1. 引言

火灾是煤矿重大自然灾害之一，特别是采空区内部发生的煤自燃火灾事故，使矿井遭受资源浪费和经济损失，且严重威胁井下生产工作人员的生命安全[1][2]。将工作面通风方式由U型改变成Y型，解决工作面上隅角有害气体积聚，但巷道风流通过巷帮孔隙与采空区接触，风流交换增多，漏风强度增加，遗煤在漏风的高氧环境中氧化加快，且氧化带宽度较大[3]-[5]。

针对Y型工作面采空区自燃“三带”，诸多学者对此做出研究，贾廷贵等[6]建立流–化–热多场耦合数学方程，利用模拟软件研究，得出埋管抽采瓦斯影响氧化带宽度。张清清[7]利用束管采集气体，发现在留巷巷帮抽采瓦斯使回风巷侧散热带宽度增加，产生“拖尾”现象。李洪先等[8]通过COMSOL软件，得出氧化带自回风侧向进风侧大体呈L型分布。田垚等[9]借助数值模拟，发现采空区含氧量与距工作面和沿空留巷距离呈正相关关系，散热带、氧化带和窒息带呈L型分布，“三带”范围随高度增加而变化。桂小红等[10]通过束管采气，以O₂浓度为主指标，将CO、CO₂和CH₄等气体浓度为辅助指标划分采空区自燃“三带”。

综上，目前的研究方法主要为现场实测和数值模拟，而现场实测多以气体浓度为关键指标。但数值模拟无法完全复现采空区内部特征，且氧气浓度指标过于单一。基于此，本文以沙曲一号煤矿4503工作面Y型通风采空区为工程背景，采用铺设束管和测温线路的方式进行现场测试，利用氧气、一氧化碳、二氧化碳浓度和温度值研究采空区自燃“三带”分布规律，为采空区防火措施的制定提供依据。

2. 采空区自燃“三带”划分

采空区自燃“三带”划分是采空区自燃防治措施的理论基础[11]。按照采空区漏风程度和遗煤自燃的潜在倾向，划分为散热带、氧化带和窒息带。在采空区自燃“三带”区域判定中，划分采空区自燃“三带”的指标主要有氧气浓度、温度和漏风强度[12]-[14]，对应数值分别为氧气浓度8%~18%，温升速度1℃/d和漏风风速0.1~0.24 m/min[15]。

但在现场测试中，采空区内部条件复杂，风速测试困难，漏风测定误差大，所以漏风强度测定通常在计算机模拟中实现。煤体导热性较差，采空区内部传热过程缓慢，温度仅作为辅助性指标。采空区氧气浓度分布综合反映了漏风情况和遗煤氧化程度，在发生自燃的位置，遗煤耗氧量较大，氧气浓度变低，从而通过氧气含量判断煤体处于何种状态。此方法准确性较高，且气体浓度便于检测。一氧化碳和二氧化碳浓度在数值上可以反映采空区遗煤氧化程度。遗煤氧化反应剧烈，则两种气体的浓度增加，因此，在一定程度上有助于提高采空区自燃“三带”划分的准确性。

为提升采空区自燃“三带”划分的准确性，提出综合指标判定法，即氧气浓度为主要指标，一氧化碳、二氧化碳浓度和温度作为辅助指标，将气体浓度值与温度值变化的规律结合分析。在采空区现场预先铺设束管和测温线路，监测采空区内部温度和指标气体浓度。通过综合考虑气体浓度和温度的分布，划分采空区自燃“三带”，进而得出采空区遗煤自燃区域分布的真实状态。

3. 现场测试

3.1. 工程概况

沙曲一号煤矿位于山西省吕梁市柳林县，沙曲一号煤矿资源丰富，核定生产能力450万吨/年，井田面积68.3817平方公里，可采储量6.4亿吨，服务年限102年。

4^#煤层倾角2˚~7˚，平均煤厚4.2 m，有益开采厚度为4.1 m，地质条件相对简单。4503工作面位于4^#煤层，采用单一倾斜长壁采煤法，煤种为焦煤，瓦斯压力最大为1.06 MPa，最大原始瓦斯含量为8.96 m³/t，具有突出危险性，自然发火期为104天。该工作面轨道巷和胶带巷作为进风巷道，原4504轨道巷作为4503回风巷，形成Y型通风系统。

3.2. 现场施工

Figure 1.Arrangement of measuring points

图1.测点布置示意

将采空区温度和气体浓度作为现场监测指标，共设计3个气体测点和5个温度测点。

1) 气体测点布置：沿采空区倾向预埋钻杆，并使用束管转接。在4503胶带巷，测点深入采空区5 m，编号为1-1；在4503回风巷，为减小漏风对气体浓度数据的影响，测点深入采空区15 m，测点间距20 m，编号为1-2和1-3。观测过程中，使用CFZ-20型自动负压采样器抽取测点位置气体，之后通过球胆收集并运送至地面进行色谱分析测试。

2) 温度测点布置：在4503胶带巷，沿采空区走向布置2个温度测点，间距为30 m，编号为2-1和2-2；在4503回风巷，沿采空区倾向布置3个温度测点，间距与气体测点间距相同，编号为2-3、2-4和2-5。选择矿用本安型GWP200温度传感器监测温度，通过矿用本安型三芯导线将传感器和显示器连通。

气体测点和温度测点布置如图1所示。

3.3. 数据监测

3.3.1. 气体浓度分布特性

实测日期为38天，工作面共推进112 m。回采过程中，回风巷位置的测点1-3线路损坏，选择进风侧的气体测点1-1和回风侧的气体测点1-2进行气体浓度监测数据分析。

1) 氧气浓度分布特性

利用实测数据，绘制氧气浓度变化曲线，如图2所示。

Figure 2.Oxygen concentration monitoring data

图2.氧气浓度监测数据

由图2可知，随着工作面开采推进，气体测点1-1和1-2进入采空区深部，氧气浓度值逐渐下降。在采空区进风侧，恒阻锚杆支护导致顶板延迟垮落，当测点距离工作面25 m时，氧气浓度降至17.9%，进入氧化带范围；当测点距离工作面93 m时，氧气浓度降至7.85%，进入窒息带范围。因此，采空区进风侧25~93 m为氧化带范围，该区域自然氧化剧烈、热量积聚，自然发火可能性较大。

4503采空区回风侧靠近工作面区域应力较小，裂隙与孔隙发达，漏风较多，当测点距工作面51 m时，氧气浓度下降，进入氧化带范围；测点距工作面101 m时，处于采空区压实程度较大的位置，氧气浓度降至8%以下。51~101 m之间确定为氧化带范围，与散热带相比，该处位置的孔隙较为密集，气体流通受阻，耗氧补充不及时，氧气浓度降低，是矿井防灭火工作的重点关注区域。

2) 一氧化碳浓度分布特性

利用束管采集采空区气体，进风侧与回风侧一氧化碳浓度数据如图3所示。

Figure 3.Carbon monoxide concentration monitoring data

图3.一氧化碳浓度监测数据

由图3可知，气体测点距离工作面较近时，未测到一氧化碳气体，该位置处于散热带范围。随着测点距工作面距离增加，两侧一氧化碳浓度整体呈现上升趋势，且进风侧的一氧化碳浓度较高。在采空区进风侧25~106 m，一氧化碳浓度较高，遗煤氧化升温现象明显，最大浓度值为21 ppm，表明该范围大多属于氧化带。在回风侧31 m位置处，检测到一氧化碳气体存在，之后降为零；在51~106 m范围内，多次检测到一氧化碳气体存在，最大浓度值为12 ppm，表明进入氧化带范围，遗煤开始氧化且氧化程度不断加剧。在采空区深部，坏境条件不利于遗煤氧化。一氧化碳浓度逐渐减小，进入窒息带。

3) 二氧化碳浓度分布特性

采空区两侧二氧化碳浓度数据如图4所示。

Figure 4.Carbon dioxide concentration monitoring data

图4.二氧化碳浓度监测数据

由图4可知，采空区两侧二氧化碳浓度值整体呈现先上升后下降趋势。在采空区进风侧25 m位置，二氧化碳浓度有明显上升趋势，表明该处位置存在进入氧化带的倾向；在采空区进风侧75 m位置，二氧化碳浓度达到最大，浓度值为0.42%，该位置处于氧化带范围。在回风侧46~51 m，二氧化碳浓度升至0.23%，增幅明显，表明氧化带和散热带的分界位置存在于此范围内；在回风侧82 m位置处，监测到最大浓度值为0.45%，该位置处于氧化带范围。在采空区深部，上覆顶板已经基本垮落且垮落后压实程度较好，漏风强度和煤岩孔隙较小，导致氧化带产出的二氧化碳难以扩散到窒息带区域。由此推断，二氧化碳气体大范围分布且浓度值存在上升迹象的区域为氧化带，散热带和窒息带的二氧化碳气体较少。

3.3.2. 温度分布特性

统计采空区温度数据，温度随采空区深度变化如图5所示。

Figure 5.The variation law of goaf temperature with depth

图5.采空区温度随深度变化规律

由图5可知，在采空区进风侧22~26 m位置，存在较好的蓄热条件，温度存在上升趋势，表明该位置是散热带和氧化带的交界处。在采空区回风侧，分别在15 m和52 m位置存在温度上升趋势。采用Y型通风的工作面采空区漏风较大，且15 m距离工作面较近，确定52 m附近区域是散热带和氧化带分界位置。温度变化在一定程度上可以反映遗煤的自热规律。即随着采空区深度的增加，遗煤氧化放出热量，热量积聚，表现为温度上升。

4. 采空区自燃“三带”研究结果

根据采空区“O形圈”理论，采空区越向深部发展，压实程度越大，孔隙率很小，漏风流场呈现流速很慢的层流态，因此，氧气无法到达采空区更深位置，氧气浓度不断下降。通过现场实测以及数据分析，得出采空区自燃“三带”的位置，见表1。

Table 1.The location of spontaneous combustion ‘three zones’ in goaf

表1.采空区自燃“三带”位置

加快工作面推进速度是预防采空区遗煤自燃的有效技术措施。最小推进速度为，

$v_{\min }=L_{\max }/t_{\min }$(1)

式中，L_max——采空区氧化带最大宽度，m；v_min——工作面最小推进速度，m/d；t_min——煤的最短自然发火期，d。

4^#煤的最短自然发火期为104天。现场实测氧化带最大宽度为68 m。利用公式(4-1)计算最小推进速度为0.65 m/d。建议4503综采工作面推进速度超过0.65 m/d，使氧化带区域在短期内转为窒息带，抑制遗煤氧化反应，防治自燃灾害。

5. 结论

1) 确定采空区自燃“三带”划分的关键指标。提出以氧气浓度值为主要指标，一氧化碳、二氧化碳浓度值为辅助指标，并加以温度值作为辅助手段。通过分析其变化趋势，确定采空区自燃“三带”分布。

2) 设计4503采空区自燃“三带”实测方案。在4503采空区的进、回风侧选取气体和温度测点位置，通过铺设束管和测温线路采集现场数据。

3) 根据实测结果确定自燃“三带”范围。4503综采工作面采空区进风侧散热带位于0~25 m；氧化带位于25~93 m；窒息带大于93 m；回风侧散热带位于0~51 m；氧化带位于51~101 m；窒息带大于101 m。建议工作面推进速度超过0.65 m/d。

基金项目

河北省在读研究生创新能力培养资助项目(CXZZSS2024158)。

NOTES

^*通讯作者。

参考文献