埋管取样测温法预测预报自然发火
作者：中国矿业商务网
2008-12-15 00:00
来源：不详
摘要：根据采空区煤炭自燃理论，依据生产实践中矿井通风管理实际经验，从理论、实践2个方面阐述吉林省营城煤矿立井3层煤厚煤层采煤工作面控制煤炭自燃的可行性、可操作性。利用简单易行的埋管取样测温法预测、预报煤炭自然发火，采取有效措施，控制煤炭自燃。适用于倾斜长臂后退式开采工作面，具有准确性和直观性，具有成本低、操作手段简单、效果相同、经济效果明显等特点，有一定的推广价值。
关键词：自然发火；埋管取样；预测预报
自燃厚煤层采用综合机械化放顶煤进行开采，综放支架上部的煤炭是利用地压自然放顶，再从放煤口放出。这样，采空区必然残有部分煤炭，并且采空区冒实状况不好，风阻值降低，这就为采空区的自然发火创造了有利条件。
吉林省营城煤矿立井3层煤煤厚4～12m，煤种为长焰煤，煤层自然发火期为1～3个月，最短发火期为18d，自然发火事故频繁发生，严重威胁着矿井的安全生产，及早地预测预报采空区的自然发火已迫在眉睫。我们在立井综合机械化放顶煤开采过程中，采用了埋管取样、预测预报其采空区的自然发火取得了较好的效果。
1 煤自然发火原理
具有自燃倾向性的煤炭与空气接触时，吸附空气中的氧气而生成不稳定的氧化羟基和羧基。煤的氧化进程平稳、缓慢，煤重略增加，着火点温度降低，化学活性增加，测不到煤温及其周围环境温度上升，这个阶段称煤的自燃准备期，又称潜伏斯。经过潜伏期之后，煤的氧化速度增加，不稳定氧化物分解成水、CO2、CO。氧化产生的热量使煤温继续升高，超过自燃临界温度(60～80℃)，煤温上升急剧加速，氧化进程加快，出现煤的干馏，生成芳香族碳氢化合物、氢、CO等可燃性气体，这就是煤的自热期。自热期的发展达到了煤的着火点温度，就导致自燃，产生烟雾、明火等。如温度上升不到临界温度或上升这一温度后由于外界条件的变化，很快地降下来，这样就进入风化状态，风化了的煤一般不会发生自燃。
从煤的自燃发展过程可见，煤的自燃实质上就是自身氧化加速的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外放散，而导致了自燃。
2 采空区自然发火“三带”的划分
全部冒落法长臂式后退回采工作面的采空区，按遗煤自燃情况可分为“三带”即不燃带、自燃带、窒熄带。
(1)不燃带。不燃带靠近回采工作面的开采空间，虽有遗煤，但由于冒落岩块未压实，呈松散堆积状，孔隙大，漏风大，无聚热条件，加之煤炭氧化时间短，一般不会自燃，其宽度在工作面全长中心计算约5m左右。
(2)自燃带。由不燃带向采空区内部延伸25~60m的空间，由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，漏风减弱，风流呈过渡流态，残留在采空区的煤炭随着时间的增长氧化生热，热量集聚，达到着火点，导致自燃。
(3)窒熄带。自燃带之后就是窒熄带，在此区域内岩块继续压实，漏风基本消失，O2浓度下降，煤炭由于缺氧而不会自燃，即使在自燃带发展起来的煤炭自燃进入此带后也会因缺氧而窒熄，温度也会由岩块的导热散失而逐渐恢复正常。
“三带”的位置随着工作面的推进而前移。自燃带前移的速度愈慢，宽度愈大，浮煤留在此带内的氧化时间就愈长，愈易自燃。
3 埋管取样测温预测预报采空区自然发火机理
(1)采空区取样。定点、定期采取采空区气体气样进行气相色谱分析，观察采空区气体成份中的O2、CO、CO2等气体的变化规律(即O2的减少量和CO、CO2的增加量)借以判断某测点控制范围的采空区是否已有自然发火的初期征毙，营城矿立井把此值定为0.005%(CO浓度)，发火临界值定为0.01%(CO浓度)。
(2)埋管测温法。采空区埋管测温可以直观、准确地测定出高温热源的范围，不受工作面风量、炮烟等因素影响，无气样失真的缺点，与取样分析相结合可做到准确预测、预报回采工作面采空区自然发火。营城矿立井温度临界值定为高于环境10℃。
(3)划分本工作面采空区的“三带”宽度，即不燃带、自燃带和窒熄带的宽度。取气样中O2浓度<8%为窒熄带，高>8%为自燃带和不燃带(不燃带氧气浓度为工作面的O2浓度)。“三带”的宽度与工作面的风量、风压、采空区岩石冒落状况以及采空区风阻等因素的关，每个工作面的“三带”宽度都不一样，就是同一个工作面，其“三带”的宽度也随着其采煤工作面风量、风压的变化，采空区岩石冒落状况的不同而不同。一般情况下，自燃带距工作面的距离为10~30m。
4 埋管取样测温预测预报采空区自然发火工艺
第一组有1、2、3、4号4个取气样口布置在工作面采空区的回风侧，从开切眼依次15m向工作面排列。随着工作面的开采，各测点依次进入采空区，定时分别抽取各测点气样，气相色谱分析其气体的变化，以确定“三带”的宽度及预测、预报采空区遗煤的自燃。
第二组有5、6号2个温度传感器依次等距离20m从开切眼向工作面方向排列，观察采空区遗煤自然发火规律及确定工作面的最低月进度，其测点布置如置如图1所示。
图1 取样、测温点布置示意图
上顺躲避所中设一取样箱．各管口的标号与采空区取样口标号一致，用抽气筒抽取气样装人气样袋中，送到地面气相色谱仪进行分析。下顺采空区的温度传感器由温度屏蔽线连到下顺的温度探头，再连至地面机房，连续观察5、6号测点的温度变化。
5 所需设备材料
5.1 取样部分
(1)取气样筒。由高压打气筒改装成抽气筒。
(2)取气样管。直径8mm普通塑料管。
(3)气样袋。暂存、运输气样之用的普通气样袋。
(4)气相色谱分析仪。分析各测点所取气样的各种气体含量。
5.2 测温部分
(1)温度探头(含传感器)采用分离式，镇江产KG3013A型。
(2)温度屏蔽线。镇江产POY-39-9-1型屏蔽线。
(3)奔腾主机、VGA显示器、打印机。
5.3 辅助材料
(1)?50mm钢管。起保护作用，取样管、测温线置于其中。
(2)测点保护罩。自制，保护传感器不被冒落岩石打坏，取样管口不被煤岩堵严。
6 埋管取样测温预测预报煤炭自然发火试验
6.1 试验区概况
试验地点在营城矿立井二采区3层煤综采放顶煤工作面，该区右侧为老采空区，其它均为未采区，因保留煤柱较大，故此采煤工作面无外部漏风。
综采放顶煤采煤工作面走向长度500m，工作面长100m，煤质为长焰煤，煤厚10m，煤层倾角8o～12o，采用综采放顶煤一次采全高的采煤方法，1999年2月开切眼送透，8月1日正式开采，各测点分布见图1。各测点测量结果见表1、表2。
表1 1号、2号、3号气样表
表2 5号、6号温度变化表
从表1、表2可以看出，采煤工作面推进50m时，采空区已有自然发火征兆，高温点在工作面入风侧采空区15～25m范围内，应立即采取防灭火措施。但因该工作面为俯采工作面，不能采取注浆防灭火方法。虽采取了均压，下隅角挡风布，上下隅角抹黄泥堵漏等措施，因采空区面积大，局部堵漏效果不好，加上综放架子不配套，工作面推进速度过缓，又采了1个月，只推进了7m，最终综放工作面开采8个月，工作面推进57m，上隅角见烟，工作面封闭。
7 结论
(1)埋管取样、测温法预测、预报煤岩的自然发火适用于倾斜长臂后退式开采工作面的采空区，具有准确性和直观性，有一定的推广价值。
(2)此方法与束管监测系统相比，具有成本低、操作手段简单、效果相同、经济效果明显等特点。
(3)此方法也适用于停采线、高冒区的防火监测。
关键词：自然发火；埋管取样；预测预报
自燃厚煤层采用综合机械化放顶煤进行开采，综放支架上部的煤炭是利用地压自然放顶，再从放煤口放出。这样，采空区必然残有部分煤炭，并且采空区冒实状况不好，风阻值降低，这就为采空区的自然发火创造了有利条件。
吉林省营城煤矿立井3层煤煤厚4～12m，煤种为长焰煤，煤层自然发火期为1～3个月，最短发火期为18d，自然发火事故频繁发生，严重威胁着矿井的安全生产，及早地预测预报采空区的自然发火已迫在眉睫。我们在立井综合机械化放顶煤开采过程中，采用了埋管取样、预测预报其采空区的自然发火取得了较好的效果。
1 煤自然发火原理
具有自燃倾向性的煤炭与空气接触时，吸附空气中的氧气而生成不稳定的氧化羟基和羧基。煤的氧化进程平稳、缓慢，煤重略增加，着火点温度降低，化学活性增加，测不到煤温及其周围环境温度上升，这个阶段称煤的自燃准备期，又称潜伏斯。经过潜伏期之后，煤的氧化速度增加，不稳定氧化物分解成水、CO2、CO。氧化产生的热量使煤温继续升高，超过自燃临界温度(60～80℃)，煤温上升急剧加速，氧化进程加快，出现煤的干馏，生成芳香族碳氢化合物、氢、CO等可燃性气体，这就是煤的自热期。自热期的发展达到了煤的着火点温度，就导致自燃，产生烟雾、明火等。如温度上升不到临界温度或上升这一温度后由于外界条件的变化，很快地降下来，这样就进入风化状态，风化了的煤一般不会发生自燃。
从煤的自燃发展过程可见，煤的自燃实质上就是自身氧化加速的过程，其氧化速度之快，以致产生的热量来不及向外放散，而导致了自燃。
2 采空区自然发火“三带”的划分
全部冒落法长臂式后退回采工作面的采空区，按遗煤自燃情况可分为“三带”即不燃带、自燃带、窒熄带。
(1)不燃带。不燃带靠近回采工作面的开采空间，虽有遗煤，但由于冒落岩块未压实，呈松散堆积状，孔隙大，漏风大，无聚热条件，加之煤炭氧化时间短，一般不会自燃，其宽度在工作面全长中心计算约5m左右。
(2)自燃带。由不燃带向采空区内部延伸25~60m的空间，由于冒落岩块逐渐压实，孔隙度降低，漏风减弱，风流呈过渡流态，残留在采空区的煤炭随着时间的增长氧化生热，热量集聚，达到着火点，导致自燃。
(3)窒熄带。自燃带之后就是窒熄带，在此区域内岩块继续压实，漏风基本消失，O2浓度下降，煤炭由于缺氧而不会自燃，即使在自燃带发展起来的煤炭自燃进入此带后也会因缺氧而窒熄，温度也会由岩块的导热散失而逐渐恢复正常。
“三带”的位置随着工作面的推进而前移。自燃带前移的速度愈慢，宽度愈大，浮煤留在此带内的氧化时间就愈长，愈易自燃。
3 埋管取样测温预测预报采空区自然发火机理
(1)采空区取样。定点、定期采取采空区气体气样进行气相色谱分析，观察采空区气体成份中的O2、CO、CO2等气体的变化规律(即O2的减少量和CO、CO2的增加量)借以判断某测点控制范围的采空区是否已有自然发火的初期征毙，营城矿立井把此值定为0.005%(CO浓度)，发火临界值定为0.01%(CO浓度)。
(2)埋管测温法。采空区埋管测温可以直观、准确地测定出高温热源的范围，不受工作面风量、炮烟等因素影响，无气样失真的缺点，与取样分析相结合可做到准确预测、预报回采工作面采空区自然发火。营城矿立井温度临界值定为高于环境10℃。
(3)划分本工作面采空区的“三带”宽度，即不燃带、自燃带和窒熄带的宽度。取气样中O2浓度<8%为窒熄带，高>8%为自燃带和不燃带(不燃带氧气浓度为工作面的O2浓度)。“三带”的宽度与工作面的风量、风压、采空区岩石冒落状况以及采空区风阻等因素的关，每个工作面的“三带”宽度都不一样，就是同一个工作面，其“三带”的宽度也随着其采煤工作面风量、风压的变化，采空区岩石冒落状况的不同而不同。一般情况下，自燃带距工作面的距离为10~30m。
4 埋管取样测温预测预报采空区自然发火工艺
第一组有1、2、3、4号4个取气样口布置在工作面采空区的回风侧，从开切眼依次15m向工作面排列。随着工作面的开采，各测点依次进入采空区，定时分别抽取各测点气样，气相色谱分析其气体的变化，以确定“三带”的宽度及预测、预报采空区遗煤的自燃。
第二组有5、6号2个温度传感器依次等距离20m从开切眼向工作面方向排列，观察采空区遗煤自然发火规律及确定工作面的最低月进度，其测点布置如置如图1所示。
图1 取样、测温点布置示意图
上顺躲避所中设一取样箱．各管口的标号与采空区取样口标号一致，用抽气筒抽取气样装人气样袋中，送到地面气相色谱仪进行分析。下顺采空区的温度传感器由温度屏蔽线连到下顺的温度探头，再连至地面机房，连续观察5、6号测点的温度变化。
5 所需设备材料
5.1 取样部分
(1)取气样筒。由高压打气筒改装成抽气筒。
(2)取气样管。直径8mm普通塑料管。
(3)气样袋。暂存、运输气样之用的普通气样袋。
(4)气相色谱分析仪。分析各测点所取气样的各种气体含量。
5.2 测温部分
(1)温度探头(含传感器)采用分离式，镇江产KG3013A型。
(2)温度屏蔽线。镇江产POY-39-9-1型屏蔽线。
(3)奔腾主机、VGA显示器、打印机。
5.3 辅助材料
(1)?50mm钢管。起保护作用，取样管、测温线置于其中。
(2)测点保护罩。自制，保护传感器不被冒落岩石打坏，取样管口不被煤岩堵严。
6 埋管取样测温预测预报煤炭自然发火试验
6.1 试验区概况
试验地点在营城矿立井二采区3层煤综采放顶煤工作面，该区右侧为老采空区，其它均为未采区，因保留煤柱较大，故此采煤工作面无外部漏风。
综采放顶煤采煤工作面走向长度500m，工作面长100m，煤质为长焰煤，煤厚10m，煤层倾角8o～12o，采用综采放顶煤一次采全高的采煤方法，1999年2月开切眼送透，8月1日正式开采，各测点分布见图1。各测点测量结果见表1、表2。
表1 1号、2号、3号气样表
表2 5号、6号温度变化表
从表1、表2可以看出，采煤工作面推进50m时，采空区已有自然发火征兆，高温点在工作面入风侧采空区15～25m范围内，应立即采取防灭火措施。但因该工作面为俯采工作面，不能采取注浆防灭火方法。虽采取了均压，下隅角挡风布，上下隅角抹黄泥堵漏等措施，因采空区面积大，局部堵漏效果不好，加上综放架子不配套，工作面推进速度过缓，又采了1个月，只推进了7m，最终综放工作面开采8个月，工作面推进57m，上隅角见烟，工作面封闭。
7 结论
(1)埋管取样、测温法预测、预报煤岩的自然发火适用于倾斜长臂后退式开采工作面的采空区，具有准确性和直观性，有一定的推广价值。
(2)此方法与束管监测系统相比，具有成本低、操作手段简单、效果相同、经济效果明显等特点。
(3)此方法也适用于停采线、高冒区的防火监测。
