注氮惰化条件下采空区自燃“三带”实测及划分研究

邓欣雨 柳东明 柳刚

摘 要：采煤工作面采空区自然发火给全国各大煤矿安全生产带来严重威胁，应采取防灭火措施加以防范。其中，采空区自燃“三带”分布规律和自然发火危险区域划分对于采空区防灭火工作具有重要指导意义。通过在某矿南五902综采工作面采空区预埋束管，取样化验采空区气体，并统计分析气体浓度变化情况，合理划分采空区自燃“三带”，为采煤工作面防灭火工作提供科学技术支撑。

关键词：自燃“三带”;预埋束管;气体浓度;统计分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.17.055

0 前言

由于工作面开采是一个随时间、空间动态发展的过程，随工作面推进采空区范围不断增大，采空区内自然发火危险区域也随之移动[1-2]。由于南五902工作面正常回采期间，采取对采空区运顺埋管开区注氮惰化措施，加之本煤层斜交高位钻孔、上隅角明管等瓦斯抽采手段的采用，对采空区内漏风场及氧浓度场分布规律产生复杂的叠加作用影响。因此，通过统计分析南五902采空区运、回顺束管气体数据，对采空区注氮惰化条件下自燃“三带”范围进行划分，为针对自然发火危险区域进一步采取防灭火措施，切实保证工作面生产安全提供技术支撑。

1 工作面概况

南五902工作面位于南五采区东部。工作面走向长1118m，倾向长160m，采用走向长壁后退式采煤法，综合机械化采煤工艺，自然垮落法处理采空区。工作面采用“U”型通风方式，风量为1100m3/min。南五902工作面所采9煤层，为Ⅰ类易自燃煤层，自然发火期1～3个月，平均煤厚为1.79m。

工作面正常回采期间，沿运顺每间隔约20m铺设一趟注氮管，当注氮管出口进入采空区40～60m区域后开始注氮。通常采用两趟管路同时注氮，合计注氮量1400m3/h，氮气浓度大于97%。

2 采空区自燃“三带”划分依据

本次采空区自燃“三带”测定是通过预埋束管的方式，采集采空区内部气样进行气体组份分析，并依据氧气浓度对采空区自燃“三带”进行划分，此种方法具有快速、准确、简便易行等特点，是目前应用最为广泛的“三带”划分方法[3-4]，具体如下：

散热带内由于漏风较大，氧气浓度偏高，常取大于18%;氧化带内的氧气浓度为5～18%;窒息带的氧气浓度小于5%[5-6]。

3 工作面采空区气体监测结果分析

随工作面推进，沿工作面运回顺间隔30～50m埋设束管，束管外套4分钢管进行保护，每班对束管进行取样化验，通过对束管气体取样化验结果的整理分析，现阶段采空区自燃“三带”划分提供支撑。

3.1 运顺束管监测数据

本次选取保护较为完好、受影响较小的3月31日埋设束管进行数据分析工作。运顺3月31日束管随工作面推进部分监测数据见图1所示。

由图1可知，随工作面推进束管逐渐进入采空区，4月3日零点班，采空区内16m处，氧气浓度为19.94%，说明下隅角漏风较大，尚未进入氧化带，仍旧处于散热带内;由于4月4日～4月7日清明节放假，4月3日白班开始提前对工作面进行临时封闭，封闭后采取注氮与二氧化碳混合气体惰化采空区的措施，因而导致采空区束管氧气浓度急剧下降至3.58%，CO2含量達23.38%，放假期间，运顺侧采空区内氧气浓度始终保持在5%以下，闭区惰化效果显著。4月9日启封后，工作面推进至20m，采空区束管氧气浓度恢复至17.75%，并随工作面推进逐渐下降至13.05%，同时，CO浓度由19ppm升高至36ppm，说明束管开始进入氧化带;4月12日运顺注氮由3月26日埋管710m3/h与3月29日埋管680m3/h改为3月29日埋管680m3/h与4月1日埋管710m3/h，注氮管路与束管相对位置示意图，如图2所示，束管氧气浓度迅速下降至4.31%，采空区注氮取得较好效果，起到惰化氧化带的作用;此后，随着束管埋入采空区深度的增加，氧气浓度始终保持在5%以下，CO浓度维持在6ppm以下，说明采空区运顺侧束管进入窒息带。

3.2 回顺束管监测数据

本次选取保护较好，受其他因素影响较小的4月15日埋设束管对回顺侧采空区气体情况进行分析。南五902回顺4月15日束管部分监测数据见图3所示。

随工作面推进，4月15日束管逐渐埋入采空区，至4月17日白班，埋入11.2m范围内，束管氧气浓度始终保持在19%以上，说明此时束管仍处于散热带内;束管埋入采空区12.8m时氧气浓度下降至13.80%，同时CO浓度由15ppm上升至67ppm，并伴随微量乙烯出现，说明束管开始进入氧化带，处于氧化带内的煤体氧化速度加快;此后，随工作面继续推进，氧气浓度略有反复，但均维持在18%以下，且总体呈现下降趋势;4月22日零点班，束管埋深38.4m，氧气浓度5.01%，CO浓度下降至12ppm;此后，束管监测氧气浓度均保持在5%以下，CO浓度维持在10ppm以下，因此可以判定采空区回顺侧束管进入窒息带。

4 注氮惰化条件下采空区自燃“三带”划分结论

根据南五902工作面采空区束管监测数据分析，采用氧气浓度作为采空区自燃“三带”划分依据，对南五902工作面采空区自燃“三带”进行静态划分。采空区自燃“三带”划分结果如图4所示。

（1）运顺侧采空区氧化带范围为采空区内20.0m～32.0m，宽度12m;回顺侧采空区氧化带范围为采空区内12.8m～38.4m，宽度25.6m。

（2）工作面下隅角漏风强度及漏风半径大于上隅角，因而造成运顺侧采空区散热带深度大于回顺一侧，但由于运顺侧埋管对采空区深、浅部同时开区注氮，使得运顺侧氧化带明显前移，现阶段注氮方式起到了较好的效果。

（3）本次采空区自燃“三带”是在采空区注氮惰化条件下测定的，因此测定结果具有一定的特殊性和指导性，能够对相似工作面注氮惰化条件下采空区危险区域划分提供借鉴。

参考文献：

[1]刘兆明，孙占刚.综采工作面采空区“三带”的测定分析与应用[J].煤矿安全，2010（06）：100-102.

[2]张人伟，贺晓刚，孙勇等.朱仙庄矿综放面采空区“三带”范围的确定及应用[J].采矿与安全工程学报，2008，25（03）：332-336.

[3]徐精彩，张辛亥，邓军等.常村煤矿2106综放面采空区“三带”规律及自燃危险性研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2004，19（03）：1-4.

[4]尹晓雷，戴广龙，吴彬等.综采面动态注氮作用下采空区“三带”分布及防灭火技术研究[J].中国安全生产科学技术，2014，10（10）：137-142.

[5]李治刚，黎力，毕井龙等.采空区自然发火“三带”规律研究[J].煤炭技术，2016，35（12）：164-166.

[6]褚廷湘，杨胜强，于宝海等.实测采空区温度和气体成分的自然发火“三带”范围确定[J].煤矿安全，2008（10）：7-10.

作者简介：邓欣雨（1989-），男，辽宁调兵山人，本科，工程师，副科长，研究方向：采矿工程。