七號平峒+1 405 m 西翼工作面采空區自燃“三帶”分布規律研究

單大闊

（1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122）

0 前 言

在煤礦生產過程中，采空區遺煤的自然發火是礦井災害治理工作中無法繞過的一大難題。采空區自燃“三帶”即“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”。煤礦火災事故多由于采空區遺煤自燃引起，而“三帶”之中的氧化帶是自燃現象發生頻率最高的區域。因此，準確劃分采空區自燃“三帶”的范圍，是礦井合理、有效地開展防滅火工作的必要前提[1]。

1 礦井及工作面概況

四棵樹煤炭有限責任公司七號平峒行政區劃屬新疆塔城地區烏蘇市白楊河鎮管轄，距烏蘇市約58 km。礦區位于天山北麓低山丘陵地帶，地勢呈南高北低，西高東低，開采水平為+1 400～+1 542 m，設計生產能力0.6 Mt/a。

+1 405 m 西翼工作面位于礦井西翼采區，東起中央區段石門，西至井田東部邊界，走向長度1 340m，傾向長度106 m，采用走向長壁后退式綜合機械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理采空區頂板。工作面主采A5 煤層，煤層平均厚度6.6 m，割煤機割煤高度2.8 m，平均放煤高度3.8 m，煤層傾角21°～26°，設計服務年限14 個月。

2 采空區溫度及氣體參數測定與分析

2.1 觀測參數

采空區煤自燃“三帶”范圍的測定，應采用合理的布置方法，測定采空區多種氣體及溫度變化數據，經數據分析和處理以便全面了解采空區遺煤自燃危險區域情況[2]。因此，要確定七號平硐+1 405 m 西翼工作面采空區自燃“三帶”的分布范圍，必須掌握以下參數：

1）采空區O2、CO、CH4等氣體濃度；

2）采空區內溫度；

3）工作面實際推進度；

4）工作面及“兩道”遺煤厚度；

5）工作面日回采率、工作面進回風量等。

2.2 數據測定

2.2.1 測定方法與要求

為對七號平硐+1 405 m 西翼工作面采空區進行自燃“三帶”觀測，2020 年12 月27 日在工作面進回風順槽分別向采空區預埋采空區氣體及溫度觀測點及保護管路，在采空區內進、回風側各布置2 個測點，共4 個測點[3]。測點開始進入采空區時進行觀測，至2021 年1 月16 日結束觀測，歷時21 d，在此期間工作面累計推進77.5 m。

采空區氣體采樣周期為每天采樣1 次，且采樣時間均為上午，測定的氣體成分包括：CO、O2等，并記錄溫度和日推進度。

2.2.2 測點布置

+1 405 m 西翼工作面采空區共布置4 個測點，分別在采空區兩順槽外幫布置，進風巷測點間距為12 m，回風巷測點間距為10 m，進、回風巷測點由內及外編號依次為1、2、3、4 號。其中，每個測點均設1 個束管氣體監測點，同時在1、3 號測點位置各布設1 個溫度監測點，每個測點內安設束管、氣體采樣器及測溫傳感器，測溫導線及束管加套鋼管保護。測點隨著回采工作面的推進逐漸進入采空區深部區域，可有效觀測采空區內“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”的氣體濃度及溫度變化情況。監測點布置情況如圖1 所示。

圖1 采空區“三帶”監測測點布置示意圖

2.3 觀測結果與分析

2.3.1 工作面推進度

七號平硐+1 405 m 西翼工作面采空區自燃“三帶”相關參數觀測期間，自2020 年12 月27 日預埋觀測點，28 日正式觀測，到2021 年1 月16 日結束觀測，工作面共推進77.5 m。推進速度統計見表1。

表1 工作面推進速度統計表

2.3.2 浮煤厚度

+1 405 m 西翼工作面采高2.8 m，放煤高度4.3 m，進、回風順槽斷面均為矩形，進風順槽斷面寬4.8 m，高2.8 m；回風順槽斷面寬4.2 m，高2.8 m，采空區內部空隙率約為30 %。因此，+1 405 m 西翼工作面采空區浮煤平均厚度可推斷如下：

進風巷（下順槽）及其端頭支架處浮煤厚度為：（7.1-2.8）×（1+30%）=5.59 m

回風巷（上順槽）及其端頭支架處浮煤厚度為：（7.1-2.8）×（1+30%）=5.59 m

工作面中部浮煤厚度為（機采回采率為95 %，放頂煤回采率為90%，綜合回采率取93%）：7.1×（1-93%）×（1+30%）=0.65 m

2.3.3 測定結果及數據分析

1）采空區O2濃度數據分析。隨著工作面的推進，采空區內不同區域的O2濃度均隨著與工作面距離增加呈逐漸下降的趨勢，這是由于隨工作面開采，采空區頂板逐步垮落，垮落的破碎煤巖體充滿采空區，使得采空區內的風流阻力增加，加之煤體氧化不斷消耗氧氣而導致。受風壓能高低變化、采空區注氮等因素的影響，進風側采空區O2濃度下降趨勢較平緩，回風側采空區O2濃度呈現急劇下降且有波動。通過束管抽氣檢測，采空區內各測點O2濃度隨工作面推進距離的變化情況如圖2-圖5 所示。

圖2 1 號測點O2 濃度隨工作面推進距離變化情況

圖5 4 號測點O2 濃度隨工作面推進距離變化情況

由圖2、圖3 可知，采空區進風側作為采空區的最大漏風源，且頂板垮落情況較差，導致測點進入采空區10 m 左右時，O2濃度仍在20%以上，在頂板充分垮落后，O2濃度下降速度加快，進入采空區77.5 m 后，氧濃度才降到7%以下。進風側1 號測點在采空區18～28.4 m 范圍氧濃度急劇下降，這是由于在該測點附近存在氮氣釋放口，惰化了周圍的空間，之后該注氮口位置移動，1 號測點的O2濃度急劇上升，1、2 號測點28.4 m 以后的走勢基本趨于一致。

存在多重共線性時，模型結果與實際情況不盡相符。為消除模型的多重共線性，本文采用嶺回歸方法進行回歸數據有偏估計。京津冀、長三角和珠三角城市群模型嶺跡見圖4。由圖4可得，京津冀城市群模型嶺回歸中，當參數k=0.2時，模型回歸系數趨于穩定;長三角城市群模型嶺回歸中，參數k=0.12時，回歸系數趨于穩定;珠三角城市群模型嶺回歸中，參數k=0.08時，回歸系數趨于穩定。

圖3 2 號測點O2 濃度隨工作面推進距離變化情況

由圖4、圖5 可知，采空區回風側各測點O2濃度隨與工作面距離增加下降較快，與工作面距離達到27.8 m 左右時，O2濃度已下降至7 %以下，這主要是因為回風側屬于采空區的主要漏風匯，流經采空區低氧漏風、注入采空區的氮氣大部匯入采空區回風側，加之采空區回風側、中部頂板垮落情況較好，導致流經該區域漏風阻力增加，風流不易擴散，且采空區回風側浮煤溫度較其他區域煤溫高，消耗更多的氧氣，綜合作用下使得采空區回風側區域內的O2濃度迅速下降。

圖4 3 號測點O2 濃度隨工作面推進距離變化情況

2）采空區CO 濃度數據分析。CO 氣體是伴隨煤氧化升溫直至自燃發生全過程的主要標志氣體之一，分析其濃度，可對采空區遺煤所處的氧化階段及狀態進行分析。采空區CO 濃度隨工作面推進距離的變化情況如圖6、圖7 所示。

圖6 2 號測點CO 濃度隨工作面推進距離變化情況

圖7 4 號測點CO 濃度隨工作面推進距離變化情況

由圖6、圖7 可知，在工作面推進的過程中，在采空區進風側淺部幾乎探測不到CO，這是由于進風側漏風量較大，煤體氧化產生的CO 被稀釋，且漏風流速快，CO 氣體運移到采空區中部和回風一側；隨著測點與工作面距離達到10 m 左右時，CO 濃度逐步增加，達到60 m 左右時，CO 濃度達到最大值，之后緩慢下降。在采空區回風側，從3、4 號測點進入采空區后，CO 濃度值就急劇升至48×10-6左右，之后雖然有波動，但始終維持在較高濃度。

2.3.4 采空區溫度數據分析

采空區溫度的變化能直觀地反映出采空區遺煤所處的自燃發展狀態，分析采空區溫度變化規律有助于掌握采空區自燃“三帶”變化規律[5]?，F場實測期間采空區內溫度的變化曲線如圖8、圖9 所示。

圖8 1 號測點處溫度隨工作面推進距離的變化曲線

圖9 3 號測點處溫度隨工作面推進距離的變化曲線

由圖8 可知：采空區進風側測點的溫度隨著埋入采空區距離的增加出現“升高-降低-再升高-穩定”的現象，在采空區內距工作面28.4 m 的位置溫度達到最低。在整個觀測期間，進風側采空區溫度均處于20.1℃以下，整體變化曲線較平滑。

由圖9 可知：采空區回風側測點溫度出現2 個急劇變化的數值，不符合統計學規律，排出這一因素的影響后，采空區溫度基本上呈現上升趨勢，說明遺煤一進入采空區即開始快速氧化。在距工作面距離相同時，回風側測點溫度高于進風側，說明該工作面回風側采空區遺煤相對于進風側更容易氧化。

3 采空區自燃“三帶”范圍劃分

3.1 采空區自燃“三帶”范圍判定依據

采空區形成自燃“三帶”，即散熱帶、氧化帶和窒息帶，其理論依據是煤氧復合理論，該理論認為煤炭自燃必須同時滿足4 個條件：①具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態堆積，且堆積達到一定的厚度；②有適量的漏風供氧條件；③具有良好的蓄熱條件；④上述3 個條件共存時間大于煤的自然發火期。

1）散熱帶。對于采空區散熱帶，其與氧化帶的界限，考慮煤自燃的蓄熱環境和物質基礎，根據實際條件下散熱帶內煤溫變化的規律，以實測得到的采空區拐點溫度Tg 和最小遺煤厚度hmin為主指標，首先判斷采空區內遺煤厚度是否大于最小遺煤厚度hmin（取0.4 m），小于hmin則為散熱帶，如大于hmin再判斷采空區拐點溫度Tg，采空區拐點溫度Tg指采空區溫度先升高后下降，再升高時下降轉升高的拐點溫度，采空區出現拐點溫度的位置與工作面之間區域即為散熱帶區域。實測中如未出現拐點溫度，則可以認為拐點溫度位置為工作面與采空區交界位置。

因此散熱帶的判定條件為：h＜hmin∪D≤D（Tg），D為采空區與工作面的距離，m。

2）窒息帶。對于采空區窒息帶，其與氧化帶的界限，應著眼于煤自燃的供氧條件，以臨界氧濃度Cmin為主指標，當采空區某一區域內氧濃度C低于Cmin時，則煤氧化作用將因供氧不足而窒息，根據實驗結果臨界氧濃度Cmin取值7 %。因此窒息帶的判定條件為：C＜Cmin。

3）氧化帶。劃分出散熱帶和窒息帶后，兩者之間區域即為氧化帶范圍。

3.2 采空區自燃“三帶”劃分結果

根據七號平硐+1 405 m 西翼工作面現場觀測數據，在連續注氮條件下，工作面采空區內遺煤厚度最薄處已達0.65 m，大于0.4 m，因此整個采空區均滿足發生自然發火的物質基礎條件。

采空區進風側溫度呈先升高后下降再升高最后基本穩定的規律，其拐點溫度為采空區距工作面28.4 m 的位置，即采空區內距離工作面0～28.4 m 區域屬散熱帶；當測點埋入采空區距工作面達到77.5 m后，O2濃度開始低于7%，即進入窒息帶范圍。

采空區回風側測點溫在度進入采空區后呈先升高后降低而后穩定的趨勢，其溫度穩定區域內O2濃度已低于7 %，因此判斷未出現拐點溫度，即采空區回風側不存在散熱帶；O2濃度低于7 %的位置為距離工作面27.8 m 以后的采空區深部。

七號平硐+1 405 m 西翼工作面采空區自燃“三帶”劃分結果見表2、圖10 所示。

表2 采空區自燃“三帶”范圍表

圖10 采空區自燃“三帶”范圍圖

4 結 語

通過分析各測點的O2濃度、CO 濃度和溫度隨工作面推進的變化情況，可以得出在連續注氮條件下四棵樹煤炭有限責任公司七號平峒+1 405 m 西翼工作面采空區自燃“三帶”分布范圍為：

進風側：散熱帶0～28.4 m；氧化帶28.4～77.5 m；大于77.5 m 后為窒息帶范圍；

回風側：散熱帶0 m；氧化帶0～27.8 m；大于27.8 m 后為窒息帶范圍；

工作面采空區進風側氧化帶比較寬，最大寬度為49.1 m；回風側較窄，為27.8 m，且回風側不存在散熱帶。