神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤东翼大巷工作面采空区煤自燃“三带”观测及危险区域判定报告-修改版.docx

神木市孙家岔镇河西联办煤矿42煤东翼大巷工作面采空区煤自燃“三带”观测及危险区域判定报告神木市孙家岔镇河西联办煤矿有限公司二。二二年八月2 42煤东翼大巷工作面煤自燃预测及防灭火措施根据目前常用防灭火技术特点，结合神木市孙家岔镇河西联办煤矿开采煤层 的自燃特性、地质条件、开拓条件、开采方法、通风条件等实际情况，并根据煤 矿安全规程(2022版)、煤矿安全规程执行说明(2022版)、煤炭矿井设计 防火规范(GB51078-2015)、煤矿建设项目安全设施设计审查和竣工验收规范 等相关规程、规定，设计选用以黄泥灌浆为主，喷洒阻化剂为辅的综合防火火措 施，同时落实好煤自燃早期预测预报制度及监测体系，防患于未“燃煤矿安全规程第二百六十一条规定：开采容易自燃和自燃煤层时，必须 开展自然发火监测工作，建立自然发火监测系统，确定煤层自然发火标志气体及 临界值，健全自然发火预测预报及管理制度。根据西安科技大学安全学院4,煤层自然发火标志气体及临界值测试报告 中，确定CO为我矿自然发火标志性气体，当煤温超过7()。时，随着温度升高， CO产生速度与温度成指数规律变化迅速增加。当工作面出现自然发火征兆、温 度有上升趋势、回风隅角一氧化碳浓度增加变化较快时，(C2H4初始温度在80 时可以视为煤的氧化进入加速氧化阶段的标志)此时根据以下计算的用量对采空 区进行黄泥灌浆，以达到防止煤层继续自燃的目的。根据煤层自燃倾向性检验报告，该煤层属于I类自燃煤层。在回采期间主要 的防灭火手段为注浆以及喷洒阻化剂。1.1 注浆系统根据采空区情况，在回风隅角使用高压胶管注浆。即使用软管一端与专用注 浆管路连接，一端与托管连接，利用回风侧端头支架进行拖拽，托管埋入采空区； 如果出现煤层自燃发火征兆时及时注浆，煤层没有自燃发火征兆等回采完毕封闭 采空区后再对采空区内进行注浆。目前矿井设计确定选用集中灌浆系统，在工业场地主斜井附近设FMH-40T 型防灭火灌浆系统一套，制浆池规格：长x宽x深二(6.5mx2.2mxl.5m)x2,制浆池 容积为42.9m3；联合制浆机型号：LHZ-40-22KW0注浆池规格：长x宽x深 =2.2mx 1.4mx 1.5m+(2.2m+4.4m)/2x 1.5mx 1.5m= 12m3。自动行走搅拌机的型号为： MT-ZLC,注浆管路安装在43104回风顺槽，选用不小于DN80的钢管。工作面 回采前必须接齐灌浆管路；工作面预埋好管路，利用拖管进行注浆，灌浆管路和 工作面必须同时移交生产，没有灌浆管路的工作面不得进行调试、生产。注浆路线：地面灌浆站f主斜井f主回联巷-4-2煤东翼大巷工作面回风巷 -4-2煤东翼大巷工作面。1.2 阻化剂防灭火为加强采空区防灭火管理，在工作面安装支架前、初次来压、非正常生产时 期、停产期间、回撤期间进行预防性喷洒阻化剂。目前，使用阻化药剂主要为CaCb、NaCl、MgCh （卤液或卤片），以及水玻 璃和生石灰等。从使用的效果看，CaC12、MgCL的效果最好，其次是NaQ、水 玻璃及其它药剂。从经济效益上看，MgCh比较便宜，货源相对来说比较充足。 故设计确定药剂采用MgCho工作面采空区阻化剂溶液防灭火方式：采用高压雾化器把溶液变成汽雾随漏 风漂洒到采空区。采用雾化时，药液消耗量小，雾化采空区范围大，汽雾可漂到 较远的采空区未压实的漏风空间，管理较简单，喷洒均匀，效果较好，但阻化剂 汽雾随漏风带回到工作面漂洒到支架立柱上，对支架立柱有一定的腐蚀作用（操 作完毕后应立即擦净支柱）。根据井下辅助运输方式、回采工艺等，采用移动式系统，将药液箱与发射泵 放在平板车上与工作面移动变电站、泵站一块布置，排液干管采用高压胶管到工 作面，然后接三通和高压软胶管与喷嘴相联接，采用人工喷洒工艺进行喷洒阻化 剂。系统由贮液箱、吸液管、发射泵、排液管（输液干管和毛细支管）、压力表、 阀门开关、三通及喷嘴组成。1.3 堵漏风结合现场实际情况，由于底鼓以及顶板破碎，在工作面两道每隔5m砌筑软 体挡风墙，减少采空区漏风。1.4 自燃火灾监测及预测预报煤自燃的发生要经历潜伏期、自热期和燃烧期，其变化过程具有明显的征兆, 实时、准确的监测到这种变化从而及时采取针对性措施是有效防治矿井内因火灾 的基础。煤自燃监测系统就是对井下煤层自燃监测点，采用一定的方法定期或连续的 进行取样分析，结果均需记录完备，并定期检查、分析整理，总结各点气体组分、 浓度的变化规律，结合煤自然发火标志气体，判断煤自燃的发展进程，当发现自 然发火指标超过或达到临界值等异常变化时，作出煤自然发火的早期预测预报， 采取措施进行处理。煤自燃监测主要系统有：安全监测监控系统和人工检测系统。1）建立自然发火观测站（1）在工作面回风流建立固定自然发火观测站（点），由防灭火人员每周进 行观测一次。为便于气样采集和温度测定，观测站（点）应设置在矿压较小的地 点，且巷道支护规整，断面不变，巷内无风阻物。（2）所有检测分析结果必须记录在专用的防火记录簿内，并定期检查、分 析整理，发现自燃发火指标超过或达到临界值等异常变化时，立即发出自然发火 预报，采取措施进行处理。（3）工作面回采推进过程中如发现温度上升明显、CO浓度有上升趋势且增 加较快时，有C2H6等碳氢化合物时，防灭火人员及时采集气样进行分析，并立 即采取措施进行处理。2）矿井火灾监控系统我矿利用KSS-200型矿井火灾预报束管监测系统及KJ95X安全监控系统， 做好煤炭自然发火预测预报工作。束管监测系统利用抽气泵将井下测点的空气通过气体采样器、束管抽到地面 监测室，然后对气体成分通过计算机加以分析后，即得出测点的02、CH4、CO、 C02、C2H4、C2H6、C2H2等气体的浓度，从而掌握气体浓度及其变化规律并对井 下自然发火起到预测、预报作用。由地面建筑内束管监测中心沿副斜井向井下敷设，经过分管箱、除水器至采 煤工作面回风隅角、采空区；束管埋设在距工作面回风侧约50m处采空区内， 深入采空区内的束管用金属套管予以保护，定期对采空区气体成分进行抽样分析, 对采空区自然发火进行预测预报。每周对工作面回风隅角和回风流中的气体进行 人工检查和气体分析。3） KSS-200束管监测系统（1）束管探头设置束管探头布置在工作面上隅角，其位置距巷帮和端头支架立柱均不大于800mm,探头要靠近巷道顶部，吸气口正对采空区，并设在顶板完好、无淋水, 便于保护的地点。（2）取样方法采用束管抽气与人工现场取样相结合的取样方式，每周对采煤工作面上隅角 及其它可疑地点进行一次人工取样分析。（3）气体分析报表每周报通防科长、矿总工程师审阅。4） KJ95X安全监测监控系统（1）工作面上隅角安设一个CO传感器，其位置距巷帮和端头支架立柱均 不大于800mm,传感器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于300mm。 报警浓度初.0024%。（2）工作面回风顺槽内，距工作面煤壁Wl（）m范围，安设一个CO传感器, 传感器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于300mm,距巷帮不得小 于200mm。报警浓度对.0024%。（3）在工作面回风顺槽内，距回风顺槽联络巷上风侧安设一台CO 传感器，传感器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于300mm,距巷帮 不得小于200mmo报警浓度沙.0024%。（4）在胶带输送机滚筒下风侧10-15m范围内，安设一台CO传感器，传感 器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于300mm,距巷帮不得小于 200mmo 报警浓度X）.OO24%。（5）工作面回风顺槽内，距工作面煤壁310m范围，安设一个温度传感器, 传感器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于300mm,距巷帮不得小 于200mm。报警值N26 。（6）在工作面回风顺槽内，距回风顺槽联络巷上风侧10-15m,安设一个温 度传感器，传感器布置在巷道的上方，垂直悬挂，距顶板不得大于3（）0mm,距巷 帮不得小于200mm。报警值之26co（7） CO、温度监控日报表每天报通防科长、矿长审阅签字。5）人工检测和取样分析人工检测是煤层自燃火灾的重要监测手段，由人工直接在测点进行气体和温 度检测。该法适用性强、投入设备少、简单易行，但工作量大，间隔时间长。并 定期利用气囊采集气样送地面进行气相色谱分析。根据煤矿安全规程第180条规定：矿井必须建立瓦斯、二氧化碳和其他 有害气体检查制度，所有采掘工作面、胴室、使用中的机电设备的设置地点、有 人员作业的地点都应纳入检查范围。根据矿井防灭火的需要，回采工作面，回采工作面上下隅角、进回风巷、支 架间，重点检查CO、CH4、O2、温度，每班检测2次，如果任何一处CO或温 度异常，可随时根据变化情况设置测点，且增加每班观测次数。检测仪器可使用多种气体检测器、便携式CO报警仪，便携式02检测仪、 光学瓦斯检测仪、温度计及红外测温仪，具体由瓦斯检查员负责检测。检测时要做到“四定”，即定人、定点、定时、定仪器。为了检测全矿井CO 情况，矿井配备便携CO检测报警仪数量不少于便携瓦检仪的l/3o系统检测设备：气相色谱仪。采取人工取样，地面检测，经过对煤氧化程度标志性气体的分析，对煤氧化 程度进行预测预报，为矿井自燃火灾的防治工作提供科学依据。工作面回采期间 采取人工检测，必要时进行色谱分析。色谱仪分析的参数主要有。2、N2、CO、C02、CH/、C2H6、C2H4、C2H206）矿井火灾预测预报管理加大布点密度，提高预测预报精度。火区、火点及影响区域、高温隐患点、 采煤工作面都要设置监测点，并根据现场情况变化及时变更取样点次，重点防火 地点要采取定点、定时、定人取样，严把气样采集质量关，并定期做气相色谱进 行分析。严格气样分析日报制度，要随取样随分析，并当天审核汇报。做好防灭火监测，每旬末或月底要对全矿的防灭火监测情况实行阶段性分 析评价，对全矿防火监测预报情况和防灭火措施实施效果评价，火区和重点监测 点要绘制指标气体变化曲线图，有针对性地提出合理化建议，指导防火工作的现 场实施。3 4,煤东翼大巷工作面采空区“三带”观测在正常回采期间，为了确保4-2煤东翼大巷工作面采空区遗煤不出现自燃危 险，前提是要划分出煤自燃“三带”，即散热带、氧化升温带、窒息带，并确定 采空区内的自燃危险区域，同时根据确定的危险区域制定实施相应的防治措施。 根据神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤东翼大巷工作面开采后采空区遗煤特点, 实验定量测定的相关参数，判定实际条件下神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤 东翼大巷工作面“三带”分布规律、自燃危险区域和安全推进速度，为综采工作 面自燃火灾防治提供依据。3.1 测点布置采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布，此次采空区内的气体成分采用埋 管抽取检测，随工作面向前推采而观测采空区内气体浓度分布。为了监测采空区真实气体分相情况，防止采空区内积水及遗煤堵塞束管，在 工作面两顺槽沿顶板靠近煤壁铺设双芯束管，由于该工作面为防灭火而在两道每 隔5m设置一道封堵密闭，因此顶板垮落基本不会对束管造成影响，采用铁丝将 束管悬挂于距顶板0.5m处，这样便于束管铺设，也不会对后期回采等工作造成 干扰。束管在铺设过程中使用2英寸钢管作为保护套管。具体分布如图3-1所示。图344煤东翼大巷工作面采空区三带观测测点布置图3.2 观测参数及仪器掌握实际开采条件下4煤东翼大巷工作面采空区遗煤分布规律；掌握采空 区氧气、甲烷、co等气体浓度分布规律；工作面日推进速度；工作面日回采率 统计；顶板垮落情况描述；工作面供风量统计；工作面温度。便携式02、CO、CH4测定仪、风速测定仪、专用气囊、气相色谱仪、负压 抽气泵。3.3 取样及观测方法束管取样口在不取气时用防水塑料胶带密封好，并紧贴煤壁悬挂，利用便携 式抽气泵进行人工采样分析。3.4 工作面推进及遗煤情况1）工作面推进情况4-2煤东翼大巷工作面埋管开始于2022年4月21号。观测开始于2022年4 月27号，截至2022年5月7号。自燃三带观测期间4I煤东翼大巷工作面共推 进277.5m。采空区观测结束，从7月6日到8月17日的推进情况见图3-2。（从 8月12日开始，观测一个月，9月再出报告）图32 42煤东翼大巷工作面推进速度从图32中可以看出观测期间的推进速度平均7.44m/d,有时能够达到10m/d, 但偶尔也会出现推进仅有3m/d左右的情况。推进速度的快慢直接影响了采空区 内浮煤与氧气的反应时间，对煤自然发火状况有重要的影响，工作面推进速度的 加快有利于防止工作面后部及采空区浮煤自燃，消除采空区煤自燃隐患，因此在 条件许可的情况下要保持工作面推进速度的稳定，减少采空区浮煤的氧化时间， 预防煤自燃情况的发生。2)采空区遗煤分布状况在引起煤自然发火的四个因素中，松散煤体的堆积状态及厚度是提供煤体自 燃的物质基础。根据现场观测，4-2煤东翼大巷工作面采空区留有浮煤，但并不 是全部区域的浮煤都有可能自燃，这还要取决于浮煤周围的环境条件。采空区遗 煤自燃必须要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚；要有足够的 氧浓度能使浮煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能；同时，漏风强度不 能过大，以免让风流带走过多的热量。根据以往的经验可判断出，采空区内部浮煤较多的区域为顶煤遗留较多区域。 由于在采掘过程中受到地压的作用，煤体垮落，容易形成松散状态，堆积在巷道 内，随着工作面的推进，这部分浮煤进入采空区深部，达到浮煤自燃所需的蓄热 环境及漏风条件，容易引起自然发火。现阶段，因为采空区浮煤厚度分布的复杂性和采空区的封闭性，还没找到准 确测量浮煤厚度的方法。在木预测煤自燃的过程中浮煤厚度的测量是通过间接测 算的方法。通过测试煤层顶煤厚度，根据每天推进速度、工作面长度、出煤量等 推算出采空区浮煤量。最后通过观察确定浮煤分布规律。4-2煤东翼大巷工作面煤层有益厚度为3. 3nb采高平均为3. 4m。进回风顺槽 高度为3. 2m,工作面回采率在93%左右。采空区内部空隙率可考虑为25%,根 据前后观测的工作面顶煤厚度以及工作面的回采率估算出采空区平均浮煤厚度。1)进、回风两侧及两端头数个支架处浮煤厚度为：(333.2)/(1-25% 尸 0.13m2)采空区中部浮煤厚度为：3.3x( 1 -0.93)/( 1 -0.25)=0.23m由此可得，采空区内总体平均浮煤厚度为0.23m。在本预测煤自燃的过程中浮煤厚度的测量是通过间接测算的方法。通过测试 煤层顶煤厚度，根据每天推进速度、工作面长度、出煤量等推算出采空区浮煤量。最后通过观察确定浮煤分布规律。3.5 4-2煤东翼大巷工作面采空区氧浓度及漏风强度分布规律1）4-2煤东翼大巷工作面采空区氧气浓度分布规律煤体的热量产生主要来源于煤氧复合所产生的化学吸附热和化学反应热，所 以充分的氧气来源是热量积聚的主要影响因素。煤氧复合所产生的热量，在合适 的蓄热条件（如漏风强度、温度、浮煤厚度等）下就会积聚起来，引起煤体的升 温，导致煤自燃。采空区氧浓度分布规律，最直接的方法就是埋管或打钻抽取气样进行分析， 然后确定出氧浓度分布规律。4煤东翼大巷工作面按照埋管布置方案，为了更好对采空区进行观测，为了 防止保护束管的钢管被垮落的煤层顶板砸断，我们将紧贴辅助运输巷来布置钢管, 主要目的是为了防止工作面开采后，采空区内顶煤垮落对束管造成砸死、砸断等 伤害，影响观测；另外，考虑到钢管之间各个接口处会产生漏风情况，我们利用 封堵泡沫材料将其进行封堵，这还有利于防止采空区积水堵塞束管，保证观测过 程中采集的气样更加准确与现实情况更加的接近，以求观测的成功。根据4-2煤东翼大巷工作面地质构造及巷道布置的特点，按照观测方案布置 观测点，在观测的过程中，由于采空区深度的加大，采空区内部矿压也随之增大。 根据观测数据，得到进、回风侧采空区内部距工作面不同距离各点的氧气浓度变 化关系（如图3-3、3-4所示）。观测过程中回风侧观测结果较为理想，但进风侧 受顶板垮落或其他因素影响，观测结果一般。1井田概况41.1 井田位置及交通情况41.2 地形地貌及水系41.3 矿区生产状况51.4 井田地质51.5 井田构造错误!未定义书签。1.6 矿井通风情况61.7 4-2煤东翼大巷工作面概况74-2煤东翼大巷工作面煤自燃预测及防灭火措施102.1 注浆系统102.2 阻化剂防灭火112.3 堵漏风112.4 自燃火灾监测及预测预报114-2煤东翼大巷工作面采空区“三带”观测162.5 测点布置162.6 观测参数及仪器162.7 取样及观测方法172.8 工作面推进及遗煤情况172.9 4-2煤东翼大巷工作面采空区氧浓度及漏风强度分布规律194采空区危险区域数值模拟244.1 建模及参数设置244.2 数值模拟结果及分析255采空区煤自燃“三带”划分理论与分析305.1 采空区遗煤自燃极限参数305.2 采空区遗煤自燃“三带”划分条件325.3 采空区自燃危险区域划分方法和步骤335.4 神木市孙家岔镇河西联办煤矿4煤东翼大巷工作面采空区自燃危险区域20图33回风侧采空区氧浓度随埋深变化趋势图34进风侧采空区氧浓度随埋深变化趋势从图3-3、3-4可以看出，随着工作面的推进，采空区深度的增加，采空区内 各点的氧气浓度呈下降趋势。在回风侧采空区45m左右的深度氧气浓度已经下 降到了 16%,可见采空区浮煤的氧化是比较严重的。在进风侧氧气的浓度下降较 回风侧慢，在距工作面50m的范围内氧浓度一直保持在较高的水平，在深入采 空区60m时氧浓度降低到18%,这是由于进风侧风压差较大，造成漏风很大， 另外由于束管铺设在靠近巷帮的地方，此处由于煤柱及巷道支护锚杆与锚网的共 同作用，在很长一段的距离内顶板无法垮落，造成“三角”漏风区域的存在，同 时由于临近巷道侧的采空区顶板垮落不严实孔隙率较大也造成了漏风严重。随着 工作面的继续推进，测点埋入采空区深度逐渐增加，由于漏风强度的降低浮煤与 氧气反应机会相对增加，再加上沿层耗氧的作用，氧浓度逐渐的降低。在煤自燃的预测预报过程中，根据以往的经验，通常将CO气体浓度的变化 趋势作为煤体升温氧化的一种指标性气体，对煤自然发火进行提前的预测。通常情况下，对采空区CO规律的研究主要是通过采空区埋管和钻孔抽取气 样进行化验，来掌握采空区煤体参数的变化情况。根据采空区观测点的数据，得 到4-2煤东翼大巷工作面采空区02与CO气体变化规律（如图3-5为回风巷的 02与CO气体变化曲线）。通过以上回风侧采空区内CO与氧气浓度的变化趋势可以看出，随着工作面 的不断推进，测点埋入采空区的深度不断加深，氧气浓度总体呈下降趋势，CO 整体上呈先升后降的变化趋势。当回风侧采空区的测点深度进入50m以后，氧气浓度开始明显出现下降的 趋势，同时，co浓度也出现上升趋势，由此可以定性地说，采空区内浮煤开始 氧化，60m后氧气浓度迅速下降，浮煤氧化耗氧量增加，CO产生量也迅速增加， 说明浮煤处于氧化升温带；测点埋深进入245m之后CO气体迅速下降。因此, 在4-2煤东翼大巷工作而推进的过程中，回风侧245m前是防灭火的重点区域, 必须加强监测。2） 4,煤东翼大巷工作面采空区漏风强度分布规律松散煤体是十分复杂的多孔介质，在实际条件下引起煤体自燃的漏风速度极 小（0.0010.5cms），且漏风分布是时间和空间的函数。因此，只能间接测算松 散煤体的漏风强度（即单位时间通过单位面积松散煤体的漏风量，cm3s/cm-2）。 松散煤体漏风强度的测算方法主要有：风量测算法、达西微分算法、风网解算法 以及氧气浓度测算法，前三种方法理论上能准确计算松散煤体的漏风强度及分布 状况，但由于目前测风、测压技术的精度和巷道的实际条件的限制，在松散煤体 漏风强度实际测算应用中，难于实施，误差大，现场很少采用。而第四种方法利 用实测氧气浓度推算漏风强度，在实际应用中比较简便和准确。氧气浓度测算法是通过实际测定的氧浓度分布反推漏风强度。其思路是假设 一种漏风规律，通过测定松散煤体内某点氧气浓度，根据煤在该温度下的耗氧速 度，推算出漏风强度。以这个漏风强度为初始值，再考虑系统风压变化（主要为 煤体温度变化引起的热风压变化），即可得到漏风强度的动态变化规律。假定漏风流仅沿一维流动，当松散煤体内漏风强度恒定不变时，可求出漏风 强度与氧浓度关系：式中，为新鲜风流氧浓度，取9.375x10，°。"；吸）为实验测定煤 温为T、氧浓度为21%时的耗氧速率，的”（sc加）；。（刈为采空区七处的漏风 强度，加/（S加）；七分别为采空区两点距工作面的距离m。根据4-2煤东翼大巷工作面煤样自燃性程序升温实验测试，煤样在30下 所对应的耗氧速度为19.32X1。，6。眉，利用已测得的采空区氧浓度分布规律，结合式（3.1）可推算出进回风侧的采空区漏风强度分布如图3-6和3-7。0. 035 n0. 030 -0. 030 -0. 025 -<0. 020-0.015-0.010-0. 005 -0. 000200250300图36回风侧采空区内漏风强度0. 06-|0. 05- 0. 04-0. 03-0. 02-0.01 -0. 00 +050100150200ttMtt (m)250300图37进风侧采空区漏风强度4采空区危险区域数值模拟（把这一章去掉）采用ANSYS FLUENT 19.0流体动力学软件，根据现场观测所取得的数据, 确定模型边界条件，定义采空区各参数。进而模拟无法直接观测的采空区内部渗 流场、气体浓度等。以此指导神木市孙家岔镇河西联办煤矿4煤东翼大巷工作 面防灭火工作。4.1 建模及参数设置在建模的时候，首先要对所模拟区域进行设置，本次所模拟的区域为一个 400mxl62mx 13.66m的立体区域，其中X轴方向为工作面向采空区方向，Y轴 为工作面长度，Z为高度。在进行网格划分时，工作面以及进回风巷0.5m,采空 区5m。三维模型及网格划分见图4-1、4-2所示。?50022S00图41采空区三维模型图图42三维模型网格划分图4.2 数值模拟结果及分析在以上建立的模型的基础上进行模拟，得到了采空区氧浓度分布图见图4-3和图4-4。漏风强度分布见图4-5。O2.Mass FractionContour 1I2.300e-012.044e-011.789e-011.533e-01I 1.278e-011.022e-017.667e-025.111e-022.556e-025.417e-10图4-3距煤层底板0.5m处氧浓度分布图contour-1Mass fraction or o2I2.30e-012.07e-011.84e-011.61e-011.38e-01I1.15e-019.20e-026.90e-024.60e-022.30e-025.42e-10图44采空区氧浓度立体分布图VelocityContour 1 1.000e-038.889e-047.778e-046.667e-04i| 5.556e-044.444e-043.333e-04i-g 2.222e-04 1,111e-040.000e+00m sA-1)图45采空区漏风强度立体分布图图4-6、4-7、4-8为数值模拟所得神木市孙家岔镇河西联办煤矿42煤东翼大 巷工作面采空区进风侧、回风侧以及中间位置氧气浓度变化规律。由图4-6可知， 4-2煤东翼大巷工作面采空区进风侧氧气浓度随着采空区深度增加而逐渐减小， 但是在工作面至50m范围内氧气浓度变化较小，基本上维持在20%以上，随着 深度增加，当采空区深度距工作面70m时，氧气浓度降低至18%,当采空区深 度距工作面为105m时，氧气浓度降低至8%以下，在此期间，氧气浓度下降速 度增大。这是由于在采空区距工作面7()m内，负压作用下新鲜空气进入采空区内，使采空区内氧气浓度较高，且垮落不严实，导致孔隙率较大。但随着采空区 深度增加，顶板完全垮落后，孔隙率变小，氧气浓度迅速降低。0. 22-0. 20-0. 18-0. 16-0. 14-0. 12-0. 10-0. 08-0. 06-0. 04-0. 02-0. 00-0. 025010015050100150200250300(m)(m)图46进风侧氧气浓度分布规律图图4-7为神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤东翼大巷工作面采空区回风侧 氧气浓度变化规律曲线，由图可知，数值模拟所得结果与现场实测结果基本一致, 因此，此模拟可以有效的指导4以煤东翼大巷工作面采空区内氧气浓度分布及三 带划分。从结果中可以看到，4-2煤东翼大巷工作面采空区回风侧氧气浓度从距工 作面2m处就己经降低至8%以下，从进风侧进入到采空区内的氧气随着扩散以 及遗煤氧化所吸收，至回风侧已基本被消耗完，这也可以反应出中2煤东翼大巷 工作面基本没有漏风。0. 08-10. 07 -" 0. 06- I 0.05- 7.w 0.04-"S 0.03-02r 0. 02-X o. oi -.图4.7回风侧氧气浓度分布图图4-8为神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤东翼大巷工作面采空区中间位 置氧气浓度分布情况，由图可以看到，中间位置氧气浓度变化规律与进风侧氧气 浓度变化规律基本一致，在采空区距工作面48m处氧气浓度降低至18%以下， 且在该阶段氧气浓度降低速率较小，当采空区深度距工作面60m时氧气浓度降 低至8%以下，在该阶段内，氧气浓度迅速降低。0. 25-10. 25-10. 20-0. 15-0. 10-0. 05-0. 0050150200250300图4-8中间位置氧气浓度分布图综合以上数据分析发现，神木市孙家岔镇河西联办煤矿4-2煤东翼大巷工作 面采空区不存在漏风，0-50m范围内顶板垮落不严实，孔隙率较大，但随着采空 区深度增加至60-100m范围内，氧气浓度降低至8%以下，顶板完全垮落被压实， 孔隙率较小，氧气无法扩散至采空区深处，可以保障4口煤东翼大巷工作面正常 安全生产。345.5采空区极限推进速度366结论及建议385采空区煤自燃“三带”划分理论与分析5.1采空区遗煤自燃极限参数根据能量守恒原理，采空区遗煤氧化放热量大于顶底板散热和风流带走的热 量之和时，才可能引煤体升温，即采空区遗煤氧化放热能引起升温必须满足下式：diiUegmd(TQ+q。- dM 叩&2 0(5.1)式中：Pq底分别表示工作面风流密度(g-cm-3)和热容(Jg-C”)； x为 采空区内部距工作面的距离(cm)；夕次T)为实验测定煤的放热强度(J.cmSb)； 人为遗煤导热系数(J-s-1,cnr1)；。为采空区内漏风速度(cm/s)o因此，采空区遗煤自燃前提是要有足够的遗煤厚度，使遗煤氧化产生的热量 得以积聚；要有足够的氧浓度使遗煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能; 漏风强度不能过大以致让风流带走产生的热量。I)煤氧化放热强度根据煤氧复合三步化学反应理论，煤的化学吸附热为58.8kJ/mol,氧化生成 CO、82和 H2O 的平均热效应分别为 319.5kJ/mok 446.7kJ/mol 和 348.6kJ/molo 根据煤样耗氧速度、CO及CO2产生率，可以计算出煤自燃氧化放热强度的范围。在煤自然发火过程中，可近似认为煤消耗的氧全部转化为CO和CO2,生成 两种气体的比例与实际生成率相同，则煤氧化放热强度为%*)=。叫)匕 A"° + ”"V0(D-AHg哪(了)+唱,(7)丫*) + %(7)(52)式中，0nax(T)为煤氧化放热强度的上限。假设氧的消耗除生成CO和CO2外，剩余部分全发生化学吸附，则可得出氧 化放热强度为心 in =AW" M(7) - VT)- v： (DJ+AW % (7)(53)式中，4min(T)为煤氧化放热强度的下限。煤的实际放热强度应介于两种估计值之间，即:2)采空区最小遗煤厚度若把采空区遗煤看成是无限大平面通过岩体传导散热，漏风强度很小。认为是一维漏风，煤体内的温度近似认为均匀，则式（5.1）化为:-”0%儿笑+ 外（2）。2x（7；） （川2- I般=/+/)(5.4)(5.5)式中：力为遗煤厚度；图为煤体内最高温度；北为煤体平均温度；Ty为岩层 温度；%为风流温度；儿为松散煤体导热系数；%（北）为温度氧气浓度C。 时的氧化放热强度；尤为采空区距工作面的距离。把式（5.5）代入式（5.3）化简得出煤体升温的必要条件为.I 8x（7；）一（T 万（T T / 'min（5.6）1%亿）-耍品2 （小）/尤即当遗煤厚度力工儿面时，松散煤体不能引起自燃升温，/%n为最小遗煤厚度。从（5.6）式可以看出：心而随煤温、漏风强度、工作面的距离三个参数而变化。根据（5.6）式，可计算出不同煤体温度和漏风量时的最小遗煤厚度。3）采空区极限氧浓度因氧化放热强度次与氧浓度成正比，即：C夕区”）=舟,。区）（5.7）c。，式中：次北）表示氧浓度为C时的放热强度；%（乙）表示氧浓度为Co （即21%）时的放热强度；。为新鲜风流氧浓度，取21%； C为实际氧浓度。把式（5.7）代入式（5.1）得：(5.8)_(7O_Co2 > div(2,cgradTm) -divpKcKQTm) = Cmm即当C KG.时煤体氧化产生的热量小于散发的热量，Cm汕为下限氧浓度。对于采空区可简化为无限大平板的一维传热，则式（5.8）可化为_ Cl 8x4(7；,-.)%=而一厂一Q._ Cl 8x4(7；,-.)%=而一厂一Q.(5.9)式中，为采空区遗煤厚度cm。从式（5.9）可以看出；Gum随煤温、漏风强度、工作面距离和遗煤厚度四个参数变化。忽略风流焰变散热时，可得出不同遗煤厚度和煤体温度时的下限氧浓度值。4）采空区极限漏风强度当采空区遗煤厚度大于4加，又有足够的氧浓度，且风流为一维流动，流速是个常数，则式（5.1）化为Me- dr+ /(4)一叩gju寸>oULqMG ° 及 2讥皿，11aXax,龙(5.10)Q<4+82Tmntdi=Q上max(5.11)dx.dz.Qmax =不8%("-)/(5.12)当漏风强度Qm时，煤体就不可能引起自燃升温，称为极限漏风 强度。从式（5.12）看出随煤温、工作面距离、遗煤厚度三个参数变化。5.2 采空区遗煤自燃“三带”划分条件采空区遗煤自燃大体可划分为三个带，即散热带、氧化升温带和窒息带。这 三个带在生产工作面呈动态变化，主要受工作面推进速度影响。目前采空区自燃三带的划分指标有三个：漏风速度、氧气浓度和温升。划分 如下:1）散热带采空区散热带是指在某一定温度下，虽然有足够的氧浓度，煤体能得以充分 的氧化放热，但产生的热量始终小于或等于散发热量的所有点的集合即采空区漏 风风速大于0.24m/min,氧气体积分数大于18%,温升AT< 1/4且靠近工作面 的区域。2）氧化升温带采空区氧化升温带是指在某一温度下，产生的热量大于散发热量的所有点的 集合即漏风风速在0.10-0.24m/min,氧气的体积分数在8%-18%之间，温升 AT21/d的区域。采空区氧化升温带的判定条件为：e<e.naxn/7>minnc>cmin（5.13）3）室息带采空区缺氧室息带是指在某一温度下，虽有足够的遗煤厚度和蓄热条件，但 由于氧浓度低，使得产生的热量小于或等于散发热量的所有点的集合即指漏风风 速小于0.10m/min,氧气的体积分数小于8%,温升7< l/d的采空区压实区。窒息带的判定条件为：C < Cmm（5.14）采空区自燃危险区域划分方法和步骤采空区自燃危险区域划分方法和步骤如下：1）根据实际条件，确定出采空区遗煤厚度分布等值线及厚度分布图；2）根据工作面压力分布、采空区“两道”压力分布及氧气浓度分布，建立 湍流模型，模拟出采空区漏风强度和氧气浓度分布，画出其等值线平面图；3）现场实测空气和岩石温度7；值和漏风强度等，实验测定煤不同温度 下的氧化放热强度/（7），运用极限参数计算公式可计算出不同遗煤厚度、不同 煤温北和不同距离X时的三维极值储位其，），Gnink/?"，口）和 时（刀也/）值，根据计算出的三维值取其某一温度的极大值，即：%,(豆)= mx再，21%n(%，X2, 口)%n(1/r，E)'党式仍的Cmin(l,和九克)伍，”2也,±2)Cmint，毛也Di)6.15)OmaM ) = 1】而2max(7；, & , 4 )，0n，%，4 )OmaS，£，4 )4）把采空区遗煤厚度等值线平面图、氧气浓度分布等值线平面图和漏风强 度分布等值线平面图绘在一起，把人%）、c=GJZ）、的等值 线在图上标出，则可知采空区散热区、氧化升温区和窒息区三大区域，并可得到 氧化升温区的宽度5）根据采空区氧化升温区的宽度，得出最大氧化升温区宽度Lmax=gx4, 并按式5由=/min计算出工作面极限推进速度匕而，然后根据实际推进速度是 否大于极限推进速度4而，确定采空区是否有自燃危险性。再根据工作面推进速 度和最短自然发火期计算出能引起自燃的氧化升温带最小宽度4而n =裙，即 可知采空区自燃危险区域，Lx > Lxm.n 0神木市孙家岔镇河西联办煤矿41煤东翼大巷工作面采空区自燃 危险区域采空区遗煤自燃必须要有足够的浮煤厚度，使浮煤氧化产生的热量得以积聚; 要有足够的氧气浓度能使浮煤产生足够的氧化热以提供煤体升温所需热能；漏风 强度不能过大，以免产生的热量让风流带走。根据神木市孙家岔镇河西联办煤矿 4-2煤东翼大巷工作面（平均粒度为4.50mm）的实验测试和理论分析得知：1）根据陕西安技煤矿安全装备检测有限公司出具的神木市孙家岔镇河西 联办煤矿有限责任公司煤矿煤尘爆炸性鉴定报告可知，4-2煤煤尘具有爆炸性。 根据陕西安技煤矿安全装备检测有限公司出具的神木市孙家岔镇河西联办煤矿 有限责任公司煤矿煤层自燃倾向性鉴定报告，本矿井4-2煤层属I类自燃煤层。 其中4-2煤层空气干燥基挥发份（Vad）值为35.79%,干燥无灰基挥发份（Vdaf） 值为36.25%。根据西安科技大学检测的4煤自然发火期为34天。2）根据西安科技大学出具的神木市孙