不同回采进度与煤质条件下采空区自燃“三带”划分_王庆国.pdf

煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 0引言 采空区自燃三带的划分是防范采空区自燃的重 要基础[1-2]。 作为高产量、 高效率的采煤技术， 综放开采 已在国内普遍使用， 能大幅度提高煤炭生产效率及产 量。但与此同时， 这项技术为采空区也带来了巨大的 安全隐患， 遗留下大量的浮煤让采空区的自然发火问 题空前严重[3]。 煤炭的自燃一般发生在氧化带。 因此， 为了确保安全生产的正常进行， 应该科学合理地确定 采空区自燃 “三带” 的范围， 可以增强防灭火措施的针 对性， 提高防灭火工程的效果， 有效预防自然发火事 故， 将对预防采空区的自然发火及保障综采工作面的 安全生产具有十分重要的现实意义。 漏风风速、氧气浓度和温升是划分采空区自燃 “三带” 的三个标准[4-5]。 其中采空区氧气浓度最能反应 煤的氧化程度。氧气含量的大小， 反映遗煤氧化的供 氧条件和蓄热条件， 根据采空区内氧气浓度的分布就 可以确定三带的范围。具体划分标准如下 散热带氧 气浓度 ＞18； 5＜ 氧化带氧气浓度 ＜18； 窒息带氧 气浓度 ＜5[6-7]；从理论来讲温度是反应煤自然发火 程度的最直接的指标， 然而煤是热的不良导体， 采空 区内煤岩的热量传递过程十分复杂， 很难掌握采空区 各个区域的温升变化， 因此， 温度指标在三带划分中 一般作为辅助指标。 红阳二矿通过感温光纤监测采空 区温度变化， 尝试使用温升划分采空区自燃 “三带” 。 1工作面概况 红阳二矿位于沈阳市苏家屯区红菱堡镇南红村， 矿井瓦斯相对涌出量 19.84m3/t，绝对瓦斯涌出量 58.76m3/min, 属于煤与瓦斯突出矿井，瓦斯抽放造成 煤层破碎严重， 影响了采空区自燃 “三带” 的范围； 煤 为Ⅰ级易自燃煤层， 煤层自燃发火期为 81- 202 天， 采 不同回采进度与煤质条件下采空区自燃 “三带” 划分 王庆国 ，杨 帅 ，杨 程 （沈阳焦煤股份有限公司红阳二矿 ， 沈阳 辽宁 110106 ） 摘要 瓦斯抽放、 煤层自燃等级高会增大采空区煤自燃的危险性， 因此需要对采空区自燃 “三带” 进 行划分。为了探究不同回采进度与煤质条件对采空区自燃 “三带” 分布的影响， 红阳二矿分别对 1203、 1204、 1301 采煤工作面进行自燃 “三带” 划分。针对煤矿实际情况， 使用束管和感温光纤分别监测采空 区的氧气浓度与温度变化， 从氧气浓度和温升两方面进行采空区自燃 “三带” 划分。 测定得出回采进度 以及煤质条件会在一定程度上影响采空区自燃 “三带” 的分布， 因此在确定采空区防灭火措施时应充 分考虑这两个影响因素。 关键词 自燃 “三带” ； 煤质 ； 氧气浓度 ； 回采进度 中图分类号 TD752.3文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 03- 0074- 04 The division of spontaneous combustion “three zone“ in goaf under different mining schedules and coal quality conditions WANG Qingguo， YANG Shuai ， YANGCheng （Hongyangno.2 coal mine ofShenyangcokingcoal co. LTD ，Shenyang Liaoning 110106） Abstract Gas drainage and high level of coal seam spontaneous combustion will increase the risk of coal spontaneous combustion in goaf, thus it is necessary to divide the “three zones“ of spontaneous combustion in goaf. In order to explore the influence of different mining sched- ules and coal quality conditions on the distribution of spontaneous combustion “three zone“ in goaf, spontaneous combustion “three zone“ for 1203, 1204 and 1301 coal workingfaces ofHongyangno.2 coal mine have been divided. Accordingtoactual situation ofcoal mine, the oxygen concentration and temperature change in goaf are monitored by beam tube and temperature sensing fiber respectively, and the spontaneous combustion “three zone“ in goafare divided accordingtooxygen concentration and temperature rise. The results suggest that mining schedules and coal quality conditions will affect the distribution ofspontaneous combustion “three zones“ in goafto a certain extent. Therefore, these two factors should be fullyconsidered when determiningthe fire- fightingmeasures for goaf. Key words“three zones” ofspontaneous combustion ; coal qualityconditions; oxygen concentration ; miningschedules; 74 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 用 “U” 型通风方式， 在开采过程中存在采空区遗煤自 然发火的隐患。 因此划分采空区 “三带” 范围对于防止 遗煤自燃和保证回采工作安全高效进行具有重要意 义。为了探究回采进度以及煤质条件对采空区自燃 “三带” 分布的影响， 红阳二矿对 1203、 1204、 1301 采 煤工作面采空区的自然 “三带” 进行划分， 1203、 1204、 1301 采煤工作面与煤层介绍如表 1、 表 2 所示。 表 1采煤工作面位置及井上下关系表 表 2工作面煤层情况 2监测系统布置方式 2.1监测束管布置方式 采用矿用分布式激光火情监测系统分别对 1203、 1204、 1301 采煤工作面采空区内气体进行监 测， 采用可调谐激光二极管吸收光谱技术实现气体浓 度检测， 其中氧气作为划分自燃 “三带” 范围的指标气 体； 防止被采空区垮落岩体砸断， 埋入采空区的束管 外部套 2 寸钢管进行保护； 采空区气体通过气体采样 泵组从监测点远端抽取到激光火情监测主机实现对 采空区气体的连续监测， 同时在气体采样泵前安装束 管过滤箱， 实现除水和滤尘的功能， 能够适应井下采 面多尘多水的环境。 在采煤工作面回风侧提前布置气体监测束管。 其 中 1203 采煤工作面布置 4 根气体监测束管，分别为 1203 采空区 1 号束管、 1203 采空区 2 号束管、 1203 采空区 3 号束管、 1203 采空区 4 号束管； 1204 采煤工 作面布置两根气体检测束管，分别为 1204 采空区 1 号束管、 1204 采空区 2 号束管； 1301 采煤工作面布置 两根气体检测束管，分别为 1301 采空区 1 号束管、 1301 采空区 2 号束管。三个采煤工作面束管测点布 置如图 1 所示。 图 1采煤工作面采空区束管 （红线） 测点布置 2.2感温光纤布置方式 在采煤工作面回风侧提前布置感温光纤， 并通过 光纤测温系统实现对采空区温度的实时监测。 光纤测 温系统由光纤测温模块、 感温光纤、 信号隔离模块、 电 机控制和隔爆兼本安电源模块五部分组成。 光纤测温 模块负责光纤测温信号处理、测温数据显示和上传； 感温光纤负责现场的温度信号采集； 信号隔离模块实 现电机控制信号、 电机状态信号和测温模块的通讯信 号转换；电机控制实现对系统的采样泵电机控制； 隔 爆兼本安电源模块负责给本系统其它设备提供 12V 直流本安电源。 3束管测定结果分析 3.1采空区氧气浓度变化 采空区氧气浓度与推进距离关系如图 2、 图 3、 图 4 所示。其中对 1301 采煤工作面采空区进行三次氧 气浓度监测， 并取三次监测平均值作为划分采空区自 燃带的依据。在推进距离较小时，氧气浓度维持在 18以上， 属于散热带， 这是由于岩块破碎严重， 漏风 较强， 散热充分； 随着推进距离增加， 氧气浓度呈下降 趋势， 由于采空区内垮落的岩石逐渐被压实， 漏风减 小， 且遗煤不断进行低温氧化， 氧气浓度呈下降趋势， 测点进入氧化带； 随着工作面继续推进， 垮落的岩块 1203 工作面1204 工作面1301 工作面 水平名称- 680 水平- 550 水平- 680 水平 地面标高＋24.9m＋25.1m＋24.4m 井下位置 及与四邻 关系 东 侧 为 集 运 巷，西侧为红 阳二矿井田边 界线，南侧为 1203 运 输 瓦 斯巷，北侧为 1202 采空区， 上部为 3702、 3703 采空区， 下部为 13 煤 层， 未采动。 东侧为轨道巷及集运巷， 东南侧为未开采区域， 南 西侧为井田边界， 西北侧 为 1203 工作面，上部为 3703、 3704 采空区，下部 为 13 煤层， 未采动。 上 部 为 1201 工 作 面 采 空 区，东西两侧 紧邻西三下部 采区 1201 工 作面运输与回 风顺槽，南侧 为 1201 工作 面切眼，北侧 为 1301 轨道 巷。 走向长度1111m 上部切眼走向长度 786m 开切眼至工 作面设计采 止线 770m 下部切眼走向长度 306m 倾斜长度194m 上部切眼倾斜长度 97m 倾斜宽 114m 上部切眼倾斜长度 192m 1203 工作面1204 工作面1301 工作面 煤层编号12 煤层12 煤层13 煤层 煤层厚度厚 3.1m厚 3.15m厚 2.6m 煤种瘦 煤瘦 煤瘦 煤 稳定程度稳 定稳 定稳 定 煤质情况描述 容重 1.5t/m， 硬 度 f0.7， 12 煤 层、节理发育， 灰 分 17.07％ ， 硫分 2.05％,挥 发分 13.21％。 容重 1.5t/m3， 硬 度 f0.7； 12 煤 层、节理发育； 灰 分 17.07％ ， 硫分 2.05％,挥 发分 13.21％。 容重 1.39t/m， 硬 度 f0.7； 13 煤 层、节理发育； 灰 分 18.17％ ， 水分 0.83％,挥 发分 18.68％。 75 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 进一步被压实， 漏风量更小， 遗煤继续进行低温氧化， 氧气浓度更低， 测点进入窒息带。总体上来看， 1203、 1204 与 1301 三个工作面采空区内氧气浓度随着推 进距离的增大而减小， 变化速率有所差异， 这与煤质 条件以及回采进度有关。 图 21203 工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系 图 31204 工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系 图 41301 工作面采空区氧气浓度与推进距离的关系 3.2采空区温度变化 从光纤温度数据分析可得，随着工作面的推进， 1203、 1204 与 1301 三个工作面采空区测点的温度处 于在一个比较稳定的状态，无温度过高的异常情况。 从温度数据方面考虑， 目前还没有发现温度变化的可 行性规律对采空区 “三带” 进行划分， 因此在划分 “三 带” 范围过程中没有考虑将温度的监测结果作为判定 采空区自燃 “三带” 范围的基础数据。 3.3采空区自燃 “三带” 划分 工作面采空区内氧气浓度作为划分自燃“三带” 依据， 1203、 1204 与 1301 三个工作面采空区自燃 “三 带” 划分如表 3 所示。 1203 工作面采空区散热带长度 64.8m， 氧化带长度 44.2m； 1204 工作面采空区 “散热 带” 长度为 30.8m，“氧化带” 长度为 93.2m； 1301 工作 面采空区 “散热带” 平均长度 16.9m，“氧化带” 平均长 度 11.8m。三个工作面自燃“三带”对比可以得出， 1301 工作面采空区的 “三带” 范围较短， 这是由于 13 煤层与其它两个工作面在煤质条件上的差异导致； 然 而 1203 工作面与 1204 工作面虽然同属 12 煤层， 但 是在自燃 “三带” 范围上却有着很大的差别， 根据综合 数据分析， 造成这种差异的原因很可能是回采进度所 引起 （见表 4 ） 。1204 工作面的回采速度要大于 1203 工作面的回采速度，这使得 1204 工作面采空区提前 进入氧化带， 并且其氧化带范围增大， 因此在采煤工 作面空区防火工作中， 确定工作面合理的回采速度也 是十分重要的，对采空区防灭火起着很重要的作用。 确定了自燃 “三带” 范围和回采速度， 可以有效增加对 防灭火措施的针对性，提高防灭火工程的预防效果， 进而有效预防自燃事故的产生。 当确定了采空区的自 燃 “三带” 后， 在采空区内最易自燃区域内注防灭火材 料， 从而破坏漏风供氧和蓄热环境， 消灭煤炭自燃。 表 3自燃 “三带” 划分 表 4工作面回采进度对比 4结论 红阳二矿在采煤工作面采空区自燃 “三带” 的划 分主要以采空区氧气浓度作为主要依据， 即氧气浓度 分别以 18作为散热带和氧化带的临界浓度， 以 5 作为氧化带和窒息带的临界浓度。 在确定自燃 “三带” 范围的基础上， 通过采煤工作面回采速度与煤质的对 比分析， 进一步了解回采速度与煤质对采煤工作面采 空区自燃 “三带” 的影响， 对于指导采空区防灭火具有 （下转第 79 页 ） 散热带氧化带窒息带 1203 工作面64.8m44.2m109m 1204 工作面30.8m93.2m124 1301 工作面16.9m11.8m28.7m 散热带氧化带 1203 工作面2.4m～3.2m/ 原班3.2m～4.8m/ 原班 1204 工作面3.2m～5.6m/ 原班4m～5.6m/ 原班 1301 工作面3.8m～4.8m/ 原班4.2m～4.8m/ 原班 76 ChaoXing （上接第 76 页 ） 重要意义。通过对 1203、 1204 与 1301 三个工作面采 空区自燃 “三带” 划分， 可以得出以下结论 1 ） 氧气浓度作为自燃 “三带” 划分标准， 与漏风风 速、 温升相比， 干扰因数较少， 数据结果较为明显； 2 ） 影响工作面采空区自然发火的主要因素是采 空区漏风分布，而产生漏风的原因之一就是回采速 度的影响， 当回采速度过快， 采空区顶板的岩石跨落 不够充分， 漏风率增大， 使采空区氧化带长度增加， 容 易导致自然发火，所以应该确定合理的回采速度， 加 强采空区漏风控制， 采空区漏风时在工作面上、 下隅 角封堵采用不燃材料，减少采空区内自燃的物质基 础， 这对防止采空区自燃起到重要作用； 3 ） 煤质条件对工作面采空区自燃 “三带” 的分布 也起到重要的影响， 煤的挥发性越大， 采空区的 “氧化 带” 越短， 煤自燃危险性越小。 因此在确定回采速度以 及采空区防灭火措施时，也应充分考虑煤质条件， 制 定合理的防灭火措施。 参考文献 [1] 褚廷湘， 余明高， 杨胜强， 等.瓦斯抽采对 UII 型近距离 煤层自燃的耦合关系[J].煤炭学报， 2010， 35 （12） 2082. [2] 文虎， 胡伟， 刘文永， 等.抽采条件下采空区煤自燃危险区 域判断[J]. 煤炭安全， 2018, 49 （11） 190. [3] 杨宏民， 牛广珂， 李化金.采空区自燃 “三带” 划分指标的 探讨[J].煤矿安全， 1998 （5） 26- 28. [4] 陈全.采空区 “三带” 划分指标的研究[J].煤炭工程师， 1997 （3） 12- 15. [5] 张国枢， 戴广龙.煤炭自燃理论与防治实践[M].北京 煤炭 工业出版社， 2002 85- 91. [6] 邸志前.放顶煤综采采空区 “三带” 的理论计算与观测分 析[J].中国矿业大学学报， 1993， 22 （1） 8- 15. [7] 李树刚.综放采空区冒落特征及瓦斯流态[J].矿山 压力与 顶板管理， 1997，（3， 4） 7. 作者简介 王庆国 （1979-） ， 1999 年毕业于辽宁阜新煤炭工业学校 采矿专业， 2005 年毕业于辽宁工程技术大学采矿专业， 采煤 高级工程师， 现任沈焦公司红阳二矿总工程师。 （收稿日期 2019- 5- 24） 煤矿现代化2020 年第 3 期总第 156 期 钟后， 1100 风量测定组进行反风风量测定， 1154 风 量测定完毕并汇报结束。 1155 根据各组汇报情况， 反 风、 自然风各项数据全部记录， 1200 各主要通风机恢 复正常通风。 表 2区域反风后具体反风数据 反风期间， 所有主要通风设施检查到位， 风向全 部逆转后， 采掘工作面均未发生气体超限现象， 各采 空区及重点区域一切正常， 无气体外泄现象。根据前 述分析， 反风率均大于 40， 主扇操作时间均小于 10 分钟，各项指标均符合技术要求，反风率达到了 76.25， 取得了明显效果。反风后具体反风数据见表 2。通过此次区域性反风， 确保了整个 4 层盘区作业 人员安全。 按 4 层盘区内 1 采 2 掘 1 备人员计算， 至 少可确保当时此区域现场 200 人以上作业人员生命 安全， 极大的提高了安全效益。 5结语 通过东风井主扇单独反风， 主扇、 西风井主扇正 常通风的实践经验。 对全矿井三台主扇相互作用下区 域性反风时通风系统有了实际掌握， 并检验了我矿应 对区域进风侧火灾问题的有效治理手段。 为多台主扇 联合运转矿井复杂通风系统中单一主扇反风积累了 宝贵的实践经验和数据参考经验。 作者简历 杨万海 （1982-） ， 男， 山西省朔州市人， 工程师， 现在山西 潞安集团慈林山煤业公司夏店煤矿通风科从事通风管理工 作。 （收稿日期 2019- 6- 1） 地点 正常时 风量 （m 3/min ） 反风时 风量 （m 3/min ） 反风时主 扇风压 （mmH2 O ） CH4 （ ） CO2 （ ） CO （ppm ） 东回风井13892683739000 西回风井1021490252030.040.060 回风井12496103672880.060.080 1140 石门 14282837000 1035 石门 36041532000 材料副斜井66154025000 主皮斜井512428000 苦水湾进风井7981591000 苦水湾回风井 （进风井筒 ） 1434856000 西进风井86373724000 东进风井1273156130.080.105 79 ChaoXing