适用读者： 煤矿矿长、总工程师、生产副总、通防科长、综采队长、防灭火技术骨干

作者： 张洁贞｜中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理｜中国矿业大学矿山火灾防治重点实验室技术合作支持

一、行业痛点与工程决策难点：采面推进速度与自燃发火的生死博弈

在陕西榆林神木、店塔、府谷以及山西中北部矿区，综采工作面普遍面临“煤层厚度大（3.5~7.0m）、自燃倾向性强（Ⅰ类容易自燃）、采空区遗煤厚度达 0.4~1.2m”的恶劣防灭火环境。

矿井在实际开采过程中，常因地质构造断层穿层、综采支架搬家倒面、主煤流皮带故障检修、工作面节假日停产等工况导致采面推进速度骤降。一旦工作面在自燃危险区域的滞留时间超过煤层的最短自然发火期 $\tau_{min}$，采空区深部遗煤便会迅速从潜伏蓄热期跨入自热燃烧期，甚至诱发采空区瓦斯混合气体爆炸。

采煤工作面回采推进
  ├── 正常快速推进（日进尺 ≥ 4.5m） → 采空区遗煤迅速滑入窒息带（安全）
  └── 地质断层/搬家减速（日进尺 ≤ 1.5m） → 遗煤长期滞留于氧化升温带
        ↓ 滞留时间超过最短自然发火期 τ_min（如 42天）
      采空区深部自燃蓄热点突破临界温度（75℃~130℃）
        ↓
      产生高浓度 CO、C2H4 甚至明火火点
        ↓ 国家矿山安监局 矿安〔2026〕81号文件监管红线
      必须依法测定最短自然发火期并实测采空区自燃“三带”

因此，精准测定主采煤层的最短自然发火期，并基于实测数据建立采空区自燃“氧化三带”动态演化模型与最低推进速度控制红线，是总工程师编制《作业规程》与矿长制定生产计划的科学决策底线。

二、热力学与多孔介质渗流方程：氧化三带划分标准与数学物理模型

采空区是由垮落矸石、顶煤遗煤与冒落岩块构成的非均匀各向异性多孔介质，其内部风流场、氧气浓度场与温度场相互耦合。

1. 采空区多孔介质漏风渗流连续性方程

采空区内的流体流动遵循非线性布林克曼-达西（Brinkman-Darcy）多孔介质渗流方程：

$$\nabla \cdot (\rho \mathbf{v}) = 0$$
$$\frac{\rho}{\phi} \frac{\partial \mathbf{v}}{\partial t} + \frac{\mu}{K_p} \mathbf{v} + \frac{\rho C_F}{\sqrt{K_p}} |\mathbf{v}|\mathbf{v} = -\nabla P + \rho \mathbf{g}$$

式中：$\mathbf{v}$ 为采空区局部漏风流速矢量；$K_p$ 为垮落岩体动态渗透率（$\text{m}^2$）；$\phi$ 为多孔介质孔隙率；$\mu$ 为空气动力黏度；$C_F$ 为福希海默（Forchheimer）阻力系数；$\nabla P$ 为采空区进回风两端风压梯度。

采空区自燃三带划分及流场演化示意图
图2：采空区遗煤自燃“散热带-氧化升温带-窒息带”动态边界及漏风流线数值云图

2. 采空区氧浓度与温度耦合传输方程

氧气在采空区内的对流扩散与消耗速率方程为：

$$\frac{\partial (\phi C_{O2})}{\partial t} + \nabla \cdot (\mathbf{v} C_{O2}) = \nabla \cdot (D_{eff} \nabla C_{O2}) - V_{consume}(T, C_{O2})$$

采空区遗煤多孔介质能量守恒升温方程为：

$$(\rho C_p)_{eff} \frac{\partial T}{\partial t} + (\rho_g C_{pg}) \mathbf{v} \cdot \nabla T = \nabla \cdot (\lambda_{eff} \nabla T) + q_{heat} \cdot V_{consume} - q_{loss}$$

式中：$V_{consume}$ 为遗煤耗氧速率；$q_{heat}$ 为煤氧复合反应放热量（约 $300 \sim 380\text{ kJ/mol } \text{O}_2$）；$q_{loss}$ 为向顶底板岩层传递的导热散失量。

3. 自燃三带定量划分判定指标

依据行业规范与工程实测，采空区自燃“三带”空间界定依据如下：

采空区划分区域 氧气浓度范围 ($C_{O2}$) 漏风流速范围 ($v$) 温度与自燃危险性评估 工程防控策略
Ⅰ. 散热带 (Cooling Zone) $C_{O2} \ge 18\%$ $v \ge 0.24\text{ m/min}$ 风量充沛，反应放热被风流带走，温升极慢，无自燃危险 加强工作面进风隅角挡风帘管理，减少采空区漏风输入
Ⅱ. 氧化升温带 (Oxidation Zone) $8\% \le C_{O2} < 18\%$ $0.05 \le v < 0.24\text{ m/min}$ 供氧充分且热量积聚，温升速率 $\ge 1.5^\circ\text{C/d}$，自燃极度危险区 核心注氮惰化与阻化剂喷洒重点靶向区域，强化连续监测
Ⅲ. 窒息带 (Suffocation Zone) $C_{O2} < 8\%$ $v < 0.05\text{ m/min}$ 氧气严重匮乏，煤氧氧化反应自发停滞，安全窒息区 保持密闭完好，避免气压突变引发采空区气体外溢

三、工作面安全推进速度与最短发火期数学关系模型

为了防止采空区氧化升温带内遗煤自燃，工作面的最低月推进速度 $V_{min}$ 必须大于氧化升温带的最大宽度 $L_{ox\_max}$ 与煤层最短自然发火期 $\tau_{min}$ 的比值：

$$V_{min} = K_{safe} \cdot \frac{L_{ox\_max}}{\tau_{min}}$$

式中：

  • $L_{ox\_max}$ 为采空区氧化升温带的最大进深宽度（实测通常为 $35 \sim 110\text{ m}$）；
  • $\tau_{min}$ 为实验室绝热测定的煤层最短自然发火期（天）；
  • $K_{safe}$ 为工程安全系数，一般取 $1.2 \sim 1.35$。

算例参考：某矿 4-3 煤层实测最短自然发火期 $\tau_{min} = 45\text{ 天}$，实测氧化升温带最大宽度 $L_{ox\_max} = 68\text{ m}$，取 $K_{safe} = 1.25$：

$$V_{min} = 1.25 \times \frac{68\text{ m}}{45\text{ 天}} = 1.89\text{ m/天} \approx 56.7\text{ m/月}$$

若采面因故障推进速度降至 $1.5\text{ m/天}$ 以下，必须在 30 天内 启动全系统大流量注氮惰化。

四、标准化测定SOP：实验室最短发火期测定与现场三带实测流程

中矿天智与中国矿业大学科研团队采用“实验室绝热测试 + 井下多点埋管束管联测”复合技术路线：

SOP 1：井下新鲜煤样规范采集与真空密封（按 GB 482、GB 474 采集 ≥5kg 原状块煤）
  ↓
SOP 2：绝热氧化升温物理模拟实验（测定煤样常温至 200℃ 绝热升温曲线与交叉点温度）
  ↓
SOP 3：数学动力学模型反演最短发火期（结合煤体孔隙率、蓄热散热系数推算极限发火期 τ_min）
  ↓
SOP 4：综采工作面采空区埋管束管传感器（进回风巷沿走向每隔 15~20m 预埋采样探头与热电偶）
  ↓
SOP 5：随采随测连续采集氧浓度与温度场（随着工作面推进，连续 60 天跟踪记录三带动态演化）
  ↓
SOP 6：编制权威检测鉴定报告并出具注氮规程（交付 6 份正式报告，精准核定最低推进速度）
综采面上隅角与采空区埋管红外测温现场
图3：防灭火技术人员在综采工作面上隅角使用红外热像仪与埋管多路束管巡检温度

实验室绝热氧化装置与核心设备参数

煤自燃绝热氧化发火期测定装置与数据记录仪
图4：实验室煤炭绝热氧化试验系统、多路热电偶巡检仪与恒流供气控制装置特写
仪器设备名称 规格型号 测试功能与技术指标
煤自燃绝热氧化测试仪 C-TC-16A 智能型 绝热腔体内外温差控制 $\le \pm 0.05^\circ\text{C}$，绝热跟踪精度高，模拟井下绝对蓄热环境
多通道热电偶巡检仪 16通道数字测温仪 测温范围 $-50^\circ\text{C} \sim 400^\circ\text{C}$，分辨率 $0.1^\circ\text{C}$，实时记录煤心与外壳温升梯度
多组分微量气体色谱仪 Agilent 8890 实时在线测定采空区气样 $\text{O}_2, \text{N}_2, \text{CO}, \text{CH}_4, \text{C}_2\text{H}_4$，检出限 $0.1\text{ ppm}$
红外热成像测温仪 FLIR 矿用防爆热像仪 井下综采面支架顶梁、上隅角及冒落煤堆表面非接触式热斑扫描，测温精度 $\pm 1.0^\circ\text{C}$

五、工程案例复盘与经济预算：陕北某大型矿井最短发火期项目对账

以下结合陕西恒源投资集团赵家梁煤矿及神木四门沟矿业的真实工程技术服务合同进行明细解析。

防灭火专家组与总工程师推进度与注氮方案会审
图5：中国矿业大学防灭火专家团队与煤矿总工程师在矿区会议室审定工作面最低推进度

案例 1：赵家梁煤矿三一煤井 4-3 煤最短发火期与一通三防测定（24.5 万元）

  • 项目内容：
  1. 4-3 煤层最短自然发火期测定（GB 482、GB 474 煤样采集与数学模拟反演）：3.5 万元；
  2. 4-3 煤层注水可注性鉴定（4处取样与孔隙吸水率测试）：4.0 万元；
  3. 4-3 煤层自然发火标志气体及临界值测定（GB/T 44819-2024）：17.0 万元；
  4. 合计金额：24.5 万元（含税包干价）。
  • 技术产出与应用效果：
  • 精确测定赵家梁 4-3 煤层最短自然发火期为 38 天，交叉点温度为 138.5℃；
  • 测定采空区氧化升温带最大分布进深为 72m（回风侧进深大于进风侧 22m）；
  • 确定工作面安全最低推进日进尺为 2.35 m/d（月进尺不低于 70.5m）；当工作面遇断层日进尺低于此阈值时，自动开启地面制氮机向回风隅角连续注入 $900\text{ m}^3/\text{h}$ 高纯氮气，实现了综采面安全回采无火警。

六、矿长与总工自查清单：迎检准备与防灭火现场核验核心指标

总工程师在组织迎检或开展采空区防火专项评估时，需严格核查以下 6 项指标：

  • 最短自然发火期报告原件：具备国家 CMA/CNAS 资质机构出具的煤层最短自然发火期检验报告。
  • 采空区自燃三带划分图件：采掘平面图上清晰标注进风侧、回风侧及工作面中部的散热带、氧化带、窒息带实测宽度等值线。
  • 采煤工作面最低推进速度核定文件：经矿总工程师批准签发的工作面最低月进尺红线与预警考核制度。
  • 采空区注氮防灭火系统能力核算：制氮机产氮流量、管路输送能力及注氮防火步距设计计算书。
  • 束管监测系统与埋管取样记录台账：连续 60 天以上的束管监测数据报表，含上隅角及采空区深部测点分析记录。
  • 阻化剂喷洒与三相泡沫备用系统：井下防灭火药剂储备量不少于 30 天应急消耗量。

    • 七、常见问题深度解答 (FAQ)

    Q1：煤层最短自然发火期与自燃倾向性等级有什么区别？

    答： 自燃倾向性是煤的固有物理化学属性（定性分为Ⅰ类容易自燃、Ⅱ类自燃、Ⅲ类不易自燃）；而最短自然发火期是在特定绝热蓄热和供氧条件下，煤从接触空气到发生自燃所经历的最短时间（定量数值，如 38 天、56 天）。最短发火期直接用于指导采面推进速度与防灭火工程设计。

    Q2：采空区回风侧的氧化带宽度为什么通常大于进风侧？

    答： 综采工作面通常采用 U 型通风系统，风流从进风巷流入、从回风巷流出。由于回风侧存在抽风负压与采空区压差集中，漏风流线在回风隅角深部汇聚，导致回风侧采空区供氧进深显著大于进风侧，因此氧化带在回风侧呈现明显的“不对称深部外延”特征。

    Q3：当采煤工作面推进速度低于最低安全进尺时，应采取哪些紧急措施？

    答： 必须立即启动综合防控 SOP：① 大流量持续注氮：向采空区氧化带靶向注入纯度 $\ge 97\%$ 的氮气，将氧气浓度压降至 8% 窒息线以下；② 喷洒高分子阻化剂：在上隅角及架后残煤表面喷洒氯化钙/氯化镁阻化剂溶液；③ 均压通风调压：调节工作面进回风巷风门与风窗开度，减小采空区进回风两端压差，压降漏风量。

    Q4：最短自然发火期测定通常需要采集多少煤样，取样有哪些要求？

    答： 依据 GB 482 和 GB 474 规范，必须在井下采煤工作面或新开巷道暴露时间不超过 1 小时的新鲜煤壁采集原状块煤（粒度 $\ge 50\text{mm}$），单组样品重量不少于 5kg，采集后必须使用专用双层铝箔防氧化抽真空密封袋封装。

    参考依据与标准规范

    1. GB 482-2008《煤层煤样采取方法》
    2. GB 474-2008《煤样的制备方法》
    3. GB/T 20104-2006《煤自燃倾向性色谱吸氧鉴定法》
    4. KA/T 1068-2008《煤自燃倾向性的氧化动力学测定方法》
    5. AQ 1020-2006《煤矿井下自燃火灾防治技术规范》
    6. 煤矿安全规程（2025版），国家矿山安全监察局

    关于作者与中矿天智服务承接

    张洁贞，中矿天智信息科技（徐州）有限公司高级销售经理，长期服务陕北榆林、神木、府谷，内蒙古鄂尔多斯及山西各矿区。

    检验检测与技术服务依托 中国矿业大学安全生产检测检验中心 及矿山火灾防治科研团队全面支撑，具备国家法定资质认证。

    承接业务范围：

    • 煤层最短自然发火期实验室绝热测定与数学模型反演；
    • 采空区自燃“氧化三带”现场实测划分与最低推进速度核定；
    • 采空区大流量注氮、高分子胶体阻化与三相泡沫工程方案设计；
    • 瓦斯等级鉴定、煤自燃标志气体（GB/T 44819-2024）与重大灾害综合评估。

    矿方下一步行动指引

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    声明：文中技术参数与案例数据已依法进行脱敏处理，具体矿井发火期与三带参数需结合实际开采条件专项测定。