于國志 李富強 鄭 馨

（沈陽焦煤股份有限公司紅陽三礦，遼寧 遼陽 111307）

紅陽三礦北二1210-2 工作面最大采深-948 m，該工作面為下覆回采煤層，屬于Ⅲ類不易自燃，最短發(fā)火期87 d。在回采過程中有兩條（5 m 寬和10 m 寬）煤柱一直伴隨回采結束，煤柱上層不采煤層遺落在采空區(qū)內(nèi)，容易引起自然發(fā)火，對防火工作非常不利。為了防止礦井在回采過程發(fā)生煤自燃災害，保證礦井安全生產(chǎn)，有必要通過雙參數(shù)（O2—CO）的濃度值來分析劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”寬度和發(fā)火危險程度，有針對性地采取正確可靠的防火措施，為礦井火災防治提供科學依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

紅陽三礦北二1210-2 工作面所采煤層為12 煤與13 煤的復合煤層。12 煤由12-1 煤和12-2 煤組成，12-1 煤平均厚1.60 m，12-2 煤平均厚1.45 m，兩層煤層間距平均為1.00 m，夾矸巖性為泥巖。12-2 煤與13 煤層間距為1.30 m，夾矸巖性為細砂巖。

工作面設計為三巷布置，“W 型”通風，兩側(cè)順槽入風，中間順槽回風，工作面面長409 m。其中工作面上段長181 m，回采13 煤，下段長228 m，回采12-2 煤與13 煤，工作面可推進長度為929 m。

緊鄰北側(cè)1#運輸順槽（下順）有4.5 m 寬12煤與13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤將會留在頂板；1210-2 中順回風順槽北側(cè)間隔9 m 后，有10 m 寬12 煤與13 煤的未采煤柱，在回采中12-1 煤和部分12-2 煤將會留在頂板，未采的12 煤層會垮落至采空區(qū)內(nèi)，有自然發(fā)火隱患。

該工作面共有斷層18 處，其中落差＜0.5 m 有1 處，0.5 m ≤落差＜1 m 有8 處，落差≥1 m 有9 處。

2 自然發(fā)火測定

2.1 測定方法

煤炭氧化后隨著氧化進程的不同將依次釋放出各種氣體，這些氣體的出現(xiàn)及釋放量基本能準確反映煤炭氧化自燃程度。因此，準確地分析煤炭氧化自燃所放出的氣體及其濃度，能夠及時地預測預報煤炭自燃情況，為防治工作提供科學指導。

該測定利用向采空區(qū)內(nèi)埋入的束管取氣樣化驗分析，采用雙參數(shù)（O2—CO） 的濃度值確定采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”寬度和發(fā)火危險程度，采用綜合數(shù)據(jù)分析能夠更準確地判斷不同區(qū)間段的自然發(fā)火情況，更加充分保證“三帶”范圍劃分下防火措施應用的科學性、合理性。

2.2 采空區(qū)自燃“三帶“劃分依據(jù)

根據(jù)實際情況及現(xiàn)場測定技術條件等因素影響，采用以氧氣濃度劃分法為主，輔助CO 濃度測定，判斷“三帶”區(qū)段內(nèi)自然發(fā)火發(fā)展程度。

3 個區(qū)段內(nèi)的O2濃度隨采空區(qū)垮落密實度的不同而漏風風速不同，O2濃度會發(fā)生變化。根據(jù)O2濃度值的大小，將采空區(qū)內(nèi)自然發(fā)火劃分為“三帶”，即散熱帶（O2≥18%，）、氧化升溫帶（18%＞O2＞7%，）、窒息帶（O2≤7%）。

煤炭自燃的決定性因素是氧氣濃度的供給。通過測定采空區(qū)氧氣濃度的大小，作為劃分氧化自燃“三帶”的依據(jù)，由于束管監(jiān)測系統(tǒng)的應用，使之變得簡便可行。通過采空區(qū)預設取樣束管，結合氣相色譜儀，對采空區(qū)氣體成分進行監(jiān)測分析，這是目前應用最廣泛的一種方法，也是最有效的實測方法。這種實測方法的關鍵在于采空區(qū)測點的設置。

2.3 采空區(qū)測點布置

該測定點布置在有煤柱的下段工作面，沿工作面方向布置7 個測點。在下順槽貼近煤幫布置第一個測點。根據(jù)煤柱卸壓角保護范圍計算，得出了采空區(qū)不易冒落區(qū)，該區(qū)應布置測點，即在靠近下順槽5 m 寬煤柱邊沿的下風側(cè)布置第2 個測點。第6個測點布置在10 m 寬煤柱邊沿的上風側(cè)，第7 個測點布置在回風順槽正對采空區(qū)內(nèi)，其他3 個測點按照50 m 間距，均勻布置。每個測點布置一根束管，并用Φ4 mm 帶有螺紋絲口的鐵管做外套保護，防止束管進入采空區(qū)后被砸斷，每回采1.4 m 延接一次護套管，并使用黃泥封堵護套管內(nèi)孔，同時每天人工對束管取一次氣樣使用氣相色譜儀進行化驗。測點束管布置如圖1。

圖1 測點束管布置示意

2.4 測定數(shù)據(jù)分析

通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，O2濃度分布場在采空區(qū)內(nèi)具有一定的規(guī)律，但受采空區(qū)邊界保護煤柱及多種物理因素影響又有不同，如圖2。

圖2 束管監(jiān)測O2 曲線圖

靠近入風巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)的散熱帶寬度為28 m、氧化升溫帶寬度為30 m，靠近回風巷道側(cè)采空區(qū)內(nèi)的散熱帶寬度為13 m、氧化升溫帶寬度為15 m，中部采空區(qū)散熱帶寬度為13 m、氧化升溫帶寬度為15 m，如圖3。

圖3 北二1210-2 采空區(qū)自然“三帶”區(qū)間分布圖（m）

分析圖2、圖3 可知，受采空區(qū)保護煤柱影響，靠近入回風側(cè)煤幫10 m 左右范圍內(nèi)的采空區(qū)散熱帶和氧化升溫帶區(qū)間都要比采空區(qū)中部寬15 m，靠近回風側(cè)煤柱附近前后1～2 m 范圍內(nèi)進入散熱帶和氧化升溫帶滯后采空區(qū)中部4～5 m，說明煤柱未采煤層進入采空區(qū)后比再生頂板要有更好的完整性，較大的塊體之間更容易形成空隙。從測定數(shù)據(jù)可以看出，排除受煤柱的因素影響，“三帶”的分界線基本與工作面平行，再生頂板下開采破碎的采空區(qū)頂板垮落基本一致，靠近回風順槽側(cè)的采空區(qū)沒有形成與工作回風壓力相等的低負壓渦流區(qū)，說明“W型”通風方式無回風隅角，采空區(qū)漏風風流運移軌跡呈一次方程流動。

檢測數(shù)據(jù)顯示，從進入采空區(qū)開始就有CO，其濃度入風巷道側(cè)采空要比采空區(qū)中部和回風側(cè)采空區(qū)值要小，且其出現(xiàn)的要晚。監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示CO濃度與O2濃度成反比，并且在氧化升溫帶區(qū)間內(nèi)沒有明顯的增長，進入窒息帶后濃度值保持一個較平穩(wěn)的狀態(tài)，沒有出現(xiàn)自然發(fā)火跡象。采空區(qū)CO測定曲線如圖4。

圖4 采空區(qū)CO 濃度測定曲線圖

在測氧法劃分出采空區(qū)自燃“三帶”后，通過自然發(fā)火標志性氣體CO 對其輔助驗證。數(shù)據(jù)分析顯示，在散熱帶：CO 濃度沒有增加，說明測定的散熱帶沒有蓄熱條件，沒有自然發(fā)火危險；氧化升溫帶：CO 濃度稍有升高，有輕微氧化現(xiàn)象，說明采空區(qū)漏風風速的降低構成了蓄熱和氧化條件且沒有將產(chǎn)生的CO 及時稀釋沖淡，應加強重視遺煤在氧化升溫帶內(nèi)的防火措施；窒息帶：CO 濃度較氧化升溫帶又稍有升高，O2濃度降到2%～7%之間后，CO 濃度處在比較平穩(wěn)狀態(tài)且沒有發(fā)展到自然發(fā)火濃度值，沒有因為在千米地溫蓄熱和煤氧化蓄熱條件下出現(xiàn)自然發(fā)火跡象。采用雙參數(shù)（O2—CO）測定采空區(qū)自燃“三帶”的技術應用及測定點的布置方式通過實際應用得到了驗證，符合采空區(qū)自燃“三帶”的劃分標準，技術應用是可行和可靠的。

3 自然發(fā)火防治措施

3.1 CO 來源分析及防火重點

北二1210-2 采煤工作面為下覆開采，在上覆開采中留有平均100 mm 厚的浮煤，在上覆回采過程中遺留在采空區(qū)中，期間與O2充分接觸后出現(xiàn)CO，吸附在遺煤和垮落的頂板碎矸縫隙中。在該回采過程中與細碎的再生頂板一起暴露在工作面及液壓支架后面，從工作面頂板落煤及碎矸中檢測到（1～1.5）×10-5濃度的CO，即可證明再生頂板和上覆遺煤中存有CO。

根據(jù)采空區(qū)氣體運移規(guī)律，從采空區(qū)入風側(cè)到回風側(cè)的氣體濃度值是疊加的，越靠近回風側(cè)巷道其值越高。從檢測數(shù)據(jù)觀察在本層煤回采中沒有出現(xiàn)明顯增長趨勢，煤柱附近測定的CO 濃度較其他測定濃度值相對要大，但還沒有達到自然發(fā)火濃度臨界值以上，且其不是成線性不斷增長，說明本層開采從工作面煤層暴露開始到進入采空區(qū)窒息帶期間沒有嚴重的自然發(fā)火危險。

煤柱上部的1.6 m 厚的煤體落入采空區(qū)后會垮落形成較多破碎面，與O2接觸后極易氧化、蓄熱產(chǎn)生自然發(fā)火隱患，因此重視煤柱的防火及正確防火措施的采取是今后防火工作的重點。

3.2 防火措施

從采空區(qū)自燃“三帶”測定的數(shù)據(jù)，分析得出重點防火位置是入回風巷道煤幫、兩條煤柱及有一定厚度的頂板遺煤。在遺煤進入采空區(qū)58 m 以后就已經(jīng)完全進入窒息帶，以后便可以不用采取防火措施。

目前實際采取的措施：

（1）向兩條煤柱及其附近和有頂板遺煤的位置注入能夠完全覆蓋遺留在采空內(nèi)遺煤的白泥；

（2）向入回風巷幫鋪掛防滅火材料，達到煤幫與O2隔絕，防止出現(xiàn)氧化；

（3）在入風順槽向采空區(qū)埋入注砂管，每回采20～30 m 時向采空區(qū)注一次砂，通過壓力控制注砂量，起到封堵采空區(qū)漏風目的；

（4）控制回采進度，在為期35 d 回采距離58 m 的“三帶”測定數(shù)據(jù)顯示中沒有出現(xiàn)自然發(fā)火，證明35 d 的自然發(fā)火期沒有達到最短發(fā)火期，時間上是安全的，月回采58 m 是安全距離，即確定在采取以上防火措施的情況下，一個月內(nèi)平均每天的推進度的安全距離是不小于1.66 m。

4 結語

運用O2濃度值的大小測定出北二1210-2 工作面“三帶”范圍，運用CO 濃度值驗證“三帶”區(qū)段的自然發(fā)火的發(fā)展程度。采空區(qū)自然“三帶”劃分結果表明，沿采空區(qū)走向上，采空區(qū)氧化帶的范圍非線性分布，入風巷道側(cè)區(qū)段寬度最大，煤柱段次之，采空區(qū)其他部分基本一致。從采空區(qū)自燃“三帶”測定的數(shù)據(jù)，結合工作面回采實際，分析得出重點防火位置是入回風巷道煤幫、兩條煤柱及有一定厚度的頂板遺煤，以此為指導，提出了注白泥、鋪掛防滅火材料、埋注砂管、控制回采進度等治理措施，起到了良好的防滅火效果。