崇信县百贯沟煤业防火研究报告.doc

目 录1. 矿井概况12. 立项背景与项目目标12.1 研究目的与意义12.2 研究内容与目标23. 1503综放面煤层自燃特性参数实验33.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测33.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定33.1.2 煤层最短自然发火期预测73.2 煤层自燃指标气体实验83.2.1 指标气体优选原则93.2.2 实验设备93.2.3 实验过程93.2.4 实验结果及分析103.3 本章小结134. 1503综采工作面自燃危险区域判定研究134.1 1503综采工作面概况134.1.1 工作面位置及井上下关系134.1.2 煤层赋存特征及煤质情况144.1.3 地质构造及水文地质情况144.1.4 巷道布置、采煤方法及通风系统154.2 采空区自燃“三带”研究意义154.3 采空区自燃“三带”划分标准164.4 半导体测温与束管取样分析系统建立184.5 采空区测温取样数据分析214.5.1 采空区温度实测数据214.5.2 采空区取样分析数据244.5.3 “三带”分布分析354.6 本章小结385. 采空区隐蔽火源发展规律CFD技术模拟395.1 基于采空区氧气浓度场CFD模型的自燃危险区域模拟395.2 采空区隐蔽火源与气体产物运移规律模拟445.3 本章小结476. 煤火预防、预报、应急与综合治理技术体系构建研究486.1 概述486.2 易燃煤层开采煤火预防技术496.2.1 易燃煤层开采煤火特点剖析496.2.2 易燃煤层开采煤火规律分析516.2.3 综放面煤火预防重点526.2.4 巷道掘进期间防火技术536.2.5 综放面生产期间防火技术556.2.6 综放面停采时防火技术576.2.7 综放面临时停采防火技术586.3 易燃煤层开采煤火早期预报、应急与综合治理技术586.3.1 煤火早期预报概述586.3.2 指标气体选取596.3.3 巷道自然发火早期预报606.3.4 综放面自然发火监测及早期预报646.3.5 综放面封闭期间和闭墙内火灾气体检测及预报656.3.6 煤火应急与综合治理技术体系构建676.4 本章小结73III1. 矿井概况崇信县百贯沟煤业有限公司位于甘肃省平凉市崇信县新窑镇及黄花乡境内，距崇信县城西南约27km，其地理坐标为东经351012.017351222.336，北纬1065801.9171070150.493。矿区有四级公路向南至梁家胡同与崇（信）大（湾岭）公路相接，由此东至崇信县城27km，向西至大湾岭23km与宝（鸡）平（凉）公路相接，由大湾岭向北距安口南站11km，距平凉市70km，向南距陕西省宝鸡市中心约124km，交通便利。矿区井田走向长6.3km，倾斜长1.7km，井田面积约7.57km2。井田内主要可采煤层为煤5，局部可采煤层为煤3，储量中心在井田中部，共有地质储量7612万t，可采储量4233万t。矿井设计生产能力为0.6Mt/a，矿井服务年限为50.4a。矿井开拓方式为斜井开拓，新开主井、副井，原混合井、风井作为风井一并使用。井下设一个开拓水平800m水平，上、下山开采。全矿共划分为4个采区，矿井投产时首采区布置有一个综采放顶煤工作面（煤5）。矿井通风采用中央并列抽出式通风方式，风井地面装配有FBD18防爆对旋轴流式主要通风机（装置）2台，适配电机功率275kw。作为矿井通风的主要动力，2台风机其中1台运转、1台备用。根据矿井瓦斯鉴定等级，百贯沟煤业属于瓦斯矿井，煤层自然发火倾向性自燃等级为类，属于自燃煤层，煤尘具有爆炸危险性。2. 立项背景与项目目标2.1 研究目的与意义煤层自燃火灾是煤矿生产的主要灾害之一，据统计，我国国有煤矿每年因火害而封闭的采煤工作面均在100个以上，而被封在每个火区内的装备损失均达数千万元，且大量的煤炭资源因火害而被冻结。特别是近十多年来，随着我国综合机械化采煤技术的推广，其煤炭产量和效益得到了大幅度地提高。但是，与此同时，由于综采（放）技术具有一次性开采强度大，采空区遗留残煤多特点，加之受到机电设备功率数大、散热量多，开采深度大、放热强度高而引起采空区温度升高，以及一些孤岛、无煤柱等开采技术造成的采空区相互连通、漏风通道复杂等多种不利因素影响，致使矿井煤火频繁发生。其不仅极大地制约了矿井高产高效技术的发展，更为严重者因为火害则可能引燃瓦斯煤尘爆炸或火烟毒化矿井，酿成重大恶性事故，而又严重地威胁着矿井的安全生产和井下人员的生命安全。然而，煤层自燃不同于外因火灾，外因火灾火势发展迅猛，很快就会形成大火，在矿井实际生产条件下，几乎没有处理火灾的缓冲期。而自燃（内因）火灾的形成是一个缓慢氧化蓄热过程，发现煤体暴露面处有自燃征兆，在未形成外因火灾之前，仍有一定的缓冲时间对火区进行控制和治理，如果能很好地利用这段时期控制和熄灭火区，将起到事半功倍的效果；而一旦错过这段控制火势的良好时机，高温区将会急剧发展，处理火区的工作条件将会迅速恶化。因此，开展对百贯沟煤业易燃煤层开采自然发火规律及防治体系构建的技术研究，对于确保矿井安全、高产、高效和集约化生产，无疑具有十分重要的现实意义。2.2 研究内容与目标 易燃煤层自燃特性参数实验研究实验研究百贯沟煤业长走向采煤工作面煤层自燃特性基础参数、绝热氧化温升特性、不同氧化阶段煤炭自燃的气体产物成分和浓度变化规律，确立煤层自燃的指标气体、建立煤层自燃的预测预报体系。同时，以煤的自燃氧化动力学测定方法为基础，确定易燃煤层的自然发火期时间。 1503综采工作面自燃危险区域判定研究通过在1503综采工作面采空区内埋设温度传感探头测温和铺设束管取样分析，研究采空区内遗煤的自燃氧化过程，进而判断1503综采工作面在实际条件下采空区自燃“三带”的分布规律及其自燃危险区域的范围和形态等。 采空区隐蔽火源发展规律模拟研究通过CFD模型技术，模拟研究采空区火源位置与气体运移范围之间的关系。 易燃煤层开采防灭火技术体系构建研究研究构建适合于百贯沟煤业易燃煤层开采的煤火预防、预报、应急与综合治理的一整套防灭火技术体系。即结合各类防灭火技术的不同特点，对自燃危险区域进行预防性处理；当预防体系失效后，根据煤层自燃初期的物理与化学变化产生的效应，利用温度分析法和束管气体分析法对煤层自燃进行早期预报。预报准确，就能及时准确地把自燃隐患点消除，一旦预报失败，就将形成自燃火灾。因此，就必须采用快速有效的应急技术，对自燃隐患点进行迅速处理，以便为自燃火灾的综合治理赢取时间，最终彻底扑灭煤火，抑制煤层自燃次生灾害的发生，减少火害给矿井带来的损失。3. 1503综放面煤层自燃特性参数实验煤层自燃是由于煤与氧接触氧化放出热量，在一定的蓄热条件下，氧化放出的热量被积聚，当热量的积聚能够满足煤的自燃发展需要时，煤体温度便会不断上升，最终导致其自燃。其过程的发展是一个极其复杂的动态变化过程，它主要取决于煤的氧化放热特性、供氧条件及蓄散热环境。因此，为了摸清百贯沟煤业煤层自然发火机理，本课题首先于实验室对1503综放面煤层煤样开展了以下一系列实验研究。3.1 煤层自燃倾向性鉴定及自然发火期预测3.1.1 基于氧化动力学方法的煤自燃倾向性测定 煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法原理近年来，中国矿业大学提出了煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法，并作为标准AQ/T10682008煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法，通过对许多矿区的大量煤样进行了测定。其结果表明，该方法测定原理科学、鉴定结果更为符合实际。实际上，该方法原理是基于煤低温氧化复合反应和自由基链式反应的基本原理而提出来的。即煤自热过程包括低温氧化和快速升温阶段，经过大量不同煤种的自燃特性测试试验表明，如果仅采用某一阶段的一种指标，则难以较为全面地测试出煤的自燃特性。因此，必须采用低温氧化阶段的耗氧指标和快速升温阶段的交叉点温度指标来反映煤不同阶段的自燃特性。70出口氧气浓度反映70时温升速率的快慢，决定低温缓慢自热阶段氧化自热时间的长短；交叉点温度的大小则主要反映了煤在快速氧化阶段的自燃特性。最后对这两个指标进行综合，从而确定出煤自燃倾向性的判定指数。 氧化动力学方法测定条件测试煤样粒度的选取煤低温缓慢氧化阶段耗氧量较低，选择合适试样的测试粒径对耗氧量的测试十分重要。粒径不宜太大，太大会影响煤与氧气接触的表面积，氧浓度变化不明显；同时也不宜太小，太小增加了氧气进入煤体的阻力，使空气流通不畅，影响测试的重复性。为了耗氧浓度的测试需要，同时考虑到煤样制取，该方法测试煤样的粒径为0.20.35 mm。煤样的干燥温度煤自燃倾向性体现的是煤本身自热的内在属性，不应受外在水分的影响，因此，待测煤样应为去除外在水分的空气干燥煤样。本方法煤样的空气干燥温度选择为40 。供气流量的选取指标参数的测定过程中，不同阶段对应的供气浓度也不同。本方法初始阶段通入干空气流量为96mL/min，中间阶段通入干空气流量为8mL/min，后期程序升温阶段通入干空气流量则又调整为96mL/min。 中间测定结果中间测定结果如表31所示。表31 测定结果煤样名称煤样罐出口氧气浓度（70）/%交叉点温度Tcpt/1503面煤样18.54145.3 判定指数计算及最后结果煤自燃倾向性取决于煤在低温自热与加速氧化两个阶段的升温特性，这两个阶段的氧化机理和升温特性不同，两个阶段对煤自燃发展过程的促进作用也存在较大差异，即两者在对煤自燃的推动作用中的重要程度存在差别。为了权衡两个阶段对煤自燃发展过程的不同影响程度，可引用权数对其进行区分。权数是指在综合指标中起着权衡轻重作用的指数，是权重的数值体现。重要程度高的指标参数，相应权数应大；而重要程度低的指标参数，相应权数则应小。将测试结果的两个指标参数按照其重要程度分别乘以相应权数再进行平均值处理，无疑有利于更好更全面地反映煤自身的氧化自燃特性。因此，在指标参数的合成过程中，正确地给定各指标参数的权数非常重要。常用的确定权数的方法有：根据经验确定； 根据测量次数确定；根据数据的精度参数确定。考虑到煤低温氧化阶段对于煤自燃过程的发展更为重要，根据试验结果与经验，低温氧化阶段的权数取0.6，快速氧化阶段的权数取0.4。由于加法合成法能较好的体现出各评价指标之间的权重关系，故采用加法合成方法对这两个指标进行合成。依据加法合成法，煤自燃倾向性的综合判定指数计算式如下： （31） （32） （33）式中：I 煤自燃倾向性判定指数，无量纲； 煤样温度70 时煤样罐出气口氧气浓度指数，无量纲； 煤在程序升温条件下交叉点温度指数，无量纲； 煤样温度达到70 时煤样罐出气口的氧气浓度，%；Tcpt 煤在程序升温条件下的交叉点温度，；15.5 煤样罐出气口氧气浓度的计算因子，%；140 交叉点温度的计算因子，； 低温氧化阶段的权数，=0.6； 快速氧化阶段的权数，=0.4； 放大因子，=40；300 修正因子。表32 煤自燃倾向性分类指标自燃倾向性分类判定指数容易自燃600自燃6001200不易自燃1200氧化动力学判定煤自燃倾向性分类指标如表32所示。利用上面公式进行计算，计算结果如表33所示。其结果显示，用氧化动力学方法鉴定结果为：百贯沟煤业煤层自然发火倾向性自燃等级为类，即属于容易自燃煤层。表33 氧化动力学方法判定结果煤样名氧化动力学判定指数I氧化动力学方法自燃等级自燃倾向性1503面煤样231容易自燃3.1.2 煤层最短自然发火期预测绝热氧化法是目前国内外普遍认为最准确、最能体现煤自身氧化能力强弱的一种测试方法。它通过最大程度地控制煤体与环境之间热量的交换，使煤体依靠自身的氧化产热升温，来测试煤从40升到200所用的时间，它是在煤最易自燃的条件下模拟煤的自然发火过程。但是煤的绝热时间并不能代表煤的最短自然发火期，因为煤的自然发火期与煤样尺寸有关，绝热条件下的煤样尺寸通常小于矿井实际条件下的煤堆尺寸，导致绝热时间小于煤自然发火期，但是实验室绝热时间与现场煤的自燃性又有紧密联系，绝热时间越短，煤越容易自燃，发火期就越短，反之就越长。通过建立实验室绝热煤样与矿井最易自燃条件下煤堆自然发火的时间上度量模型，可以预测煤的最短自然发火期。因此提出以绝热氧化实验为基础，通过建立氧化动力学判定指标与煤最短自然发火期的之间的度量模型，通过煤自燃倾向性测试预测煤的最短自然发火期。按照标准测试方法，对挑选的10个典型煤样进行氧化动力学测试和绝热氧化测试，采用数学分析软件对无量纲后的氧化动力学判定指数、绝热氧化时间数据进行曲线拟合，结果如下：曲线拟合数学模型为： （34）式中：I 判定指数，无量纲；T 绝热时间，h。因采用绝热氧化测试的小煤样与矿井条件下的大煤样在发火时间上还是有一定的差距，但它们之间有很好的相似性。于是，根据FK理论和大量不同尺寸煤样的基础实验数据分析，煤最短自然发火期的计算式为： （35）式中：Ts 煤最短自然发火期，h。综合（34）、（35）式得到： （36）于是，将百贯沟煤业1503面煤样的氧化动力学数据代入上式，预测得到：该煤5煤层最短自然发火期为15d。3.2 煤层自燃指标气体实验煤层自燃是一个极其复杂的物理、化学变化过程，是一个多变的自加速放热过程。在其自燃的不同温度下会出现不同种类和含量的气体，如CO、CO2、CH4、C2H4、C2H6、C3H8和C2H2等。根据煤自燃进程中的温升、气体释放等变化特征判识其自燃状态，对煤层自然发火进行识别并预警，是矿井火害预防与处理的基础，也是矿井火害防控与治理的关键。正因如此，它在矿井防灭火工作中，占有着极其重要的地位。因此，测试煤样自燃产生各种气体的顺序和浓度，正确找出煤层自然发火对应的指标气体，自然亦就成了百贯沟煤业煤层自然发火早期预报的前提条件。3.2.1 指标气体优选原则为了使得预报煤层自然发火更为及时、准确，所选择的指标气体必须同时具备下列条件： 灵敏性：井下一旦出现有煤层自燃现象，且煤温超过一定值时，则该气体一定出现，其生成量随煤温升高而不断地稳定增加； 规律性：指标气体的浓度变化与煤温之间有较好的对应关系，且重复性好； 可测性：普通色谱分析仪能够分辨、检测到该指标气体的存在。3.2.2 实验设备指标气体实验系统如图31所示，其主要由程序控温箱、气体分析仪、铜质煤样罐、预热气路、温度控制系统、气体质量流量控制器等组成。图32、图33为该实验系统的主要实物图。 图31 指标气体实验系统图 图32 温度控制箱实物图 图33 指标气体分析仪实物图3.2.3 实验过程对原煤样进行破碎并筛分出4080目的煤样50g，将筛分出的50g煤样置于铜质煤样罐内，煤样罐置于程序控温箱内，然后连接好进气气路、出气气路和温度探头，检查气路的气密性。测试时，向煤样内通入50ml/min的干空气。在程序控温箱控制下对煤样进行加热，当达到指定测试温度时，恒定温度5min后采取气样进行气体成分和浓度分析。3.2.4 实验结果及分析 实验原始数据实验数据结果如表34所示。表34 百贯沟煤业1503综放面煤样指标气体程序升温实验数据温度/气体成分/ppmCOCO2CH4C2H4C2H6C2H2C3H830.00.13264.091.66 0.00 0.00 0.00 0.00 40.00.36 348.05 1.850.00 0.00 0.00 0.15 50.00.80373.32 1.83 0.00 0.04 0.00 0.1260.01.59 391.51 1.800.00 0.04 0.00 0.12 70.02.84 407.47 1.870.00 0.050.00 0.20 80.04.48 422.97 1.78 0.00 0.040.00 0.24 90.06.75434.32 1.87 0.000.040.00 0.24100.010.49 451.26 1.80 0.000.060.00 0.32110.017.10 472.44 1.910.00 0.060.00 0.34 120.027.81503.01 2.010.060.110.00 0.44 130.043.64544.52 2.13 0.07 0.130.00 0.51 140.066.79 609.53 2.26 0.10 0.170.00 0.51 150.0100.67 698.42 2.51 0.17 0.24 0.00 0.68160.0148.02819.74 2.77 0.260.370.00 0.76170.0215.88982.113.180.380.480.00 1.08181.5326.651236.803.6690.620.630.00 1.271192.3472.001572.054.3920.960.790.001.637207.3785.932234.405.891.681.070.002.272221.91288.913373.668.2373.051.540.003.421235.72035.465170.4311.684.312.190.005.156251.23045.687803.7916.078.752.820.007.721266.44490.2712266.0022.2114.013.4680.0011.19283.76280.2319398.0029.7721.054.2050.0015.54299.57790.2626088.0036.6526.634.7010.1118.42312.18616.0529708.0042.6929.164.8930.1419.45325.49712.0032195.0054.5027.384.7380.1418.03333.210761.0034514.0058.3820.564.1070.1614.68346.512056.0037032.0072.0916.214.0690.1911.61359.514468.00 43276.00 82.37 13.37 4.7630.209.68 气体浓度随温度的变化规律对1503综放面煤样实验过程中的气体生成情况进行分析，可得到其浓度变化趋势如图34、图35所示：图34 煤样CO、 CO2变化趋势图图35 煤样CH4、C2H6 、C2H4、C3H8、C2H2变化趋势图 指标气体分析与优选从上列实验数据及其气体变化趋势图中，不难分析得到：1503综放面煤样在30到359.5温度范围的氧化过程中有规律的出现CO、CO2、CH4、C2H6、C2H2、C3H8和C2H4等气体，且生成量随煤温的升高基本呈现指数上升趋势；在30到285的温度范围内该煤样没有生成C2H2气体。CO、CO2、CH4三种气体均在30时即开始出现。但是CH4的生成量相对较小，这是由于煤样在采集、存放一定时间后，煤样中本身吸附的CH4已全部脱附出来之故；CO生成量在低温氧化阶段较小，但在煤温达到150、尤其200之后其生成量迅速大量地增加，这说明该温度下煤已经开始迅速氧化，物理吸附已经越来越弱而化学吸附和化学反应则占据了主导地位。120时出现少量的C2H4，50时出现少量的C2H6，40时出现少量的C3H8，它们浓度虽然不大但它们随着温度的逐渐升高呈现有规律的升高增加。C2H2出现的最晚，299.5时才开始出现并呈现有规律的变化。由此换言之，一旦有C2H2出现，则表明这时的煤体局部存在300以上的高温，煤已经发生了剧烈的化学反应。综上所述，百贯沟煤业应以CO作为指标性气体，并辅以C2H4、C2H2来掌握煤层的自燃情况；CO的出现说明煤已经发生氧化反应，CO浓度越来越高则表明煤的氧化越来越剧烈， C2H4的出现说明局部煤温已达到120，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过了299.5，此时应积极地采取防灭火措施。3.3 本章小结 基于氧化动力学方法对1503综放面煤样的自燃倾向性进行了测定，其鉴定结果为级容易自燃。因此，该煤5煤层的防灭火工作应按级容易自燃煤层进行。 在实验室实验、计算基础上，预测得到了百贯沟煤业煤5煤层的最短自然发火期为15d。 于实验室对煤样进行了程序升温控制测试，得出了各种气体浓度随温度的变化趋势，分析了煤氧化温度与气体产物的特性，得到了百贯沟煤业煤5煤层自燃的预测预报指标：即以CO作为指标性气体，并辅以C2H4、C2H2来掌握煤层自燃情况；CO的出现说明煤已经发生氧化反应，C2H4的出现说明煤温已经达到120以上，C2H2的出现则说明煤温至少已经超过了299.5，此时应积极地采取防灭火措施。4. 1503综采工作面自燃危险区域判定研究4.1 1503综采工作面概况4.1.1 工作面位置及井上下关系1503综采工作面位置及井上下关系如表41所示。表41 1503综采工作面位置及井上下关系煤层名称下煤层水平名称800采区名称一采区工作面名称1503综采（放）工作面地面标高（m）+1317 +1261工作面标高（m）+776.7+920地面位置该工作面地表为山地、丘陵。井下位置及四邻采掘情况该工作面东北侧为1501面采空区，西南侧为三维地震勘探所发现的DF1逆断层，东南侧为920集中运输巷，其余为未开拓区域。回采对地面设施影响地面为山地、丘陵，回采对地表影响较小。走向长（）1090倾斜长（）150面积（2）1548264.1.2 煤层赋存特征及煤质情况1503综采工作面煤层赋存特征及煤质情况如表42所示。表42 1503综采工作面煤层赋存特征及煤质情况煤层总厚（）10.83.6煤层结构（）煤层倾角（度）2137复杂13可采指数100%变异系数（）稳定程度较稳定1503综采工作面运输道、材料道均为平缓下山，煤层厚度大的变化趋势为由外向里逐渐变厚，煤层色泽为黑色，条痕为深棕色，油脂光泽，呈参差状断口，节理面充填方解石脉，含黄铁矿，局部含炭质泥岩夹矸12层，夹矸平均厚度0.2m。煤质情况Mad（）D（）Std（）Qnet ar（卡/g）煤岩类型牌号4.3917.030.754500半亮型长焰煤4.1.3 地质构造及水文地质情况根据三维地震勘探资料，1503综采工作面运输道将穿过DF1逆断层，该断层切割了煤3、煤5，断层走向NWWSSE，倾向NNWSEE，倾角5065，落差080m，延展长度1870m。1503综采工作面切眼将穿过DF4逆断层，该断层切割了煤5，断层走向NW，倾向SW，倾角45，落差05m，延展长度320m。除此之外，其它小褶曲地质构造，预计对1503面回采影响不大。根据1501综采工作面瞬变电磁法探测成果及回采经验分析，1503综采工作面回采过程中在顶板含水异常区可能会发生顶板掉水，预计最大掉水量120m/h，正常40m/h。1503面东南侧为1501面采空区，1501面材料道与1503面回风道之间留设有20m保护煤柱，预计1501面老空水对1503面回采无大的影响。4.1.4 巷道布置、采煤方法及通风系统1503面整体呈上山回采，运输道高差156.1m，平均倾角827；材料道高差143.3m，平均倾角746；开切眼向外775m高差逐渐呈增大趋势，高差最大41.8m，切眼向外775m处，两道逐渐减小。运输道为拱形断面，宽度5m ，高度3m，用于运煤、运料及进风；材料道为拱形断面，宽度5m，高度3m，用于运料及回风；材料道高于运输道12.8m，两道均采用锚网支护。1503面采用综合机械化走向长壁综采放顶煤采煤方法。根据该面地质条件、设备技术性能等，确定1503面采高为2.7m，放顶煤高度为4.3m（平均煤厚7m），采放比为1：1.5925。1503面采用U型全负压独立通风方式。1503面运输道进风，1503面材料道回风，计算需要风量931m3/min。4.2 采空区自燃“三带”研究意义煤的氧化自燃必须同时具备四个充要条件：煤有自燃倾向性并呈破碎堆积状态存在；适量的通风供氧；良好的蓄热环境；维持煤氧化过程不断发展的时间。随着采煤工作面回采生产的不断向前推进，由于矿山压力的作用，其采空区遗煤在空间上将经历散热带、氧化带（可能自燃带或自燃带）和窒息带即通常所说的“三带”，如图41所示。采空区“三带”的位置将随采煤工作面的推进而动态前移，其氧化带的宽度和前移速度等特性参数则往往是煤层自燃防治工作的重要数据。显然，氧化带的宽度越大，前移速度越慢，当浮煤停留在氧化带内的时间t大于该煤层的自然发火期T时，这时的煤就有可能自燃。图41 采空区自燃“三带”示意图于是，结合实验室测定的煤层自燃的相关特性参数，开展回采工作面采空区遗煤温度及气样变化规律的研究，分析回采工作面采空区遗煤的自燃氧化状况，判定实际条件下回采工作面采空区“三带”的分布规律，自燃危险区域范围及其形态，研究掌握回采工作面采空区“三带”的宽度和遗煤处于氧化带的时间，对于确定回采工作面的通风方式，优化回采工作面的通风参数，制定回采工作面正常生产过程中的防灭火措施及其装备，以及确定回采工作面的安全推进速度，确保采空区后部遗留浮煤不出现自燃危险等，皆具有十分重要的现实意义。4.3 采空区自燃“三带”划分标准对于采空区自燃“三带”的划分方法，目前，常用的主要有以下三种： 氧气浓度划分法利用氧气浓度划分采空区自燃“三带”，是目前最常用的方法之一。根据有关资料和煤矿安全规程规定，采用的划分依据一般为：散热带的氧气浓度19%、自燃带的氧气浓度在8%19%之间、窒息带的氧气浓度8%。大量试验表明，采空区氧气浓度易于观测，且能代表煤炭自燃的环境，因此，采用氧气浓度划分法是十分合适的。 漏风强度划分法根据国内外学者对采场漏风的研究，采空区自燃“三带”的范围根据采空区漏风流速一般可分为：散热带、流速0.24m/min，自燃带、0.24m/min流速0.1m/min，窒息带、流速0.1m/min。采空区的漏风强度能够在一定程度上反映自燃“三带”的特性，但在现场实际测定过程中，由于受到采空区内设点困难、测量仪器精度不够、采空区风流方向不可预见性等因素的综合影响，测定过程往往无法进行或者是其结果可信度较低。因此，通过漏风强度划分采空区自燃“三带”的方法，目前现场操作较为困难，一般情况下主要是通过计算机数值模拟得到。 温度划分法该方法一般用温升速率作为采空区自燃“三带”的划分标准。温升速率有两种表述方式，第一种是指单位时间内温度变化的数值，表达式为： （41）式中：T1 初始测定的采空区环境温度，；T2 后期测定的采空区环境温度，；d 从T1变化到T2所需的时间，day；T T1到T2的变化值，；K 温升速率，/day。第二种是指在单位距离内的温度变化，表达式为： （42）式中：T1 采空区1测点的环境温度，；T2 采空区2测点的环境温度，；l 测点在采空区内的距离变化，m；T 在l的距离变化范围内温度的变化值，； 温升速率，/m。目前，温升速率法主要是通过在采空区埋设温度探头，实现远距离测温，以了解采空区遗煤的温度变化清况。如果K值大，则反映采空区遗煤自燃危险性就大，通常认为K1/day的区域就是氧化带。值得指出，实际上，温度不宜作为划分采空区自燃“三带”的主要指标，因为并非所有的采空区内的温度都会上升到某一确定的值。在一定条件下，自燃带内的遗煤存在自然发火的可能性，往往并不表现为很快会升温自燃；在一定时间内，采空区内的温度不上升，并不能认为自燃“三带”不存在。因此，采空区内的温度变化只能作为条件适合时的辅助指标。当然，当采空区温度有明显变化时，这时以采空区温度上升速率划分是适宜的，因温度的上升速率变化更能直接说明采空区煤炭氧化的情况。4.4 半导体测温与束管取样分析系统建立 半导体测温系统由于煤矿井下环境条件相对恶劣、复杂，因此要求测温系统应具有稳定、可靠、准确和防潮、抗震、耐腐蚀以及抗静电和杂散电流等性能和特点，并且要求传感探头与二次仪表之间的信号能够实现远距离（max达1km）通信传输和满足安全防爆要求。AD590集成温度传感器即能很好地满足这一要求，它是利用其半导体元件特性随温度而变化制作的传感器集成芯片，即当电源电压在430VDC范围时，可得到1A/的恒定电流。据此构成的系统工作原理图如图42所示，封装后的AD590传感器结构图如图43所示。图42 AD590半导体测温系统工作原理图图43 封装后的AD590传感器结构图1引线；2焊接点；3F6mm紫铜管；4AD590；5瞬间环氧胶 束管取样分析系统根据采空区气体取样要求，取气束管应选择孔径大小适中、软硬适宜，便于接合且易于铺设的软管。其中管径大小的考虑，一方面，要求管径尽可能小，以保证所有传感探头引线和取气束管捆扎成束而能铺设于钢管（保护作用）内，且不能过于拥挤，造成穿线困难或堵死取气束管；另一方面，管径又不能太小，否则抽取气体时阻力过大，取样困难。束管软硬程度的考虑，一方面，应保证抽气时不会因太软而被吸扁堵塞；另一方面保证铺设时不会因太硬而容易折断。因此，选择了内径为F68mm的聚氯乙烯塑料管作为取气束管。本次束管取样分析系统配备了JSG8型矿井自燃火灾束管监测系统，它由井下设备、地面分析站和计算机三个部分组成。其中井下设备主要由上述的取样管路及附件组成，地面分析站由抽气泵、气样选取器、指示器及气体分析仪组成。该束管监测系统可以连续遥测CO、CH4、O2、N2、CO2及其它烷、烯、炔烃类气体（CnHm）等。 1503面测点布置1503综采工作面倾向长约150m，于切眼处按平均间隔约40m布置一个测点，共布置5个测点，每个测点埋设两个温度传感探头（一用一备）和一根束管 （随着工作面的逐步推进，5个测点先后分别进入散热带、自燃带和窒息带），沿工作面及材料道布置一趟F50mm钢管，将温度探头引线和取样束管捆扎成束后敷设于钢管内。测温取样测点布置示意图如图44所示，测点测温取样保护装置图如图45所示。图44 测温取样测点布置示意图图45 测点测温取样保护装置图由于钢管具有较好的热传导性，为了防止温度传感探头与保护钢管直接接触，导致温度传感器不能真实反映测点的温度，所以，温度传感探头应固定牢靠。为此，于钢管一定位置打上若干排小眼，并在钢管内侧安上金属网，一方面固定温度传感器，另一方面确保钢管内外气体能够充分交换，同时又能防止采空区冒落的碎煤、矸石进入钢管内。正常情况下，每日早班采集一次温度和气样。若有异常，则根据具体情况而定，可在异常测点，每日测取23次。与此同时，记录每日工作面的推进速度，以便于推算测点距工作面的距离。4.5 采空区测温取样数据分析4.5.1 采空区温度实测数据在1503面从切眼开始回采推进约100m的范围内，通过对每个测点进行测温取样分析，分别得到的1#5#测点实测温度值如表43所示。表43 1503面1#5# 测点实测温度数据表测定日期（2014）当天进尺(m)累计推进度（m）测点温度()1#2#3#4#5#8.282.44.229.729.527.927.126.88.292.45.430.829.429.128.728.38.301.26.630.629.529.429.528.78.311.27.830.829.829.229.428.79.11.2929.828.629.128.827.59.21.21231.129.729.329.1299.331535.130.930.130.228.19.4317.435.332.129.33129.69.52.419.835.834.530.132.230.29.62.422.236.335.831.533.530.19.72.424.636.836.632.234.130.69.82.42736.9