瓦斯抽放条件下综放面采空区易自燃区的判定

宁洪进 李伟民 魏海亮 时国庆

(1.肥城矿业集团梁宝寺能源有限责任公司；2.山东煤矿安全监察局鲁西分局；3.中国矿业大学安全学院)

瓦斯抽放条件下综放面采空区易自燃区的判定

宁洪进1李伟民1魏海亮2时国庆3

(1.肥城矿业集团梁宝寺能源有限责任公司；2.山东煤矿安全监察局鲁西分局；3.中国矿业大学安全学院)

为了掌握梁宝寺煤矿3418综放面采空区的自燃危险区域分布特征，在采空区瓦斯抽放的条件下，采用全面布点法对采空区气体和温度变化规律进行了观测，利用Matlab数据分析工具，拟合得出了该工作面采空区氧气等各主要气体浓度和温度的等值线图，并对采空区各气体浓度、温度和浮煤分布数据进行叠加，得出瓦斯抽放条件下综放面采空区易自燃区域分布范围，为采空区易自燃区域的定向防治设计提供指导。

综放面采空区 易自燃区域 瓦斯抽放 自燃“三带”

Shandong Coal Mine Safety Supervision;3.School of Safety Engineering,China University of Ming and Technology)

根据煤自燃的煤氧复合作用学说，煤炭自燃必须同时具备以下几个条件[1-2]：①煤层具有自燃倾向性且呈破碎状态堆积；②连续通风供氧；③持续的蓄热环境；④足够的氧化时间。波兰学者从自然发火的角度出发，将采空区划分为3个区域，依次称作为“不自燃带”、“自燃带”和“窒息带”。依据煤自燃危险区域判定理论，位于采空区自燃带内，同时又满足浮煤堆积厚度和温度聚集条件的范围就可以判定为采空区自燃危险区域，而掌握采空区易自燃危险区域的分布范围是有效防控综放面自然发火的基础[3-4]。

梁宝寺煤矿西翼3418综放工作面是3400采区第6个3煤层综采放顶煤工作面,开采煤层属Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期20～30 d，处于瓦斯异常区域。为保证上隅角及工作面不出现局部瓦斯超限，在距工作面切眼50 m利用轨皮顺钻机硐室设计首组高位钻孔，此后在综放段每隔50 m设计一组高位钻孔，每组2个通过高位钻孔对工作面实施瓦斯抽放，导致采空区内部漏风增加，自然发火和自燃危险区域分布规律异常。为了防止采空区煤炭自燃，有必要在不停止瓦斯抽放的条件下，开展采空区自燃危险区域分布规律的测试研究工作。

1 采空区气体和温度场的测定

采空区自燃“三带”的正确划分能够为煤自燃防治工作的开展提供重要参考，但如何划分目前尚无统一指标。当前煤矿现场常依据氧气浓度进行划分[1]：散热带的氧气浓度大于18%；自燃带的氧气浓度为8%～18%；窒息带的氧气浓度小于8%。相比于温度和漏风速度，采空区氧浓度易于观测，且基本上能够反映煤炭自燃的环境，再辅以其他主要气体的分析，综合判断抽采条件下采空区煤自燃危险区域的分布规律，是十分可行的。

1.1 测试系统

对于综放工作面，由于放煤的回收率稍低，除两道位置以外采空区中部的浮煤也较多，造成采空区中部也易自然发火[5-6]。因此，必须对采空区自然发火规律进行较为全面的研究，故本次选择全面布点法，即沿工作面倾向埋设4个测气和测温点进行观测，测点布置如图1所示。测点间距约33 m，气体通过采空区埋设的束管和与之相连接的抽气泵进行抽取。采用AD590传感器、导线和万用表组成测试系统，防止测点和测温导线被采空区冒落的岩石破坏，传感器、束管和测温导线全部采用钢管保护，长度约200 m，即观测距离初步确定为沿工作面走向200 m。为防止束管抽取套管内的气体，在气样采集点位置用锚固剂对束管和传感器进行密封固定。

图1 测点布置示意

1.2 观测结果

通过近一个月的观测，3418综放面采空区自燃“三带”观测数据和推进度、时间之间的关系见图2～图4所示。

图2 氧气浓度随回采距离的变化

2 数据分析与自燃危险区域判定

2.1 气体变化规律的分析

通过实测不可能得到3418综放面瓦斯抽放条件下整个采空区内部气体、温度场的连续分布。为了更全面地探讨该工作面采空区内部气体和温度的连续变化规律，利用Matlab中的meshgrid、griddata函数对数据进行平面差分，然后用mesh和contour函数，绘制O2，N2，CO浓度，CH4浓度和温度数据的立体分布和等值线图，如图5～图8，其中，走向距离x为测点到工作面的距离，m；y为测点距轨顺的倾向距离，m。

图3 一氧化碳浓度随回采距离的变化

图4 温度随工作面回采距离的变化

2.1.1 O2浓度变化规律分析

从图5可以看出，3418采空区内部氧浓度随走向距离的增加不断降低，且工作面中部氧浓度降低较快，当测点距离工作面140 m左右时，氧浓度降到2.2%左右;在走向上，采空区氧浓度经历一个快速降低、缓慢降低的过程，尤其对于倾向中部测点来说，初始阶段氧浓度降低较快，后期缓慢降低，这是由于距工作面较近时，煤氧化和瓦斯涌出;后期氧浓度较低，氧化速度变慢，氧浓度的降低主要受甲烷涌出影响;顺槽处的氧浓度较高是由于漏风造成的。另外，由于采空区上覆岩石冒落“O”型圈的作用，采空区中部容易压实，造成该区域漏风较小，且甲烷不易被风流带走，使得该区域氧浓度下降较快。

2.1.2 N2浓度变化规律分析

从图6可知，随着走向距离增大，氮气浓度不断增加，且倾向中部区域氮气浓度增加速度快，最终浓度较高。这是由于随着走向距离增加，漏风减小，且采空区浮煤氧化使得内部氧浓度降低，氮气浓度相对升高，由于倾向中部一方面氧化较快，容易压实，因此氮气浓度增加较快，导致最终氮气浓度较高;在倾向中部当测点距离工作面80多m时，氮气浓度趋于稳定，这是由于当测点到达这个区域后，浮煤氧化速度已经很慢，瓦斯涌出也趋于稳定，从而使得氮气浓度趋于稳定。从等值线图可以看出，在走向同样距离处，进风侧的氮气浓度低于回风侧的氮气浓度，说明漏风对氮气的浓度影响较大。

图5 采空区内部O2浓度变化规律

图6 采空区内部N2浓度变化规律

2.1.3 CO浓度变化规律分析

图7为采空区内部CO浓度变化规律。从图中可以看出，走向上，一氧化碳先增大后减小，且在同样走向距离的采空区，回风侧的一氧化碳浓度高于进风侧一氧化碳浓度;一氧化碳有两个峰值，说明该采空区有两个快速氧化区域，分别位于1#测点和3#测点处，且3#测点的一氧化碳浓度峰值高于1#测点,3#测点距工作面的距离较近。3#测点氧化速度较快是由于进风侧区域漏风风速较大，氧化生成的一氧化碳随风流带到回风侧；3#测点区域由于漏风风速适于氧化，一氧化碳浓度较高；回风侧一方面由于上风侧一氧化碳在此区域汇聚，另一方面由于采空区瓦斯抽放使得回风侧漏风增大，适于氧化，这造成回风侧一氧化碳出现峰值。

图7 采空区内部CO浓度变化规律

2.1.4 CH4浓度变化规律分析

由图8中可知，随着走向距离增加，甲烷浓度不断增加，且甲烷最大浓度出现在回风侧，当走向距离为140 m左右时，甲烷浓度大于6.6%，说明此区域受漏风的影响较小。

图8 采空区内部CH4浓度变化规律

2.1.5 温度变化规律分析

图9为该工作面内部温度变化规律，从中可以看出，该采空区存在两个温度异常区，分别位于1#和3#测点对应区域。在3#测点区域最高温度达到了72 ℃，需要加强监控，防止引发自燃火灾；回风侧的高温区域最高温度也达到了60 ℃，也需要加强监测，防止回风侧发生自燃火灾。

2.2 采空区自燃“三带”划分结果分析

为了很好的显示采空区自燃“三带”的范围，依据氧浓度对3418综放面的自燃“三带”范围进行了划分，如图10所示，准确范围见表1。

整体来说进风侧的散热带较长，中部散热带较短，回风侧的氧化带最长。需要说明的是，3#测点区域的实际氧化距离比图中显示的要长，由于煤的氧化消耗了氧气，使得采空区深部氧浓度降低。由于该矿属于Ⅱ类易自燃煤层，自然发火期3～6个月，最短自然发火期33 d，因此得出各测点的最小安全推进速度(表1)。可以看出，3#测点氧化带长度最短，且距离工作面最近，增大了该区域的危险性；1#测点氧化带最长，需要的安全推进速度最小为 2.2 m/d，在观测阶段，该工作面平均推进速度为5.4 m/d，远大于最小安全推进速度，可以保证该工作面的顺利回采。

图9 采空区内部温度变化规律

图10 3418综放面自燃“三带”分布

测点散热带/m氧化带/m窒息带/m氧化带长度/m安全推进速度/(m/d)1#0～1313～83.5>83.570.5>2.22#0～11.511.5～75.5>75.564>2.03#0～66～53.5>53.547.5>1.54#0～2323～80.5>80.557.5>1.8

2.3 3418综放面易自燃区域的判定结果

梁宝寺矿主采3#煤层具有Ⅱ级自燃倾向，最短自然发火期为33 d，如果满足一定漏风、厚度浮煤，且气体和温度观测显示存在煤的氧化加速，则该区域即可定义为自燃危险区域，当工作面推进速度小于危险区域的安全推进速度时，该区域就可能自燃。3418工作面为综放面，煤层平均厚度为 6.35 m，回采率约90%，采空区各处的浮煤普遍满足煤自燃对遗煤厚度的要求。根据以上观测数据，叠加O2浓度、CO浓度、温度数据以及浮煤分布，得出该工作面比较容易自然发火的区域如图11所示。其中，氧浓度上下限分别为18%和8%；CO下限此处选择为100×10-6，温度选择40 ℃以上，浮煤厚度选择 0.4 m 以上。

图11 3418综放面易自燃区域判定结果

从图11可以看出，3418综放面采空区有两个易自燃区域，一个位于走向6～55 m和倾向15～ 55 m，另一个位于走向25～45 m和倾向80～100 m，由于第一个易自燃区域距离工作面较近且范围较大，加上该区域处于进风侧不易被直接监测，因此这些位置是采空区防火工作的重点区域。

3 结 论

为获取采空区内部自燃“三带”范围，针对梁宝寺煤矿3418工作面沿倾向上布置了4个气体和温度测点并进行了自燃“三带”观测，利用Matlab对观测数据进行分析，得出了采空区内部O2、N2、CO浓度和温度的变化规律，划分了采空区自燃“三带”范围，得出了从防灭火角度该工作面的最小安全推进速度，主要结论如下：

(1)随采空区深度的不断增加，3418综放面采空区内部的氧气浓度不断降低，工作面中部氧浓度降低较快，当测点距离工作面140 m左右时，氧浓度降到2.2%左右，难以支撑浮煤氧化。

(2)采空区一氧化碳的浓度有两个峰值，分别位于1#测点和3#测点处，且3#测点的一氧化碳浓度峰值高于1#测点，且峰值距工作面较近。

(3)采空区内部温度有两个异常区域，同一氧化碳的分布规律相对应，也分别位于1#和3#测点对应区域，3#测点区域最高温度达到了72 ℃，而对于回风侧的高温区域，最高温度也达到了60 ℃。

(4)该综放面采空区有两个易自燃区域，一个位于走向6～55 m和倾向15～55 m，另一个位于走向25～45 m和倾向80～100 m，氧化带最大宽度值为70.5 m，结合煤自然发火期，计算得出防止煤炭自然发火的最低回采速度应为2.2 m。

[1] 王德明.矿井火灾防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2008.

[2] 秦书玉,赵书田.煤矿井下内因火灾防治技术[M].沈阳：东北大学出版社,1993.

[3] 徐精彩,文 虎,张辛亥,等.综放面采空区遗煤自燃危险区域判定方法的研究[J].中国科学技术大学学报,2002(6):39-44.

[4] 余明高,常绪华,贾海林,等.基于Matlab采空区自燃“三带”的分析[J].煤炭学报,2010,35(4):600-604.

[5] Qin bo tao, Sun qing guo, Wang de ming, et al. Analysis and key control technologies to prevent spontaneous coal combustion occurring at a fully mechanized caving face with large obliquity in deep mines[J].Mining Science and Technology,2009,19(4):446-451.

[6] 赵建会.易自燃煤层综放开采防灭火技术研究[D].西安： 西安科技大学, 2005.

Distribution of Spontaneous Combustion Area in Fully Mechanized Gob under the Conditions of Gas Drainage

Ning Hongjing1Li Weimin1Wei Hailiang2Shi Guoqin3

(1.Shandong Energy Feicheng Mining Group Co.,Ltd.;2.West of Shandong Province Suboffice,Bureau of

In order to study the Distribution of spontaneous combustion area in fully mechanized gob under the conditions of gas drainage, the float coal depositstatus in the goaf is analyzed based on the spontaneous combustion characteristic parameters using self ignition experiment oven and the actual observational data of Liangbaosi 3418 working face, the intensity of oxygen of air leakage can be obtained. By analyzing the dynamic distributing regularity of oxygen concentration and leakage intensity when the gas drainage, the dynamic tendency of spontaneous combustion-zone in the gob can be judged, which can provide guidance for early spontaneous combust ion prediction and f ire prevent ion of high gas coal mine.

Goaf of fully mechanized top coal caving mining face,Three room spontaneous combustion zones,Spontaneous combustion,Gob gas drainage

2014-07-25)

宁洪进(1965—)，男，科长，272404 山东省济宁市。