豹子沟煤矿采空区自燃“三带”分布规律研究

赵素平

（山西省煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041204 ）

煤的自然发火是煤矿重大灾害之一，而采空区中的遗煤，往往是自然发火的重要危险源，要防止采空区遗煤自燃，需搞清采空区自燃“三带”的分布范围，才可针对性地采取采空区注氮、堵漏风等技术措施。本文对豹子沟煤业采空区自燃“三带”分布规律进行研究，并为制定防止采空区浮煤自燃的措施提供基础数据。

1 采空区遗煤氧化自燃“三带”概述

1.1 采空区遗煤氧化自燃“三带”概述

对于大多数的矿井，采空区顶板管理为自然垮落法管理顶板，随着工作面从开切眼一直向前推进，切顶线之后的采空区顶板开始逐渐垮落，在该区域冒落的顶板比较松散，间隙较大，风流也较大，在该区域的浮煤通过氧化作用产生的能量随风流带走，该区域因无法聚集热量而不能发生自然发火，该区域为“散热带”或 “冷却带”；随着工作面的推进，原冒落的松散区域被压实，裂隙变少，风流强度减弱，该区域由于存在足够的氧气与浮煤氧化产生热量，而不能被风流带走，最终因氧化产生的热量不断聚集与浮煤又产生激烈的氧化反应，导致出现明火燃烧现象，该区域为“氧化自燃带”；随着工作面继续推进，当冒落区基本被压实，漏风基本消失，漏风风流流经“氧化自燃带”时，其所含的氧气已被大量消耗，一般氧气浓度下降到7%以下，因此无法提供氧气而不能使煤氧化反应，遗煤处于窒息状态，该区域为“窒息带”。

1.2 采空区自燃“三带”的划分指标

根据以往经验可将采空区遗煤氧化自燃“三带”按照以下指标进行划分：

（1）根据采空区漏风风速划分。这种划分方法主要是在实验室，通过实验模拟的方法进行的，一般根据采空区风速划分为：散热带的风速大于0.004m/s，自燃带的风速在0.0016～0.004m/s，窒息带的风速一般小于0.0016m/s。

（2）根据氧气浓度划分。该方法常在现场实测中使用，不同矿井的临界氧浓度也各不相同，大量现场实际得知豹子沟煤矿煤层自然发火标志性气体测定中所确定的煤自然发火的临界氧浓度划分为：散热带的氧气浓度大于18%，自燃带的氧气浓度7～18%；窒息带的氧气浓度小于7%。

（3）根据测点的升温特征划分。该划分指标只是补充依据，参考指标，因为温度监测能明显地测量出采场温度的变化规律，说明采空区有煤进行氧化反应活动，但目前还没有准确的界限。

2 综放工作面采空区自燃“三带”分布

2.1 采空区测点布置

以豹子沟煤矿综放工作面10101工作面为研究对象，对采空区的自燃“三带”分布进行研究，主要采用束管监测技术对煤层氧化自燃过程进行观测并进行早期预测预报。建立束管监测系统与在10101工作面进风巷、回风巷沿着壁面铺设两组束管的温度探头进行连接，束管每组3根，各束管采样头的间距为20m，共设置6个测点，在进、回风巷对称分布3个测点，测点布置示意图如图1所示。

图1 10101工作面束管监测点布置示意图

2.2 现场监测结果及分析

在监测地点利用气囊采集气体进行分析，或者利用地面束管系统直接进行气样分析，分析的参数主 要 有 O2、N2、CO2、CO、CH4、C2H6和 C2H4，每天采集1次，同时测量两次采样时工作面推进的距离，部分记录数据如表1所示。

通过监测结果分析可知：10101工作面采空区氧气浓度随着距切顶线距离的增大而减小，但氧气浓度降低的速率变化不一，跟工作面周围环境有关。采空区靠近工作面上隅角附近的测点的氧气浓度，随着工作面的持续推进呈持续下降的趋势，降低的幅度较明显，这是由于漏风风流氧浓度经过采空区浮煤的自燃氧化消耗后造成的。另外，监测发现随着工作面正常推进，采空区的氧气浓度分布规律并不是以工作面的中心线对称的，在进风侧的区域氧气浓度较高，可见，10101工作面采空区“氧化自燃带”与“窒息带”的界线也是不对称分布的。

表1 部分测点温度统计表

从氧气浓度监测角度分析可知，在进风巷侧的“三带”分布为：散热带宽度为小于27.2m，氧化带宽度为27.2～72m，窒息带为大于72m；在回风巷侧“三带”分布为散热带宽度小于17.6m，氧化带宽度为17.6～67m，窒息带为大于67m。从温度变化角度监测结果分析可知，当测点埋入采空区22.4m后采空区进入“氧化自燃带”，浮煤发生自热氧化，煤温升高，当测点埋入采空区67m后采空区进入“窒息带”，自热氧化过程受到抑制，温度开始下降，通过温度划分的采空区自燃“三带”范围与氧气浓度划分结果基本一致。各点温度变化规律如图2和图3所示。各测点都是在进入采空区20m后出现CO浓度增加，在进入采空区70m后CO浓度急剧下降，说明在采空区内20m至70m范围内出现了煤氧化过程，但随着工作面的推进，测点处进入了“窒息带”，煤氧化过程被抑制，最终都趋于平稳。在实测过程中，没有监测到乙烯气体，表明采空区浮煤没有发生剧烈氧化反应。

图2 进风侧各测点温度变化规律图

图3 回风侧各测点温度变化规律图

3 结论

针对豹子沟煤矿10101综放工作面实际情况，科学设计监测方案，从氧气浓度监测角度、温度变化角度和CO浓度变化角度，对该工作面采空区“三带”分布进行划分，散热带小于27.2m，氧化自燃带 27.2～74.5m，窒息带大于74.5m，利用温度检测作为划分采空区“三带”的辅助指标，所测温度都低于21℃，说明采空区被压实较好，供氧比较微弱，所得到结果与氧气浓度划分结果基本一致。这样就为防止采空区自然发火提供了可靠依据，便于采取针对性预防措施。