综放工作面低变质稳态煤温度分布及温升规律

张海洋

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

我国绝大部分矿井工作面设备回撤周期较长，尤其是长壁工作面，回撤所需时间基本临近或超过煤层最短自然发火期，采空区等区域极易出现遗煤氧化蓄热，进而引发遗煤区域性高温或自燃[1-3]。从回撤时期煤体特征来看，煤体受动压影响较小，基本处于稳定的状态，稳态煤存在良好的氧化升温条件，加之低变质煤易自燃的特点，低变质稳态煤在回撤时期防灭火管控难度大幅增加[4-6]。国内外学者通过实验、模拟等方法，对煤温的发展态势进行了研究。国内学者认为，煤温与煤自燃过程中的耗氧放热均密切相关[7]；在模拟条件下，回撤时期煤温呈非线性升高的特征，煤自燃高温区域主要集中于采空区两侧一定范围内[5]；赵文彬等通过FTIR 实验分析认为，煤样随着温度的升高，吸附氧的能力增强，煤自燃危险性增大[8]；刘少南得出煤体较高的初始温度可缩短煤的自然发火期[9]。国外学者通过煤的绝热炉试验发现，同一煤样在不同初始温度条件下，初始温度影响了煤的氧化速率和自然发火期[10-11]；通过煤的自热研究发现，低变质煤初始温度在20～22 ℃时，不到19 d 就达到了热失控[12]。但实验与模拟所构建的环境及条件难以完全与现场实际情况相符，其结果亦存在偏差。以神华国能哈密煤电有限公司大南湖一矿1305 综放工作面回撤时期的低变质稳态煤作为研究对象，通过红外热成像仪测定的温度数据为基础，研究低变质稳态煤在工作面设备回撤时期的实际温度分布情况，并阐明温升规律。

1 矿井概况

大南湖一矿位于新疆哈密市境内，现主要开采的3#煤层属低灰、低硫、特低磷、高挥发分、低发热量、富油、中等黏结性的褐煤。矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，3#煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，煤层最短自然发火期为37 d，煤尘具有爆炸危险性。1305 工作面采用综合机械化放顶煤开采方法，倾向长度240 m，煤层倾角平均8°，共设置138副液压支架，上覆及下覆煤层尚未开采。

1305 综放工作面末采时采用“U”型通风的方式，上行通风的方法。工作面液压支架回撤过程中，当工作面顶板开始塌落时，开启局部通风机向设备回撤地点供风，工作面由矿井全风压通风调整为局部通风机通风。1305 综放工作面于2019 年7 月12日进入停采回撤阶段，8 月17 日完成设备回撤并永久封闭，历时37 d。

2 工作面回撤时期易自燃区域温度分布情况

2.1 工作面回撤时期空气流动特性

工作面设备回撤时期，我国矿井普遍针对采空区采取积极的防灭火技术措施，但根据现场总体实际观测结果来看，液压支架顶部煤体出现自然发火的风险要高于采空区。液压支架顶部煤体容易自燃主要是由于液压支架后部的空气流动特性所致。工作面设备回撤时期液压支架后部空气流动示意图如图1。

图1 工作面设备回撤时期液压支架后部空气流动示意图Fig.1 Schematic diagram of the air flow behind the hydraulic support during the withdrawl of equipment

1305 工作面设备回撤时期在采取全压通风时，液压支架后部风流沿着掩护梁向上部至顶部扩散，而采空区表面煤体在采取封堵措施后，工作面风流扩散至采空区内部的幅度将减小，采空区内部漏风主要为地表漏风。工作面设备回撤时期，液压支架上部煤体出现温度持续升高或局部高温的情况，其原因在于：①低速风流持续为破碎煤体供氧；②液压支架掩护煤体造成热量不易散发；③液压支架上部煤体破碎程度较高，且破碎程度越高的区域越容易出现高温点。

2.2 工作面回撤时期可视化易自燃区域

通过红外热成像仪对工作面温度数据进行采集，工作面设备回撤时期各区域煤体可视化温度图像如图2。分析认为在工作面设备回撤时期可视化易自燃区域为：①液压支架架间煤体；②液压支架顶梁与掩护梁之间煤体；③液压支架顶部煤体。其中液压支架顶部煤体需要通过液压支架顶梁间接观测，所监测到的煤体温度数据有一定的滞后性。

图2 工作面设备回撤时期各区域煤体可视化温度图像Fig.2 Visualized temperature images of coal in various regions

通过监测完整回撤过程中工作面的温度，认为工作面设备回撤时期采取采空区连续注氮和液压支架后部采空区表面煤体全断面喷浆封堵的防灭火措施后，回撤时期人工检测工作面气体体积分数及温度的重点区域应考虑为液压支架顶梁与掩护梁之间的裸露煤体，此位置可直接反映液压支架顶部及附近区域的煤体温度。人工检测应以温度作为遗煤自燃的主要判别指标，辅以CO、C2H4等自然发火标志性气体，其原因在于工作面设备回撤时期液压支架顶部区域为低风速区，容易造成气体积聚，出现CO气体体积分数高于常值的情况，影响煤体自然发火的判断。

2.3 工作面回撤时期易自燃区域温度分布情况

根据现场实测结果分析来看，液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体初始温度平均值为25.7 ℃，液压支架架间裸露煤体初始温度平均值为23.5 ℃，液压支架后部采空区表面煤体初始温度平均值为24℃。液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体初始温度垂线图如图3。液压支架顶部煤体初始温度较高的基本集中在52#液压支架以下，处于工作面中下部，其原因是由于受工作面通风方式的影响，进风位置处较中上部位置处的液压支架顶部煤体受低速风流干扰较为严重，加之工作面中下部煤体受矿压影响较大，煤体破碎严重。根据现场采取液压支架架间钻孔压注封堵材料时发现，温度较高区域的煤体破碎程度较高，在钻孔施工过程中煤体呈现出“外实内空”的状态。

图3 液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体初始温度垂线图Fig.3 Vertical line graph of the exposed coal initial temperature between the hydraulic support roof beam and shield beam

液压支架架间裸露煤体初始温度垂线图如图4。初始温度较高的基本集中在66#液压支架以下。图3 与图4 对比分析，在回撤初期，并未完全呈现出顶部煤体与架间煤体相互影响的状态，两者温度分布较为独立。同时，这种温度独立分布的状态和温度分布情况，表明液压支架顶部至后部掩护梁位置的煤体自燃风险高于架间煤体。

图4 液压支架架间裸露煤体初始温度垂线图Fig.4 Vertical line graph of the adjacent hydraulic supports exposed coal initial temperature

3 工作面回撤时期稳态煤温升规律

3.1 液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体温升规律

利用红外热成像仪，对工作面设备回撤时期液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体进行了全断面温度数据采集。工作面中下部液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体温升曲线图如图5，工作面中上部液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体温升曲线图如图6。

工作面液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体温度总体呈缓慢上升趋势，初始温度较高的23#液压支架煤体后期并未出现温度急剧增长的情况，液压支架顶梁与掩护梁之间裸露的煤体温度总体呈每2 d 增长0.5～1 ℃左右。由于液压支架从工作面下部开始回撤，后期改为局部通风机通风，风筒铺至待回撤液压支架后部，受通风方式影响，待回撤液压支架附近风流速度有所提升，起到一定散热作用，待回撤液压支架附近煤体温度有所下降。

工作面设备回撤时期，受通风、回撤进度和防灭火技术等因素的影响，各区域煤体在初始温度的基础上呈缓慢上升趋势，期间温度偶有波动。回撤完毕时，工作面未出现自然发火的情况。但应注意的是，若人工检测出温度发生较大幅度上升时，应由每天调整为每班的频率进行检测，并且将温度与标志性气体结合起来判断，及时采取防灭火技术措施。

3.2 液压支架后部采空区表面煤体温升规律

1305 工作面在液压支架后部采取采空区表面煤体全断面喷浆封堵措施，7 月17 日从回风隅角开始喷浆，喷浆至工作面中部时，调整为从工作面下部向上喷浆，7 月22 日完成全断面喷浆封堵工作。工作面中下部液压支架后部采空区表面煤体温升曲线图如图7。工作面中上部液压支架后部采空区表面煤体温升曲线图如图8。

图7 工作面中下部液压支架后部采空区表面煤体温升曲线图Fig.7 The goaf surface coal temperature rise curves in the middle and lower working faces

图8 工作面中上部液压支架后部采空区表面煤体温升曲线图Fig.8 The goaf surface coal temperature rise curves in the middle and upper working faces

液压支架后部采空区表面煤体初始温度整体上要低于液压支架顶部煤体温度，且工作面中下部采空区表面煤体温度波动幅度略大于工作面中上部。在喷浆后部分区域的煤体表现出温度升高再下降的情况，尤其是工作面中下部，根据总体温度数据来看，喷浆后部分区域存在热量散发期和热量稳定期，之后温度呈每2 d 增长0.5～1 ℃的趋势。

4 结 论

1）受工作面液压支架后部空气流动特性影响，设备回撤时期易自燃区域为：①液压支架架间煤体；②液压支架顶梁与掩护梁之间煤体；③液压支架顶部煤体。其中液压支架顶部至后部掩护梁位置的煤体自燃风险较高。

2）工作面设备回撤时期，液压支架顶梁与掩护梁之间裸露煤体平均初始温度高于液压支架架间裸露煤体和采空区表面煤体，且初始温度较高的位置较为集中在工作面中下部。在回撤初期，液压支架顶部煤体与架间煤体温度分布较为独立，并未完全呈现出相互影响的状态。温度较高的区域煤体破碎程度较高，甚至呈现出“外实内空”的状态。

3）总体上，液压支架附近及采空区表面煤体呈0.5～1 ℃/2 d 的趋势增长；液压支架后部采空区表面煤体在采取喷浆封堵措施后，存在热量散发期和热量稳定期的现象。

4）工作面设备回撤时期，在采空区采取综合防灭火技术措施的情况下，回撤时期人工检测的重点区域应考虑为液压支架顶梁与掩护梁之间的裸露煤体，并且应以温度作为遗煤自燃的主要判别指标，辅以CO、C2H4等自然发火标志性气体进行综合判断。