采空区“三带”测试技术方案
工作面“三带”观测技术与应用
工作面“三带”观测技术与应用作者：夏步友来源：《科技风》2020年第06期摘;要：为确定采煤工作面采空区三带范围及动态移动情况、采煤范围内着火隐患源头面积及采煤的允许回采工作进度。
推断采空区在不同速度推进时的自燃危险性和实际条件下的自然发火期，以及对相似工作面的防灭火措施提供依据，做到超期预控，需对工作面采空区进行“三带”观测工作。
关键词：采煤工作面;“三带”;技术;应用一、现状分析采空区自然发火是影响煤矿安全生产的一项重大隐患，控制采空区自然发火的措施多样，超前掌握采空区发火规律有利于更好的采取灭火措施，更好的确保煤矿安全生产。
目前，提前获取采空区发火规律的措施主要有热电偶和束管取样测定技术，而我公司以前采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，此次采空区内的气体成分采用埋管抽取检测。
由于前期束管敷设没有充分考虑到采空区积水的影响，导致束管被堵，无法获取准确的数据。
因此，考虑重新敷设束管进行第二次观测。
为确定采煤工作面采空区三带范围及动态移动情况、采煤范围内着火隐患源头面积及采煤的允许回采工作进度。
推断采空区在不同速度推进时的自燃危险性和实际条件下的自然发火期，以及对相似工作面的防灭火提供依据，对首采工作面采空区进行“三带”观测工作。
该矿首采201工作面已经回采450m，剩余380m，推进速度为6m/天。
由施工单位生产服务工区根据现场实际情况，采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，束管采用DN50钢管进行保护，并将束管吊挂至距底板1.5米处的巷帮，防止束管进水，每隔50米设置一个观测位置。
将监测束管安装在采煤工作的两侧巷道内，当监测到工作面内O2的浓度不超过百分之五时，监测开始完毕。
观测位置具体分布如图下图所示。
按照热力学第一定律：即在一个封闭（孤立）系统的总能量保持不变。
当采煤工作面老空区内的残留煤氧化导致自然放出的热能超过煤层上下平面散发的热能和空气流动带走的热能的和时，就会引起工作面内的煤层的温度上升，进而会促使煤层自燃，也就是说煤矿工作面老空区内残留煤受空气氧化增加了热量导致温度上升应该符合以下算式：最终结论：煤矿工作面老空区内残留煤自然发火应，首先是工作面回采完毕后留有大量的残煤在老空区内，才导致工作面内残留煤受空气的氧化释放出大量的热能并且聚集在一起;其次是含有大量氧气的空气混入到煤矿工作面老空区内给予煤层温度上升提供支持;再就是要求漏风不能过于严重，以免煤层温度上升产生的热能让风吹走。
煤层工作面采空区自燃三带划分项目研究方案
煤层自然发火期、自燃标志性气体及工作面采空区自燃“三带”划分项目研究方案中国矿业大学安全工程学院二○一六年五月1 研究内容1.1主要研究内容1)测试煤层自然发火期；2)研究煤层煤氧化过程中生成的气体与煤温之间的关系，筛选预报煤层自然发火的标志气体，确定预报临界参数，建立指标气体与煤温的对应关系；3)测定工作面采空区内部温度、气体浓度随着工作面推进的变化规律，确定工作面采空区自燃“三带”；1.2研究目标1)确定煤层自燃早期预报的指标气体及其预报临界参数；2)查明工作面采空区自燃“三带”宽度；3)掌握工作面采空区自燃规律。
1.3技术路线1)通过对相邻矿井开采同类煤层的自然发火规律调查，并进行现场调研，分析煤炭自燃的发生规律及其影响因素；2)现场采集煤样，通过实验测试研究，对煤层的自然发火危险性、氧化特性和自燃倾向性进行鉴定评价；3)研究煤层氧化升温过程中各种气体的生成规律，确定工作面煤自燃预测预报标志气体；4)进行工作面采空区自燃“三带”测定，研究采空区自燃规律；2 研究方法煤炭自燃火灾是矿井常见主要灾害之一。
不仅可造成工作面停产，冻结已准备的煤炭资源，而且还可能造成大量人员伤亡。
淮北矿区部分矿井如朱仙庄矿、桃园矿、许疃矿等开采煤层具有自然发火危险性，发火期为3～6个月。
自然发火威胁矿井安全生产，因此，研究煤层自燃发火特征与防控技术是保证矿井安全生产的主要工作重点任务之一。
2.1 “三带”划分指标及方法的确定目前，确定划分“三带”的指标主要有三种：①采空区漏风风速V（V>0.24m/min为散热带；0.24≥V≥0.1m/min为自燃带；V＜0.1m/min为自窒息带）；②采空区氧浓度（C）分布（认为C＜6%为窒息带，C≥6%为自燃带或散热带）；煤的氧化反应顺利进行的前提条件是的供氧速度大于耗氧速度，否则则氧化过程将受到抑制；③温度升高速率。
在较长的一段时间内采空区遗煤温升速度1℃/d，则为自燃带。
1307首采面三带观测方案
招贤矿1307工作面采空区气体及温度观测现场实施方案对于一个特定煤层的自然发火，其煤的氧化放热性能是一定的，即是一个定数，只要浮煤厚度和粒度适中，采空区供氧充分，在发火期内推进距离小于自燃带宽度，就有可能发生采空区后方浮煤自燃。
因此，要对综放面采空区浮煤自燃做出预测，必须掌握采空区自燃带范围、原始温度，O2，CO，CO2和CH4浓度，以及工作面日常实际推进度、工作面风量等参数。
因此，采用现场埋管，束管抽取采空区气样，送入气相色谱仪分析，得出采空区各种气体浓度变化规律，辅助埋设的温度探头（根据实际情况而定）测定采空区温度变化情况，并结合数值模拟，研究分析采空区自热变化与分布规律，确定招贤矿1307工作面自燃“三带”的分布范围。
1 技术特点以及关键的仪器设备本次实测采用WRN系列热电偶和UT系列测温仪测试系统与束管抽气系统为现场实测手段，以色谱仪实验室分析采空区气体成份为依据，获得工作面采空区内气体、温度分布，以氧气含量8~18%作为“氧化蓄热带”的划分依据，以采空区实测温度作为三带划分的辅助指标。
1.1 温度测试系统WRN系列热电偶是工业用装配式热电偶，将其作为测量温度的传感器，显示仪表、记录仪表和电子调节器配套使用。
通过补偿导线与测温仪相连，可远距离直接测量0℃~1800℃范围内的液体，蒸汽和气体介质以及固体的表面温度。
与该传感器配套的测温仪为UT系列测温仪，采用液晶显示，清晰易读，如图1所示。
图1 UT系列测温仪和WRR系列热电偶1.2 抽气系统因铺设至采空区的束管长度较长，阻力较大，为能有效抽取深部采空区的气样，结合矿上现有的设备，本次测试采用CFZ20型自动负压采样器，它有效解决了用手动抽气筒抽取气样效率低、速度慢的缺点。
图2 CFZ20型自动负压采集器表1 自动负压采样器主要技术参数型号抽气速率正常工作实际CFZ-20 20L/min 12 h1.3 色谱分析系统抽取的气样由取样球胆承载送至地面气相色谱仪进行色谱分析。
工作面“三带”观测技术与应用
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最终结论!煤矿 工 作 面 老 空 区 内 残 留 煤 自 然 发 火 应" 首 先 是工作面回采完毕后留有大量的残煤在老空区内"才导致工作 面内残留煤受空气的氧化释放出大量的热能并且聚集在一起其次是含有大量氧气的空气混入到煤矿工作面老空区内给予 煤层温度上升提供支持-再就是要求漏风不能过于严重"以免 煤层温度上升产生的热能让风吹走%
参照采煤面的受压分布+采煤面老空区内( 两道) 受力情 况"包括氧气的含量情况"模拟了渗流模型"构造出来了采煤工 作面老空区内风流的泄露情况和氧气的含量情况%
二主要创新点 参照采煤工作面老空区残煤被氧化温度上升范围的宽度 b?"得出最大氧化升温带宽度 .GU?hGU?. ./ "从而计算出工作 面极限推进速度 #G/- "然后根据实际推进速度 #是否大于极限 推进速度 #G/- "确定采空区是否有自燃危险性% 三推广应用情况 在充分讨论+查阅资料的基础上"该矿实施了0 首采工作面 ( 三带) 观测技术与应用1 技术创新"此项技术在我公司新建矿 井进行了使用"效果良好"提前掌握到了一手技术资料"为下一 步工作面防灭火工程具有指导意义% 该项目科学合理"实用性 强"质量合格"同意推广使用"为后期采空区防火工作打下坚实 基础% 四社会效益和经济效益 $ 一% 经济效益 该项0首采工作面( 三带) 观测技术与应用1 创新技术"可 用来指导工作面的防灭火工作"做到了( 预测预报+超前控制) 避免了采空区自燃发火"提前消除了隐患% 减少了因自然发火 带来的停工+停产"给该企业带来的直接经济效益达上千万元% $ 二% 社会效益 该项技术的 推 广 应 用" 为 矿 井 防 灭 火 工 程 提 供 了 安 全 保 障"建立了矿井防灭火的技术保障体系"顺应了科学发展观和 建设安全和谐矿井的趋势% 大大满足了矿井的安全生产需要" 实施效果良好"避免了采空区自燃发火"极大地提高了矿井安 全生产的效率"促进了职工生产+生活的稳定% 参考文献 &$' 陈庆鸿!陆长杰&* 孤岛+ 综放工作面防灭火技术研究 与应用& 8' &山东煤炭科技!)%$0$%:% & &)' 裴晓东!张人伟!马伟南&高瓦斯易自燃采空区瓦斯与 煤自燃耦合模拟研究& 8' &煤炭科学技术!)%$0$%3% & &(' 李军&氮气防灭火技术在火区治理中的应用& 8' &煤炭 与化工!)%$9$$)% & &3' 赵春瑞!张锡佑!余大洋!王俊峰!邬剑明&复合胶体防 灭火材料的制备及其性能试验研究& 8' &中国煤炭!)%$9$$$% & 作者简介夏步友$$':%2% !男!汉族!山东金乡人!本科!工 程师!研究方向(采矿工程"
873综放面采空区自燃发火_三带_的划分及模拟分析
873综放面采空区自燃发火“三带”的划分及模拟分析收稿日期:2009-11-23;修订日期:2010-04-23作者简介:裴晓东（1981-），男，江苏徐州人，工学硕士，讲师，现从事安全技术及工程方面的科研与教学工作，已公开发表论文数篇,E-mail ：peixd119@ 。
裴晓东（中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州221116）摘要:根据朱仙庄煤矿873综放面采空区温度和气体成分的现场实测结果，利用氧气体积分数法划分出873综放面采空区自燃发火“三带”的分布范围。
同时，介绍了自编的煤矿采空区自燃发火“三带”模拟软件，并利用该软件对873综放面采空区自燃发火“三带”进行了计算机模拟分析，根据两条风速等值线绘制了采空区自燃发火“三带”分布图。
模拟结果与实测结果相吻合，表明该软件具有一定的实用性。
最后还分析了各相关因素对采空区自燃发火“三带”范围的影响情况。
关键词:综放工作面；采空区；自燃三带；计算机模拟中图分类号:TD75文献标识码:A 文章编号:1008-8725（2010）07-0074-04Partition and Simulation of Spontaneous CombustionThree-zone in Goaf at NO.873Fully-MechanizedFace with Caving of Roof CoalPEI Xiao-dong（School of Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Xuzhou 221116,China ）Abstract:According to the autoptical results of the temperature and air ingredients in goaf at NO.873fully-mechanized face with caving of roof coal in Zhuxianzhuang Coal Mine,then the spontaneous combustion three-zone in goaf on NO.873fully-mechanized with caving of roof coal face was partitioned by the oxygen concentration method.At the same time,it is introduced that the simulation software for determining the spontaneous combustion three-zone in goaf which has been developed by the author,and it is used to simulate the spontaneous combustion three-zone in goaf at NO.873fully-mechanized face with caving of roof coal,the chart of the spontaneous combustion three-zone was drawn on the basis of the two air velocity isograms,the simulation results are the same as the metrical results.Finally,the influence of some respect factors to the location of the spontaneous combustion three-zone is analyzed.Key words:fully -mechanized coal face with caving of roof coal;goaf;spontaneous combustion three-zone;computer simulation0前言综采放顶煤作为一种高产、高效技术在国内各大矿井普遍采用，但它在大幅度提高煤炭生产效率及产量的同时，在采空区遗留下了大量浮煤，加之推进速度不合理、对采空区可能的自燃区域了解不清等原因，使得自燃发火问题变得更加严重。
切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究
切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究摘要：采空区是煤自燃火灾发生的主要区域。
针对切顶留巷工作面采空区漏风量大、漏风范围广的问题，以新集一矿360804综采面为研究背景，采用束管取气与导线测温的方法，分析了切顶留巷“Y”型通风工作面O2、CO气体浓度和温度随测点埋深的变化，获得了切顶留巷期间采空区自燃危险区域分布特征，确定了工作面月最小安全推进度。
结果表明：切顶留巷时，360804工作面主进风侧65~127 m为氧化升温带，柔膜墙侧32~83 m为氧化升温带；与正常开采相比，由于通风系统的改变，氧化升温带向采空区深部移动，柔膜墙侧变化最明显，约增大了28 m，氧化升温带宽度也有所增加，最大宽度约增加了25 m；工作面月最小安全推进速度约为55 m，提高了约62%。
研究结果对类似工作面采空区浮煤自燃防治具有指导意义。
关键词：切顶留巷；综采面；Y型通风；自燃“三带”；安全推进度0 引言采空区是煤炭回采后上覆岩层自由冒落形成的大空间，遗留有大量的浮煤，漏风不断，是矿井自燃火灾发生的主要区域[1-3]。
据统计，采空区火灾占矿井火灾总数的60%以上[4]，严重影响煤矿的安全生产。
因此，掌握采空区自燃“三带”分布对矿井防灭火工作非常重要。
近年来，切顶留巷技术具有巷道掘进量少、采掘衔接矛盾小、资源回采率高、工作面局部周期压力小等优势[5]，在国内各大矿区得以大量应用[6]。
但是，该技术要求工作面通风方式由“U”型变为“Y”型，采空区内风流运移特性发生改变[7-9]，高温区域必会发生偏移[10]。
同时，切顶后采空区上部留下很大的空间，使得采空区漏风量增加，漏风范围变广，采空区自燃危险性增大[11]，给回采工作面的防灭火带来新的挑战。
因此，有必要开展切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究工作。
1 工作面概况新集一矿位于两淮地区，开采逐渐进入深部，平均达到700 m以上，瓦斯和自然发火防治难度急剧增大。
360804工作面是3608（6）采区首采工作面，工作面平均可采走向长1530 m，工作面平均倾斜长180 m，平均面积276910.1 m2。
注氮对采空区自燃“三带”影响及注氮效果考察现场观测方案
注氮对采空区自燃“三带”影响及注氮效果考察现场观测方案综放工作面正常生产情况下采空区三带分布范围，特别是氧化带的宽度较宽，目前的推进速度（平均1.5-3.5m/d）很难保证通过加快推进速度的办法使其“氧化带”进入到“窒息带”。
为防患于未然，应适时启动氮气防灭火系统与堵漏相结合的防灭火技术，以缩短三带尤其是氧化带的范围，以保证在目前推进速度下工作面的防火安全。
基于现有工作面仅装备了氮气防灭火系统，而堵漏防灭火技术的相关装备与材料未及时到货，因此此次仅进行“注氮对采空区自燃“三带”影响及注氮效果考察研究”，现场具体观测方案见图1所示。
即在综放工作面正常生产情况下，通过埋设在综放工作面采空区的取样管道对注氮时气体定期取样，得出不同采空区深度的气样参数，以便进行注氮对采空区自燃“三带”影响及注氮效果考察，为综放工作面注氮防火参数确定及注氮效果的检验提供可靠依据。
其中气样的采集借助于矿上装备的束管监测系统并辅以人工定期取样色谱分析等手段。
束管监测能有效的对采空区气体进行实时动态监测，利用束管监测系统分析的气体成分和气体浓度，来考察注氮情况下工作面采空区三带分布规律及注氮效果的好坏，这对工作面的防火安全具有重要意义。
需要说明的是：1、探头1~8的保护支架高度为0.5m左右，下部有三条腿支撑，顶部为开有多个小孔的保护钢管，以保护内部的取气探头。
为防止采空区积水或浮煤堵塞束管，每个探头需要抬高0.5m左右，端头用三通连接，具体见图2所示。
2、注氮释放口应高于底板，以90度弯管且与工作面平行尽可能长的沿倾向伸向采空区，并用石块或者木垛等加以保护。
注氮管路采用单管，管道中设置三通。
从三通上接阀门、短路进行注氮。
3、为防止氮气泄漏，造成灾害性的后果，注氮必须为工作面已推过并埋住氮气释放口，且工作面与已埋氮气释放口距离不小于40m时才能启动注氮4、先埋好图1中的1号释放口，当埋入40m后开始注氮，并适时准备2号释放口的埋设，2号释放口埋设管路与1号释放口埋设管路的埋设步距为40m。
张集北矿采空区“三带”宽度的测定
抽 ２ ｎ排 除束 管 中 的空气 ， 取 的气 样送 张 集北 ０ｍｉ 抽 区通风 二 队气样 化验 室进 行气 相 色谱分 析 。
第 ５期
苏祖来
张集北 矿采 空区“ 三带 ” 宽度 的测定
６ ７
２ 定果分 结的析 测
２ １ 取 样及 观测 ． 在正 常 回采过 程 中 ， 每天 取样 一次 ， 直取 到 工 一
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１ ５
２ ５
３ ５
４ ５
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１０ ２
１５ ３
１５ ４
１取样点 ０ ２浓度／ ％ ２ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １ ． ９２ １１ ９５ ８２ ７６ ７４ ６１ ５２ ４３ ２８ ０５ ． ２ 取样点 ０ ２浓度／ ％ ２ ． １ ． １ ． １． １ ． １ ． １ ． １ ． １ １ ． １ ． １４ ９６ ９１ ８５ ８１ ７３ ６２ ５２ ４ １１ ０１ ３ 取样点 ０ ２浓度／ ％ ２ ． ２ ． １ ． １ ． １ ． １ ． １． １ ． １ ． １ ． １ ． １９ ０３ ９９ ８７ ８３ ７９ ６４ ５５ ４３ １５ ０６
泥以防止漏气与阻塞 。束管布置方式如 图 １ 所示 。
１ 工 作 面 及 其具 体 布 置
１ １ 工 作面 概况 ．
１ １８ 作 面位 于西 二 采 区 Ｆ ２ ４２ 工 ２ ６断层 以西 ， 北
为 １ １８工作面 ， ４１ 南为未进行采掘活动的 ８ 煤实体 ， 西 到西 风井 工广 保 护 煤 柱 线 ， 部 为 西 二 采 区 系统 东
在 １ １ ８综采 面 上 、 顺槽 各 布 置 ３趟 带 有 保 ４２ 下 护 套 的束管 和热 电耦 线 ， 外用 ２时铁 管保 护 ， 取样 头
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柳塔矿工作面采空区“三带”实测技术方案
一、气体采样点布置
在运输顺槽和回风顺槽沿采空区走向敷设束管200~300m，外面用套管保护。
套管采用1寸刚管，里面放有四芯束管，采样点1和采样点2各用两根束管。
采样点1和采样点2间隔50m，采样点2使用三通连接。
采样点1和采样点2所对应束标记好序号，以免混淆。
具体布置方式如图1所示。
图1 采样点布置示意图
二、采样束管敷设与保护
如图2所示，束管进、回风顺槽沿采空区走向敷设200~300m，根据采空区气体观测结果，该距离可能再做适当延长；在工作面后部，束管测、温导线敷设贯穿整个工作面倾向长度。
为防止束管进入采空区后被采空区冒落的岩石所破坏，在整个敷设线路上必须采用如图2所示的1寸钢管做保护套管对束管进行保护。
快速接头连接方式
图2 1寸快速接头钢管
为了防止束管因急转弯收到折损，将每个测点位置的保护套管做成如图3所示的带有一定倾角的1寸三通。
快速接头连接方式
图3 2寸三通（带倾角、带快速接头）
1寸短接（如图4所示）和1寸三通连接用作采样点保护套管（连接方式如下图5所示）。
1寸短接长为50cm，底端加工成快速接头，顶端封闭，端头40cm 采用花管形式布置。
花管参数为：每间隔8cm布置一组通气孔，每组等弧度分布4个通气孔。
图4 1寸钢管短接（用作采样点保护）
图5 采样点保护套管处的连接方式
三、气体的抽取与分析
采用防爆的旋片式抽气泵（图10）抽取采空区气体，将气体抽入“球胆”后带至地面色谱分析。
图10采样抽气泵
气样采集与分析的工作可由瓦检员每天早班检修时间段内左右进行，通过单芯束管对不同的采样点采集气样，将采集的气样通过球胆送至地面检测室分析，并将分析数据进行记录，气体分析采用气相色谱仪由专业操作员进行。
将分析数据记录在表1中。
表1 三带测试的数据记录表
三带观测的距离一般达到200m为宜，具体观测距离根据实测的氧气浓度再做调整（一般观测到的采空区氧气浓度普遍低于5%为止）。
根据测试数据，绘制采空区“氧气浓度——工作面距离”关系曲线，通过这些曲线及曲线间的关系对比来分析采空区内部的氧化规律；依据支持采空区浮煤氧化的氧气浓度上下限来划定采空区自燃三带。
划分标准如下表2.
表2 三带划分标准。