量为7.06m?/min；

C1代表采空区氧化带内原始氧气浓度，一般为10%～15%，取10%；

C2代表采空区防火惰化指标，取7%；

CN代表注入氮气的氮气浓度，取97%；

K代表备用系数，一般按总注氮量的1.2～1.5倍选取，取1.5。

经计算，QN=476.55m?/h，使用MYQ-1000液态惰气防灭火系统每次注氮时流量不应小于476.55m?/h，浓度不小于97%，确保注氮效果。

同时调整两端头隔离墙打设距离，以往两顺槽隔离墙打设间距均为不大于15m，现调整为进风顺槽隔离墙打设间距不大于20m，回风顺槽隔离墙打设间距不大于15m。

（二）调整工作面生产组织部署

由上述计算可知F9305复采综放工作面极限推进度为1.48m/d，据此生产部门每天早班安排对机电设备进行检修、设备维护等相关作业，中夜班组织进行生产，其中中夜班每小班割煤不少于1.5刀，日割煤不低于3刀，每刀截割深度0.63m，日推进度不低于1.89m。因煤最短自然发火期为80天，当工作面日推进速度连续80天低于极限推进度采空区将有自然发火危险。此时必须加强防灭火措施的落实和监测，并采取相应的堵漏及防灭火措施。现场加强周边采后封闭堵漏，保证通风系统稳定，强化注浆、注氮、压注水玻璃凝胶等综合防灭火措施。当工作面推进速度大于极限推进度时，可以按照正常防火措施执行，工作面遇到临时停工、地质构造等其他异常情况时应强化相应防灭火措施，确保复采工作面不出现自然发火隐患。

（三）效果分析

根据复采工作面采空区三带分布范围调整注氮注浆出口及隔离墙间距，早班强化机电设备检修工作减少设备故障率，每天保证推进度不低于1.89m（检修及放假日除外），F9305复采综放工作面自回采结束进风和回风顺槽束管分析采空区内一氧化碳浓度均在100*10-6以内，回风流一氧化碳浓度持续稳定在10*10-6以下，有效的解决了复采工作面自然发火隐患。

采空区三带划分测定可以准确的判定采空区危险区域，采用注氮防灭火时可以有效的指导注氮释放口选择在氧化带内，同时安全推进速度的计算可以有效的组织采煤生产。

采煤工作面采空区自然发火三带划分是非常有必要的，当工作面采煤方法、通风方式等发生重大变化时，需要及时重新测定采空区三带，以便更好的指导工作面防灭火工作，保证矿井防灭火安全。