新景矿综采工作面自燃“三带”范围分布规律研究

陈守钰

（华阳新材料科技集团有限公司，山西 阳泉 045000）

1 概况

煤的自燃倾向性分为容易自燃、自燃、不易自燃3 类，山西新景矿有限责任公司15 号煤层属于Ⅱ类自燃煤层，为了保障15 号煤层15317 综放工作面高效生产，确保安全推进速度，需要对采空区自燃“三带”进行测定。

山西新景矿煤业有限责任公司井田面积64.747 km2，均为优质无烟煤，生产能力为450 万t/a，是煤与瓦斯突出矿井，开采的煤层是3、8、9、15 号煤，其中15 号煤层被测定为II 类自燃煤层，其他煤层为不易自燃煤层。15 号煤层15317 综放工作面属于Ⅱ类自燃煤层，位于芦南采区南翼中部，工作面标高367—467 m，地面标高910—1 049 m，埋藏深度为478—610 m。工作面走向长969 m，倾斜长215 m，面积208 335 m2。工作面所采煤层为15 号煤，煤层结构为0.32（0.30） 2.95（0.60）2.45，煤层总厚6.44～8.00 m，平均厚度6.62 m，工作面煤层倾角3°～14°，平均倾角8°。该综放工作面东为15316 工作面（未掘），南为15323工作面（未掘）。西、北面分别是15318 工作面（正掘）、芦南采区大巷（已掘）；该综放工作面上方3 号煤层71115 工作面、71117 工作面，8 号煤层2108 工作面、2109 工作面、2111 工作面，9 号煤层9108 工作面均已开采，其余煤层均未开采。该综放工作面采用U 型通风系统，1 条进风巷、1条回风巷进行通风。

因此，合理划分和确定15317 综放工作面采空区自然发火“三带”是综放工作面采空区防火的重要依据。

2 采空区自燃“三带”现场试验研究

综放工作面采空区自然发火“三带”可划分为散热带、氧化带和窒息带。散热带紧靠工作面，随着综放工作面的推进，岩块堆积孔隙多而松散，漏风率较大，导致热量不易存储，因此不易自燃；氧化带岩块堆积压实，漏风率较小，导致热量易存储，再加上生产推进遗留的煤，因此容易自燃；窒息带岩块堆积更加紧密，漏风逐渐消失，氧气浓度直线下降，由于氧气浓度的缺失，即使遗煤发生自燃，进入窒息带也因氧气浓度含量不足而熄灭，因此窒息带不易自燃。如图1 所示。

图1 采空区自燃“三带”示意Fig.1 Schematic diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf

2.1 采空区自燃“三带”划分依据

采空区自燃“三带”划分方法经常使用2 种方法。

（1） 参照煤自然发火临界氧浓度指标来划分，一般将氧气浓度＞15%～18%划分为散热带，将5%～8%≤氧气浓度≤15%～18%划分为氧化带，将氧气浓度＜5%～8%划分为窒息带。

（2） 参照采空区内的漏风风速来划分，漏风的风速＞0.24 m/min 时为散热带，漏风的风速在0.1～0.24 m/min 区段时为氧化带，漏风的风速＜0.1 m/min 时为窒息带。

此次根据15317 综放工作面采空区实际情况，选取煤自然发火临界氧气浓度指标来划分采空区自燃“三带”，便于观察和操作。

2.2 采空区自燃“三带”现场测定

15317 综放工作面采空区自燃“三带”的测定与划分采用束管监测监控技术。在工作面进行铺设束管，并延伸到采空区内，然后在束管末端加设粉尘过滤器，最后依托KJ428 型矿用分布式激光火情监测系统抽取采空区内的气体，对气体成份进行分析，依据气体成份分析的氧气浓度结果，判断采空区自燃“三带”的分布规律。

此次测定主要使用的观测仪器仪表包括集束束管（6 路）、保护管路（2 寸钢管300 m）、连通套管（6 个3 寸钢管或者1 寸半钢管，需300 mm）、三通探头6 个（高500 mm，钢管周围打满筛眼）、快速接头30 个、弯头2 个（2 寸） 等。

2.2.1 束管监测点布置

15317 综放工作面可采走向长度969 m，倾斜长215 m。进、回巷沿工作面走向煤壁各布置3 个束管测点，进风巷测点编号为1、2、3 号，回风巷测点编号为4、5、6 号，如图2 所示。

图2 工作面采空区测点布置示意Fig.2 Layout of measuring points in goaf of working face

沿15317 综放工作面回风顺槽外帮预埋2 寸钢管150 m，每隔30 m 布置1 个测点，每个监测点内安设束管采样器，综放工作随着生产逐日推进，1～6 号测点随着工作面推进，束管监测点循环进入“散热带”、“氧化带”和“窒息带”，观测束管监测点氧气浓度，判断采空区“三带”分布规律。

束管外套2 寸无缝钢管，钢管连接处采用螺纹接口，进行钢管连接保护钢管内的束管。从上隅角外5 m 到束管采样器铺设的束管都要加套管保护，束管末端加设粉尘过滤器，采样器埋入采空区时，距离底板大约400 mm 并紧靠巷帮，测点采样器结构如图3 所示。

图3 测点采样器结构Fig.3 The structure of measuring point sampler

2.3 监测数据分析与结论

现场实测过程中，依据各监测点氧气浓度数据进行分析。

2.3.1 进风巷采空区氧气浓度数据分析

15317 综放工作面进风巷1～3 号监测点氧气浓度随着工作面推移进入采空区内变化曲线如图4～图6 所示。

图4 进风巷1 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.4 Change curve of oxygen concentration at No.1 measuring point of air inlet roadway with depth of entering goaf

图5 进风巷2 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.5 Change curve of oxygen concentration at No.2 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

图6 进风巷3 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.6 Change curve of oxygen concentration at No.3 measuring point of air inlet roadway with depth into goaf

（1） 1 号测点进入采空区44.82 m 左右时，氧气浓度降至18%以下；随着工作面推移进入采空区118.52 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

（2） 2 号测点进入采空区47.02 m 左右时，氧气浓度降至18%以下：随着工作面推移进入采空区123.22 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

（3） 3 号测点进入采空区50.02 m 左右时，氧气浓度降至18%以下；随着工作面推移进入采空区121.92 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

2.3.2 回风巷采空区氧气浓度数据分析

15317 综放工作面回风巷4～6 号监测点氧气浓度随着工作面推移进入采空区内变化曲线如图7～图9 所示。

图7 回风巷4 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.7 Change curve of oxygen concentration at No.4 measuring point of return airway with depth into goaf

图8 回风巷5 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.8 Change curve of oxygen concentration at No.5 measuring point of return airway with depth into goaf

图9 回风巷6 号测点氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.9 Change curve of oxygen concentration at No.6 measuring point of return airway with depth into goaf

（1） 4 号测点进入采空区32.69 m 左右时，氧气浓度降至18%以下；随着工作面推移进入采空区94.19 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

（2） 5 号测点进入采空区33.39 m 左右时，氧气浓度降至18%以下：随着工作面推移进入采空区99.09 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

（3） 6 号测点进入采空区31.19 m 左右时，氧气浓度降至18%以下；随着工作面推移进入采空区93.89 m 左右时，氧气浓度降至5%以下。

2.3.3 采空区自燃“三带”划分

根据上述分析数据，取各组测点平均值，并按照氧气浓度5%～18%作为采空区自燃“三带”范围划分的依据，对15317 综放工作面采空区自燃“三带”进行划分，详见表1、图10。

表1 15317 综放工作面采空区自燃“三带”分布范围Table 1 Distribution range of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

图10 15317 综放工作面采空区自燃“三带”示意图Fig.10 Diagram of spontaneous combustion'three zones'in goaf of 15317 fully mechanized caving face

采用进风侧氧化带右边界121.2 m 和回风侧氧化带左边界32.4 m 差值作为15317 综放工作面采空区氧化带宽度，即88.8 m。

3 综放工作面安全推进速度

依据华北科技学院出具的《山西新景矿煤业有限责任公司15 号煤层煤样最短自然发火期》测定报告，最短自然发火期为78 d。依据山西新景矿煤业有限责任公司15 号煤层最短自然发火期为78 d和15317 综放工作面采空区氧化带宽度为88.8 m，可计算出15317 综放工作面的最小安全推进速度：

带入数据计算得，15317 综放工作面的最小安全推进速度为1.1 m/d。当工作面平均推进速度大于1.1 m/d 时，采空区没有自然发火的危险；当工作面连续超78 d 平均推进速度小于1.1 m/d 时，采空区将有自然发火危险。

4 结语

本文对山西新景矿15317 综放工作面采空区自燃“三带”进行了测定，得出15317 综放工作面采空区氧化带宽度为88.8 m，据此计算出最小安全推进速度为1.1 m/d，为工作面安全开采提供了数据支持，保障了工作面安全高效开采。