單大闊

（1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122）

0 前 言

在煤礦生產(chǎn)過程中，采空區(qū)遺煤的自然發(fā)火是礦井災(zāi)害治理工作中無法繞過的一大難題。采空區(qū)自燃“三帶”即“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”。煤礦火災(zāi)事故多由于采空區(qū)遺煤自燃引起，而“三帶”之中的氧化帶是自燃現(xiàn)象發(fā)生頻率最高的區(qū)域。因此，準(zhǔn)確劃分采空區(qū)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(zé)任公司七號(hào)平峒行政區(qū)劃屬新疆塔城地區(qū)烏蘇市白楊河鎮(zhèn)管轄，距烏蘇市約58 km。礦區(qū)位于天山北麓低山丘陵地帶，地勢(shì)呈南高北低，西高東低，開采水平為+1 400～+1 542 m，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力0.6 Mt/a。

+1 405 m 西翼工作面位于礦井西翼采區(qū)，東起中央?yún)^(qū)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(jī)械化放頂煤采煤方法，全部垮落法管理采空區(qū)頂板。工作面主采A5 煤層，煤層平均厚度6.6 m，割煤機(jī)割煤高度2.8 m，平均放煤高度3.8 m，煤層傾角21°～26°，設(shè)計(jì)服務(wù)年限14 個(gè)月。

2 采空區(qū)溫度及氣體參數(shù)測(cè)定與分析

2.1 觀測(cè)參數(shù)

采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍的測(cè)定，應(yīng)采用合理的布置方法，測(cè)定采空區(qū)多種氣體及溫度變化數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)分析和處理以便全面了解采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域情況[2]。因此，要確定七號(hào)平硐+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，必須掌握以下參數(shù)：

1）采空區(qū)O2、CO、CH4等氣體濃度；

2）采空區(qū)內(nèi)溫度；

3）工作面實(shí)際推進(jìn)度；

4）工作面及“兩道”遺煤厚度；

5）工作面日回采率、工作面進(jìn)回風(fēng)量等。

2.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

2.2.1 測(cè)定方法與要求

為對(duì)七號(hào)平硐+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)進(jìn)行自燃“三帶”觀測(cè)，2020 年12 月27 日在工作面進(jìn)回風(fēng)順槽分別向采空區(qū)預(yù)埋采空區(qū)氣體及溫度觀測(cè)點(diǎn)及保護(hù)管路，在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)各布置2 個(gè)測(cè)點(diǎn)，共4 個(gè)測(cè)點(diǎn)[3]。測(cè)點(diǎn)開始進(jìn)入采空區(qū)時(shí)進(jìn)行觀測(cè)，至2021 年1 月16 日結(jié)束觀測(cè)，歷時(shí)21 d，在此期間工作面累計(jì)推進(jìn)77.5 m。

采空區(qū)氣體采樣周期為每天采樣1 次，且采樣時(shí)間均為上午，測(cè)定的氣體成分包括：CO、O2等，并記錄溫度和日推進(jìn)度。

2.2.2 測(cè)點(diǎn)布置

+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)共布置4 個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在采空區(qū)兩順槽外幫布置，進(jìn)風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)間距為12 m，回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)間距為10 m，進(jìn)、回風(fēng)巷測(cè)點(diǎn)由內(nèi)及外編號(hào)依次為1、2、3、4 號(hào)。其中，每個(gè)測(cè)點(diǎn)均設(shè)1 個(gè)束管氣體監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)在1、3 號(hào)測(cè)點(diǎn)位置各布設(shè)1 個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)內(nèi)安設(shè)束管、氣體采樣器及測(cè)溫傳感器，測(cè)溫導(dǎo)線及束管加套鋼管保護(hù)。測(cè)點(diǎn)隨著回采工作面的推進(jìn)逐漸進(jìn)入采空區(qū)深部區(qū)域，可有效觀測(cè)采空區(qū)內(nèi)“散熱帶”、“氧化帶”與“窒息帶”的氣體濃度及溫度變化情況。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置情況如圖1 所示。

圖1 采空區(qū)“三帶”監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

2.3 觀測(cè)結(jié)果與分析

2.3.1 工作面推進(jìn)度

七號(hào)平硐+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)自燃“三帶”相關(guān)參數(shù)觀測(cè)期間，自2020 年12 月27 日預(yù)埋觀測(cè)點(diǎn)，28 日正式觀測(cè)，到2021 年1 月16 日結(jié)束觀測(cè)，工作面共推進(jìn)77.5 m。推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 工作面推進(jìn)速度統(tǒng)計(jì)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(jìn)、回風(fēng)順槽斷面均為矩形，進(jìn)風(fēng)順槽斷面寬4.8 m，高2.8 m；回風(fēng)順槽斷面寬4.2 m，高2.8 m，采空區(qū)內(nèi)部空隙率約為30 %。因此，+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)浮煤平均厚度可推斷如下：

進(jìn)風(fēng)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(fēng)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(jī)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(cè)定結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

1）采空區(qū)O2濃度數(shù)據(jù)分析。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)不同區(qū)域的O2濃度均隨著與工作面距離增加呈逐漸下降的趨勢(shì)，這是由于隨工作面開采，采空區(qū)頂板逐步垮落，垮落的破碎煤巖體充滿采空區(qū)，使得采空區(qū)內(nèi)的風(fēng)流阻力增加，加之煤體氧化不斷消耗氧氣而導(dǎo)致。受風(fēng)壓能高低變化、采空區(qū)注氮等因素的影響，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2濃度下降趨勢(shì)較平緩，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2濃度呈現(xiàn)急劇下降且有波動(dòng)。通過束管抽氣檢測(cè)，采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)O2濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化情況如圖2-圖5 所示。

圖2 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)O2 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

圖5 4 號(hào)測(cè)點(diǎn)O2 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

由圖2、圖3 可知，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)作為采空區(qū)的最大漏風(fēng)源，且頂板垮落情況較差，導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)10 m 左右時(shí)，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(jìn)入采空區(qū)77.5 m 后，氧濃度才降到7%以下。進(jìn)風(fēng)側(cè)1 號(hào)測(cè)點(diǎn)在采空區(qū)18～28.4 m 范圍氧濃度急劇下降，這是由于在該測(cè)點(diǎn)附近存在氮?dú)忉尫趴?，惰化了周圍的空間，之后該注氮口位置移動(dòng)，1 號(hào)測(cè)點(diǎn)的O2濃度急劇上升，1、2 號(hào)測(cè)點(diǎn)28.4 m 以后的走勢(shì)基本趨于一致。

存在多重共線性時(shí)，模型結(jié)果與實(shí)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(jìn)行回歸數(shù)據(jù)有偏估計(jì)。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(dāng)參數(shù)k=0.2時(shí)，模型回歸系數(shù)趨于穩(wěn)定;長三角城市群模型嶺回歸中，參數(shù)k=0.12時(shí)，回歸系數(shù)趨于穩(wěn)定;珠三角城市群模型嶺回歸中，參數(shù)k=0.08時(shí)，回歸系數(shù)趨于穩(wěn)定。

圖3 2 號(hào)測(cè)點(diǎn)O2 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

由圖4、圖5 可知，采空區(qū)回風(fēng)側(cè)各測(cè)點(diǎn)O2濃度隨與工作面距離增加下降較快，與工作面距離達(dá)到27.8 m 左右時(shí)，O2濃度已下降至7 %以下，這主要是因?yàn)榛仫L(fēng)側(cè)屬于采空區(qū)的主要漏風(fēng)匯，流經(jīng)采空區(qū)低氧漏風(fēng)、注入采空區(qū)的氮?dú)獯蟛繀R入采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，加之采空區(qū)回風(fēng)側(cè)、中部頂板垮落情況較好，導(dǎo)致流經(jīng)該區(qū)域漏風(fēng)阻力增加，風(fēng)流不易擴(kuò)散，且采空區(qū)回風(fēng)側(cè)浮煤溫度較其他區(qū)域煤溫高，消耗更多的氧氣，綜合作用下使得采空區(qū)回風(fēng)側(cè)區(qū)域內(nèi)的O2濃度迅速下降。

圖4 3 號(hào)測(cè)點(diǎn)O2 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

2）采空區(qū)CO 濃度數(shù)據(jù)分析。CO 氣體是伴隨煤氧化升溫直至自燃發(fā)生全過程的主要標(biāo)志氣體之一，分析其濃度，可對(duì)采空區(qū)遺煤所處的氧化階段及狀態(tài)進(jìn)行分析。采空區(qū)CO 濃度隨工作面推進(jìn)距離的變化情況如圖6、圖7 所示。

圖6 2 號(hào)測(cè)點(diǎn)CO 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

圖7 4 號(hào)測(cè)點(diǎn)CO 濃度隨工作面推進(jìn)距離變化情況

由圖6、圖7 可知，在工作面推進(jìn)的過程中，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)淺部幾乎探測(cè)不到CO，這是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量較大，煤體氧化產(chǎn)生的CO 被稀釋，且漏風(fēng)流速快，CO 氣體運(yùn)移到采空區(qū)中部和回風(fēng)一側(cè)；隨著測(cè)點(diǎn)與工作面距離達(dá)到10 m 左右時(shí)，CO 濃度逐步增加，達(dá)到60 m 左右時(shí)，CO 濃度達(dá)到最大值，之后緩慢下降。在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，從3、4 號(hào)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后，CO 濃度值就急劇升至48×10-6左右，之后雖然有波動(dòng)，但始終維持在較高濃度。

2.3.4 采空區(qū)溫度數(shù)據(jù)分析

采空區(qū)溫度的變化能直觀地反映出采空區(qū)遺煤所處的自燃發(fā)展?fàn)顟B(tài)，分析采空區(qū)溫度變化規(guī)律有助于掌握采空區(qū)自燃“三帶”變化規(guī)律[5]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)期間采空區(qū)內(nèi)溫度的變化曲線如圖8、圖9 所示。

圖8 1 號(hào)測(cè)點(diǎn)處溫度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

圖9 3 號(hào)測(cè)點(diǎn)處溫度隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線

由圖8 可知：采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)的溫度隨著埋入采空區(qū)距離的增加出現(xiàn)“升高-降低-再升高-穩(wěn)定”的現(xiàn)象，在采空區(qū)內(nèi)距工作面28.4 m 的位置溫度達(dá)到最低。在整個(gè)觀測(cè)期間，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)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(qū)回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度出現(xiàn)2 個(gè)急劇變化的數(shù)值，不符合統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律，排出這一因素的影響后，采空區(qū)溫度基本上呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，說明遺煤一進(jìn)入采空區(qū)即開始快速氧化。在距工作面距離相同時(shí)，回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫度高于進(jìn)風(fēng)側(cè)，說明該工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)遺煤相對(duì)于進(jìn)風(fēng)側(cè)更容易氧化。

3 采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分

3.1 采空區(qū)自燃“三帶”范圍判定依據(jù)

采空區(qū)形成自燃“三帶”，即散熱帶、氧化帶和窒息帶，其理論依據(jù)是煤氧復(fù)合理論，該理論認(rèn)為煤炭自燃必須同時(shí)滿足4 個(gè)條件：①具有自燃傾向性的煤呈破碎狀態(tài)堆積，且堆積達(dá)到一定的厚度；②有適量的漏風(fēng)供氧條件；③具有良好的蓄熱條件；④上述3 個(gè)條件共存時(shí)間大于煤的自然發(fā)火期。

1）散熱帶。對(duì)于采空區(qū)散熱帶，其與氧化帶的界限，考慮煤自燃的蓄熱環(huán)境和物質(zhì)基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際條件下散熱帶內(nèi)煤溫變化的規(guī)律，以實(shí)測(cè)得到的采空區(qū)拐點(diǎn)溫度Tg 和最小遺煤厚度hmin為主指標(biāo)，首先判斷采空區(qū)內(nèi)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(qū)拐點(diǎn)溫度Tg，采空區(qū)拐點(diǎn)溫度Tg指采空區(qū)溫度先升高后下降，再升高時(shí)下降轉(zhuǎn)升高的拐點(diǎn)溫度，采空區(qū)出現(xiàn)拐點(diǎn)溫度的位置與工作面之間區(qū)域即為散熱帶區(qū)域。實(shí)測(cè)中如未出現(xiàn)拐點(diǎn)溫度，則可以認(rèn)為拐點(diǎn)溫度位置為工作面與采空區(qū)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(qū)與工作面的距離，m。

2）窒息帶。對(duì)于采空區(qū)窒息帶，其與氧化帶的界限，應(yīng)著眼于煤自燃的供氧條件，以臨界氧濃度Cmin為主指標(biāo)，當(dāng)采空區(qū)某一區(qū)域內(nèi)氧濃度C低于Cmin時(shí)，則煤氧化作用將因供氧不足而窒息，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)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(qū)域即為氧化帶范圍。

3.2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果

根據(jù)七號(hào)平硐+1 405 m 西翼工作面現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，在連續(xù)注氮條件下，工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤厚度最薄處已達(dá)0.65 m，大于0.4 m，因此整個(gè)采空區(qū)均滿足發(fā)生自然發(fā)火的物質(zhì)基礎(chǔ)條件。

采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)溫度呈先升高后下降再升高最后基本穩(wěn)定的規(guī)律，其拐點(diǎn)溫度為采空區(qū)距工作面28.4 m 的位置，即采空區(qū)內(nèi)距離工作面0～28.4 m 區(qū)域?qū)偕釒?；?dāng)測(cè)點(diǎn)埋入采空區(qū)距工作面達(dá)到77.5 m后，O2濃度開始低于7%，即進(jìn)入窒息帶范圍。

采空區(qū)回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)溫在度進(jìn)入采空區(qū)后呈先升高后降低而后穩(wěn)定的趨勢(shì)，其溫度穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)O2濃度已低于7 %，因此判斷未出現(xiàn)拐點(diǎn)溫度，即采空區(qū)回風(fēng)側(cè)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(qū)深部。

七號(hào)平硐+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果見表2、圖10 所示。

表2 采空區(qū)自燃“三帶”范圍表

圖10 采空區(qū)自燃“三帶”范圍圖

4 結(jié) 語

通過分析各測(cè)點(diǎn)的O2濃度、CO 濃度和溫度隨工作面推進(jìn)的變化情況，可以得出在連續(xù)注氮條件下四棵樹煤炭有限責(zé)任公司七號(hào)平峒+1 405 m 西翼工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍為：

進(jìn)風(fēng)側(cè)：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(fēng)側(cè)：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(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶比較寬，最大寬度為49.1 m；回風(fēng)側(cè)較窄，為27.8 m，且回風(fēng)側(cè)不存在散熱帶。