祁南煤矿工作面采空区煤炭自燃“三带”范围研究

祁南煤矿工作面采空区煤炭自燃“三带”范围研究

【摘要】通过在祁南煤矿3410工作面采空区沿走向布置测温传感器和取样束管，对采空区内温度和气样成分进行了测定和分析，根据氧气浓度划分自燃“三带”的标准，确定了试验工作面采空区自燃“三带”的范围。

【关键词】采空区；自燃“三带”；氧气浓度；“三带”范围

1 采空区煤炭氧化自燃“三带”的划分

根据采空区漏风流速与氧气浓度的大小，可将采空区的煤炭氧化自燃区域划分为三个带，即采空区煤炭氧化自燃“三带”。如表1所示。

表1 采空区煤炭氧化自燃“三带”

“三带”漏风流速m/min 氧气浓度% 表现特征

不燃带大于0.24 大于15% 氧气充足，漏风流速大，有氧化但无蓄热条件

自燃带 0.24-0.1 5%-15%既有供氧条件又有蓄热环境，煤炭最易于自燃

窒息带小于0.1 小于5% 已自燃的煤炭因氧气浓度减少而窒息熄灭

2 试验工作面概况

淮北矿业集团祁南煤矿3410工作面位于101采区左翼第三区段，上部为1013工作面，下部为1017工作面，左侧以DF11为界，右侧以101采区轨道上山保护煤柱为界。

工作面标高-357.8—-423.4m，走向968m，倾斜长150m。该工作面煤厚1.2-3.3m，一般煤厚2.3-2.7m，平均2.5m。工作面里段风巷靠近切眼约280m区域内，受火成岩侵入的影响，火成岩沿煤层顶板及中上部呈串珠状入侵，火成岩侵入厚度0-0.7m，局部煤层变焦，天然焦厚度为0-0.4m。工作面受断层及褶曲的影响，局部煤层起伏变化较大，切眼中部约40m范围内受101F46断层影响煤层倒倾。

所采煤层具有自燃倾向性，自燃发火期为60天，该工作面为综采工作面，冒落法管理顶板，采用“一源一汇”“U”型通风方式。

3 实测方法

3.1 测点布置

在试验工作面进、回风巷预先向采空区埋设8个测点探头，每个测点探头的间距大约为16 m，探头离巷道底板高度在0.5m以上，在测点1#和测点5#外延100 m 处安设观测站。每个测点均埋设热电偶和采样器，采样器另一端连接取样胶管，取样胶管和热电偶捆绑在一起，并外套钢管进行保护。另外，为了确保试验的顺利进行，还应对观测站、巷道探头、管线进行保护设计。

3.2 取样系统

取样系统由抽气泵、采样器和输气管组成。抽气泵是整个气体取样系统的动力设备，试验选用了矿用防爆型真空泵。气体采样器用直径100 mm，壁厚 5 mm，长500 mm的钢管焊接而成。管壁上打10mm 孔50个，管壁内焊接衬垫金属丝网，采样器一侧焊接取样胶管接头。取样胶管采用内径 5 mm 的聚氯乙烯塑料管。实测中利用气囊分别对各测点进行取样，送到地面实验室后利用祁南煤矿SP-3430型气相色谱分析仪进行分析。测试分析的气体成分为：CO、CH4、O2、N2、CO2以及烷、烯烃类气体。

4 实测结果分析

4.1 氧气浓度测定结果与分析

漏风流中的O2浓度对煤炭自燃起到决定性的作用，根据实测的数据，绘制出进风侧和回风侧O2浓度随距工作面距离变化拟合趋势图分别如图1、图2。

图1 回风侧氧气浓度随距离关系拟合趋势图

图2 进风侧氧气浓度随距离关系拟合趋势图

根据采空区氧气浓度实测结果表明：

（1）由于气体采集测点布置在采空区上下风巷，采空区顶板冒落时，受煤壁支撑作用，上下风巷内冒落的顶板压实程度不够，采空区漏风较大，导致氧气浓度一直较高。

（2）随着工作面的推进，采空区内氧气浓度逐渐下降，而且进风侧的氧气浓度下降的比回风侧慢，说明工作面采空区漏风流场与漏风变化规律为进风侧较大，回风侧较小。

（3）从图2和图3可以看出，首先，当采空区O2浓度小于10% 时，在进风侧和回风侧距工作面的距离在78m 左右，因此可判断试验工作面采空区自燃“三带”的窒息带在78 m 以后。其次，在进风侧和回风侧18m 范围内，O2浓度变化梯度较小，基本上大于18%，说明这个区域内漏风强度大，散热条件好，不形成热量积聚，遗煤的氧化作用不大，不会发生自然发火，因此这个区域可以视为散热带。第三，氧化升温自燃带在18-78m之间，宽度大约为60 m 左右。

在这一范围内，O2浓度保持在10%-18%之间，此区域空隙率和漏风强度适中，遗煤氧化条件较好，氧化速率和范围较大，散热条件较差，遗煤氧化产生的热量不断地积聚，反过来积聚的热量使遗煤的氧化反应加速，有可能导致煤炭自然发火，该区域属于煤炭易燃区域。

4.2 其他气体测定结果与分析

1）对工作面采空区瓦斯浓度实测表明，各测点的瓦斯浓度随工作面的向前推进是逐渐增加的，开始瓦斯浓度较低，但进入采空区深部区域以后，采空区瓦斯浓度升高的较快，说明工作面采空区存在瓦斯积聚的现象。从瓦斯浓度分布来看，CH4浓度在采空区同一位置，回风侧的CH4浓度高于进风侧的CH4浓度，与实际采空区CH4浓度分布相吻合。

2）试验工作面采空区各测点的CO 浓度大多分为0，个别测点分析出CO 气体，但浓度很小，最大的仅为12×10-6，说明采空区内遗煤发生氧化，但氧化不剧烈。

3）分析各测点释放出的CO2浓度，随着测点距工作面距离的增加，浓度也相应地存在一定的变化，说明采空区内各处有不同程度的煤炭发生氧化。

4.3 采空区自燃“三带”范围确定

本次试验工作面采空区自燃“三带”划分以氧浓度为主要指标，并结合CH4、CO2和CO的分布规律，最终确定3410 工作面采空区自燃“三带”的范围为：不燃带：0～18m；可能自燃带：18～78 m；窒息带：>78 m。

5 结论

（1）沿工作面走向上下风巷布置测点测定采空区自燃“三带”的方法是实际可行的，通过氧浓度确定采空区自燃“三带”范围为：散热带：0～18m；氧化自燃带：18～78m；窒息带：>78 m。

（2）由于影响工作面采空区自然发火的主要因素是推进速度和采空区漏风分布，因此应加快工作面的推进速度，保证工作面日进尺>2.4m，同时用不燃材料在工作面下隅角封堵漏风，对防止采空区遗煤自燃起到事半功倍的效果。