浅埋深煤层长综放面采空区自燃

浅埋深煤层长综放面采空区自燃“三带”研究刘新德摘要: 针对五家沟煤矿煤层的自然发火倾向问题， 进行了采空区内的氧气体积分 数、漏风强度分布与温度变化观测研究，得到了采空区自燃“三带”范围，研究 结果表明：在采空区回风巷，氧化带距离工作面范围为 46~180m，在采空区进风 巷，氧化带距离工作面范围为 71~245m ，工作面最大安全氧化升温带宽度为 540m，最小安全推进速度为 1.94m/d，研究成果为易自燃煤层长综放面采空区自 然发火的防治提供了理论依据。

关键词：自燃“三带” ；氧化升温带；综放采空区；漏风强度 中图分类号: TD75 文献标志码: A 文章编号:0 引言煤炭自燃是矿井的主要自然灾害之一，我国矿井自然发火危险性严重，比例 大，覆盖面广[1]。

在国有重点煤矿中，56%的存在自然发火问题，其中采空区遗 落煤自然火灾占主体地位 60%[2-3]，通常根据漏风状况，将采空区划分为散热带、 氧化升温带与窒息带[4]。

为了提高生产效率，近年来煤矿采用综放开采技术的同 时，不断增加工作面的长度和走向距离，使工作面两端风压大、漏风严重，且采 空区遗留残煤多，使采空区自然发火规律与常规工作面不同[5]。

因此，准确划分 长综放面采空区自燃“三带” ，对矿井的防灭火工作具有现实的指导意义。

1 工作面概况五家沟煤矿 5201 综采放顶煤工作面位于井田二采区，工作面上下顺槽两条 巷道及切眼均沿 5 号煤上、下层间距布置，两道相互平行，按中线掘进，主运顺 槽与二采区储煤仓连接。

工作面倾斜长度 300m，走向长度 2200m，煤层平均厚 度 10.5m。

5 号煤层为自燃～容易自燃煤层，自燃发火期为 3~6 个月，煤尘有 爆炸性，为低瓦斯矿井。

煤机一次采高 3.3m，放煤 7.2m，采放比为 1：2.18，最 小控顶距 7.0m，最大控顶距 7.8m，放顶步距 0.8m。

2 采空区浮煤厚度根据以上综放面回采和巷道资料可计算出，5201 工作面采空区进回风顺槽及两端头支架处浮煤厚度 9.6m， 中部范围的浮煤厚度 2.4m。

若以 0.3m 作为采空 区能产生蓄热的最小浮煤厚度，则 5201 综放面采空区浮煤厚度均大于最小浮煤 厚度，若采空区满足风速、氧气浓度和停留时间条件，则所有区域均有自然发火 的可能。

3 采空区自燃“三带”划分3.1 采空区现场监测 根据自燃“三带”划分理论，需对采空区内煤体的温度、气体成分及浓度进行 观测。

采空区的气体成份和温度观测采用埋设束管和温度传感器测定，在五家沟 煤矿现开采工作面上、 下顺槽各设三个测点，每个测点里安设一个温度传感器和 一根束管，如图 1 所示，回风巷 1 号与 2 号、2 号与 3 号测点间距分别为 30m。

进风巷 1 号与 2 号、2 号与 3 号测点间距分别为 30m。

随着工作面的推进，通过 对各测点进行测温和取样分析， 得出采空区内与煤壁不同距离点的煤体温度和气 体成份参数，结合采空区遗煤自燃氧化理论，对采空区内煤温、氧气的体积参数 随采空区的深度的变化规律进行分析， 从而确定出采空区浮煤自燃的“三带”分布 状况。

进风风流 进风巷大于工 作 面 煤 体大于回风巷 回风风流图 1 综放面埋管观测点布置3.2 采空区气体数据分析 自 2012 年 1 月 6 日开始对 5201 工作面采空区气体进行观测，观测时长约 2 个月。

采空区束管监测气体浓度如图 2 与图 3 所示：图 2 回风巷测点氧浓度随进入采空区深度变化曲线图 3 进风巷测点氧浓度随进入采空区深度变化曲线由图 2 与图 3 可以看出， 采空区氧气浓度随着测点在采空区的埋进深度增加 而逐渐降低。

在回风侧，曲线斜率绝对值较大，说明在回风侧氧气浓度随工作面 推进下降较快，这主要是因为采空区中部顶板垮落较好，压实程度较好，使回风 侧采空区氧气浓度迅速下降；当测点埋深在 60m 左右处，氧浓度降至 18%；测 点埋深在 180m 左右处，氧浓度降至 7%。

在进风侧，测点埋深在 85m 左右处， 氧浓度降至 18%；测点埋深在 234m 左右处，氧浓度降至 7%。

3.3 采空区温度数据分析 根据五家沟煤矿 5201 工作面现场观测数据，采空区回风 1 号、进风巷 1 号 观测点温度数据及温升速率如图 4~5 所示：图4测点温度随埋深变化图 5 测点温升速率随埋深变化由图 4 及图 5 可以看出， 测点温度都先有一段平稳期，然后随着测点的埋深 逐渐升高，但最高温度均小于 40℃，最后逐渐降低。

进风测点最高温度 36.5℃， 在 80m 以后开始大幅度上升，在 80m 以后温升速率大于 1，自 80m 至 216m 之 间，温升速率大部分大于 1。

回风侧最高温度 37.6℃，在 50m 以后开始大幅度上 升， 在 60m 以后温升速率大于 1， 自 65m 至 165m 之间， 温升速率大部分大于 1。

3.4 采空区漏风强度计算 松散煤体是十分复杂的多孔介质， 在实际条件下引起煤体自燃的漏风速度极 小，且漏风分布是时间和空间的函数。

在实际应用中，经常利用实测氧气浓度推 算漏风强度。

氧气浓度测算法是通过实际测定的氧浓度分布反推漏风强度。

假定漏风流仅沿一维流动， 当松散煤体内漏风强度恒定不变时， 可求出漏风强度与氧浓度关系： 错误！未指定书签。

Q ( X i ) 0 VO (T ) ( xi 1  xi ) 2 i CO 2 i 1 CO 2（1）C0 O2ln()式中，错误！未指定书签。

为新鲜风流氧浓度，取 9.375×10-6mol/cm3 错误！ 未指定书签。

；错误！未指定书签。

为实验测定煤温为 T、氧浓度为 21%时的耗 氧速率，mol/(s．cm3)错误！未指定书签。

；错误！未指定书签。

为采空区处的漏 风强度，cm3/（s· cm2）错误！未指定书签。

；错误！未指定书签。

Xi+1、Xi 分别为 采空区两点距工作面的距离，m。

根据五家沟煤矿煤样自燃性实验测试和 5201 面采空区实际观测结果，取煤 样 25℃时的耗氧速度：V0(T)=2.485×10-10mol/(cm3· s)，并利用已测得的采空区氧 浓度分布规律，由式（2）可推算出采空区漏风强度分布。

图6回风巷测点漏风强度随埋深变化图7进风巷测点漏风强度随埋深变化采空区漏风强度如图 6 与图 7 所示， 采空区漏风强度随着测点在采空区的埋 进深度增加而逐渐降低，尤其在前 50m 下降较明显，进风巷漏风强度从 1.23cm3/ （s· cm2）降到 0.59 cm3/（s· cm2） ， 回风巷漏风强度从 0.88 cm3/（s· cm2）降到 0.34 cm3/ （s· cm2） ；在同样的埋深时，进风巷漏风强度比回风巷地要大；整体上进风巷的 影响范围比回风巷的要远。

在回风侧，当测点埋深在 46m 左右处，漏风强度降 至 0.40cm3/（s· cm2） ；测点埋深在 180m 左右处，漏风强度 0.17cm3/（s· cm2） 。

在进 风侧， 测点埋深在 71m 左右处， 漏风强度降至 0.40cm3/ （s· cm2） ； 测点埋深在 245m 左右处，氧浓度降至 0.17 cm3/（s· cm2） 。

3.5 采空区自燃“三带”划分 在危险区域划分方面， 国内广泛应用了氧浓度划分法、漏风强度划分法和升 温率划分法[6-9]。

氧浓度划分法认为， 采空区氧浓度在7%~18%范围内的区域为氧 化升温带；漏风强度划分法认为漏风风速在0.17~0.4cm3/（s·cm2)范围内的区域 为氧化升温带； 升温率划分法认为采空区内升温率K>1℃/d的区域为氧化升温带。

根据5201工作面采空区氧浓度以、温度观测数据以及漏风强度计算结果，按 照各标准划分的采空区自燃“三带”范围，按照自燃危险区域范围取大舍小的原 则，可得五家沟煤矿5201工作面采空区自燃“三带”的范围（见表1） ，最大氧化 升温带宽度为174m。

表 1 5201 工作面采空区自燃“三带”范围 划分方法 O2 浓度法 回风侧 进风侧 散热带范围（m） 氧化升温带范围（m） 0~60 0~85 60~180 85~234 窒息带范围 （m） 180~ 234~温度法 漏风强度法 综合判定回风侧 进风侧 回风侧 进风侧 回风侧 进风侧0~65 0~80 0~46 0~71 0~46 0~7165~165 80~216 46~167 71~245 46~180 71~245165~ 216~ 167~ 245~ 180~ 245~4 最小安全推进速度五家沟煤矿 5 号煤层自然发火期约为 3~6 个月。

按最短自然发火期 90 天来 计算。

最小安全推进速度为： min Lmax174  1.94 m / d 90（2）五家沟煤矿 5201 工作面一般推进速度在 6~7m/d， 远大于最小安全推进速度 1.94m/d。

五家沟煤矿 5201 工作面最大安全氧化升温带宽度为：L0   min  vo  90 6  540m一般来说， 对于 300m 倾斜长度的大综放面， 由于采空区中部煤层顶板垮落， 煤体压实， 造成漏风风流不畅， 中部采空区自燃氧化升温带的范围会比两道要窄。

由于工作面的快速推进， 五家沟煤矿 5201 工作面最大安全氧化升温带宽度 540m 远大于最大氧化升温带宽度为 174m，采空区不易出现浮煤自燃现象。

5 结论（1）沿着采空区走向，氧气体积分数与漏风强度逐渐下降，回风巷氧气体 积分数比进风巷地下降快；进风巷的漏风强度比回风巷的要大，影响范围要深。

采空区温度都先有一段平稳期， 然后随着埋深增加逐渐升高，但最高温度均小于 40℃，最后逐渐降低。

（2）综合考虑采空区内的氧气体积分数、漏风强度分布与温度变化，得到 采空区自燃 “三带” 范围。

在采空区回风侧， 氧化带距离工作面范围为 46~180m； 在采空区进风侧，距离工作面范围为 71~245m。

5201 综放面采空区进风侧自燃 氧化升温带比较宽，最大宽度为 174m；回风侧较窄，为 134m。

（3）5201 综放面采空区最小安全推进速度为 1.94m/d，最大安全氧化升温 带宽度 540m，由于工作面推进快速，采空区不易出现浮煤自燃。

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