综采工作面采空区自燃三带划分研究

武 帅

(山西省煤炭职业中等专业学校，山西 太原 030006)

在工作面回采过程中，采空区煤层自燃现象时有发生，采空区防灭火已经成为了矿井防灭火的重点工作之一[1-2]。然而掌握煤炭自燃时所释放出的标志气体能够提高煤炭早期自燃预测预报的准确性，掌握煤层自燃“三带”(散热带、自燃带、窒息带)的分布情况，对于准确、有效地实施防灭火技术至关重要[3-4]。因此本文以王庄煤业3508工作面采空区煤层自燃防治为背景，通过实验室测定、数值模拟、现场检测等方法确定了3号煤层自燃的标志性气体，对采空区自燃“三带”进行了准确的划分，为矿井科学有效地进行防灭火奠定了坚实的基础。

1 工程概况

山西长治王庄煤业有限责任公司隶属于长治市长治县，矿井采用斜井开拓，采用主通风机全负压进行通风，通风方式为“U”型独立通风。3号煤层为不易自燃煤层，自燃倾向性等级为Ⅲ级，具有爆炸危险性。矿井绝对瓦斯涌出量为11.01 m3/min，相对瓦斯涌出量为 2.6 m3/t。3508综采工作面位于矿井3号煤层，煤层倾角1～11°，平均6°，煤层平均厚度4.83 m，走向长度2 016.04 m，倾向长度128.6 m，工作面配风量1 884 m3/min。

百日咳杆菌、杜克雷嗜血杆菌、流感嗜血杆菌*$、副流感嗜血杆菌、嗜肺军团菌、卡他莫拉菌*和淋病奈瑟球菌。

2 煤层自燃标志性气体确定

采空区煤层自燃前期低温氧化过程中会释放出气体，该气体随煤质的不同表现出不同的种类。因此特对3508工作面煤在实验室进行了程序升温热解实验，得到了CO、CH4、C2H4和C2H6随温度升高的变化曲线。如图1所示。

本期我们采访了法国摄影师Réhahn，他专注于拍摄世界各地的人文风貌，希望在这些文明消逝之前，用影像记录它们。

图1 煤层自燃气体浓度随煤温的变化

现场对3508工作面进回风两条巷道采空区O2含量进行了监测，监测结果如图5和图6所示。

3 采空区三带分布分析

3.1 数值模拟分析

在现场作业工作完成后，要对现场进行仔细清理，并且注意要恢复现场的有关安全防护措施，还原原有的设备定置，防止由于作业而给现场留下日后的安全隐患。

图2 采空区氧浓度变化

现场监测点布置如图4所示。在采空区进、回风侧埋设束管进行取样分析，随着工作面的推进，束管埋管逐渐伸入采空区内，人工间断的采样监测采空区束管测点的O2含量，以此划分采空区三带范围。每天对采空区O2含量进行采集，并记录工作面推进度、三角区垮落等情况。

图3为工作面采空区自燃带分布曲线，图中靠近工作面的白色区域为散热带，18%和10%氧气浓度等值线之间的彩色区域为自燃带，而氧气浓度小于10%的区域为窒息带。根据图3分析可得，自燃带由采空区回风侧向采空区进风侧延伸时，宽度逐渐增加，回风侧自燃带宽度与采空区中部及进风侧相比较窄，由图可知，在进风巷一侧自燃带范围为80～140 m，自燃带宽度为60 m，采空区中部自燃带范围20～80 m，自燃带宽度约为60 m，回风巷一侧自燃带范围5～10 m，自燃带宽度约5 m。与采空区氧气浓度变化图结果一致。

图3 采空区的自燃带分布

3.2 现场监测方案

由图2可以看出，采空区进风侧、中部和回风侧氧气浓度呈现出了不同的变化规律。氧气浓度从进风侧向回风侧逐渐降低，进风侧深入采空区80 m附近时，氧气浓度降低到18%，直到140 m附近时下降到10%；中部区域进入采空区20 m左右的位置氧气浓度下降至18%，在80 m左右处氧气浓度为10%；回风侧进入采空区极短的距离内氧气浓度下降到18%，在采空区10 m左右的位置氧气浓度急速下降至10%.

采用数值模拟软件COMSOL对采空区氧气浓度变化进行模拟，采空区氧浓度变化规律如图2所示。

图4 现场监测点布置

3.3 现场监测数据分析

由图1可以看出，CO遇到煤层高温后反应最强烈，当煤温达到40 ℃时开始产生，随着温度的升高逐渐增加，当煤温达到70 ℃以后，CO的产生速率、产量都迅速增加。CH4、C2H4和C2H6浓度也随着煤温的增加而逐渐增加，CH4、C2H6浓度从煤温30 ℃开始增加，而C2H4从煤温90 ℃以后才开始产生，虽然CH4、C2H6对于温度较为敏感，反应强烈，但是总体产生量较小，考虑到现场实际检测情况，3508工作面以CO为标志性气体，C2H4可作为辅助性指标来判断煤层自燃情况。

图5 进风侧采空区O2含量变化

图6 回风侧采空区O2含量变化

其中：Lmax为散热带和自燃带总长度，m；T为最短自然发火期，d。

图7 3508综采工作面采空区三带分布

4 3508工作面安全推进度

图3可见，考核数据集分析结果显示随着样本量增加，符合率逐渐降低，最终稳定均在0.75以上；多分类Logistic模型判对率均在0.82以上。

由图5可以看出，进回风侧采空区不同位置处，氧气含量也不同。进风侧：采空区80 m处氧气含量18.23%，随采空区不断深入，氧气浓度也在下降，当采空区深入140 m位置时，氧气含量10.05%，之后继续下降；回风侧：采空区10 m处氧气含量9.8%，随采空区不断深入，氧气浓度逐渐下降；由此可以看出，散热带和自燃带在进风侧要比回风侧范围更广，实测结果与数值模拟结果相近，结合数值模拟结果，3508工作面采空区三带分布如图7所示。

为了降低采空区煤层着火威胁，根据3508工作面采空区三带分布情况，计算出工作面的安全推进度。见下式：

空间外差光谱仪捕获到观测物质的干涉图信息，利用干涉图与复原光谱间的傅里叶变换关系提取出目标光谱信号.传统的傅里叶变换法提取的光谱存在分辨率低、估计谱线浮动剧烈、混叠误差严重等缺陷[7-8].简小华等利用现代谱估计中的多重信号分类(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法对传统傅里叶变换单色光谱信号进行提取，光谱复原效果很好，但在复色光谱复原方面还存在一系列问题，而且MUSIC算法对于信号空间维数p的取值十分敏感，虽然手工调试能获取最佳维数p值，但过程繁琐、耗时长，当需要处理数据量较大时，手工调试将无法完成工作 [9-15].

根据3508三带分布情况，散热带和自燃带总长度为140 m，3号煤层最短自然发火期为113 d，因此3508工作面安全推进度不得小于1.2 m/d。如果工作面推进度大于1.2 m/d，采空区煤层自燃威胁较小；如果工作面推进度小于1.2 m/d，采空区煤层自燃威胁大大增加。根据现场实际情况，工作面推进度要远大于1.2 m/d，因此3508工作面采空区煤层不会发生自燃现象。

5 结 语

1) 通过对3号煤实验室进行了程序升温热解实验，得出将CO为标志性气体来判断煤层自燃情况。

2) 通过现场检测及数值模拟试验，确定了3508工作面采空区三带影响最广范围散热带：0～80 m；自燃带：80～140 m，窒息带：大于140 m。散热带和自燃带由采空区进风侧向采空区回风侧延伸时，宽度逐渐减小，回风侧散热带与采空区中部及进风侧相比较窄。

3) 根据采空区三带影响范围计算出了3508工作面安全推进度为1.2 m/d。