偏“W”型通風工作面采空區自燃三帶分布規律研究

趙志軍

【摘 要】“U”型通風是采煤工作面中最常用的通風手段，但對于回采工作面上隅角瓦斯超限、煤層瓦斯濃度較大的回采工作面，“U”型通風已經無法滿足采煤工作的通風需求。偏“W”型通風方式通過兩進一回的方式，有效彌補了“U”型通風方式的不足，隨著采煤工作的發展，對偏“W”型通風方式進行深入研究，探究采空區自燃三帶的分布規律，對于提高采煤工作的安全性具有非常深遠的意義。

【Abstract】The U-type ventilation is the most commonly used ventilation method in coal mining face， but U-type ventilation can not meet the requirements of back mining working face with gas exceeding the limit and coal seam gas concentration in the corner. The similar to W-type ventilation through the way of two back and one in， effectively makes up the shortcomings of U-type ventilation， with the development of coal mining， the study on the similar to W-type ventilation is deep， this paper explores the distribution rule of spontaneous combustion three-zone in goaf， it has far-reaching significance for improving the safety of coal mining.

【關鍵詞】偏“W”型通風；采空區；自燃三帶；分布規律

【Keywords】similar to W-type ventilation； goaf； spontaneous combustion three-zones； distribution rule

【中圖分類號】TD72 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-1069（2018）01-0148-02

1 引言

采礦爆炸、火災等事故是影響煤礦企業發展的主要災害之一，這些災害主要發生在采空區周圍，對煤炭回采工作造成了嚴重影響。造成礦井爆炸、火災的主要原因是回采工作面采空區的自燃三帶分布情況，一些煤礦企業在沒有明確自燃三帶分布規律的情況下，貿然下井開采，進而導致嚴重的安全事故。

2 采空區自燃三帶簡述

2.1 散熱帶

在開展采空區回采工作時，由于回采工作面不斷向前推進，采空區的頂板等結構出現松垮的情況，在工作面區域形成了冒落區。同時由于頂板松垮，大量空氣涌入工作面，導致回采區域的浮煤出現氧化反應，釋放出一定的熱量。不過由于該區域漏風氣流較大，浮煤經氧化散發出的熱量在短時間內就被氣流帶走，熱量無法聚集，因此不會出現浮煤自燃的情況。這一區域就是自燃三帶中的散熱帶，也可稱為冷卻帶。

2.2 氧化帶

隨著采煤工作的推進，之前產生的冒落區會逐漸被壓實，這時工作面內的漏風氣流也會逐漸減弱，但氣流內所含的氧氣濃度會逐漸上升[1]。隨著漏風氣流強度不斷減弱和其內部的氧氣濃度不斷上升，導致浮煤氧化反應越來越強烈，同時微弱的漏風氣流已經無法帶走浮煤氧化散發的熱量，進而催化了浮煤氧化反應。由于浮煤氧化反應不斷加劇，此時工作面內的溫度急劇升高，并可能出現明火燃燒的情況，這一區域就是自燃三帶中的氧化帶。

2.3 窒息帶

待采煤工作通過氧化帶之后，繼續向前推進，冒落區已經被完全壓實，此時采煤工作面的漏風情況基本消失，工作面內只殘存著少量的漏風氣流，同時這些氣流經過氧化帶之后，其氧氣含量也大大減少，雖然工作面由于浮煤氧化產生了較高的溫度，但由于缺少氧氣，浮煤的氧化反應已經無法繼續，這一區域就是自燃三帶中的窒息帶[2]。

3 采空區自燃三帶的劃分依據

在劃分采空區自燃三帶時，主要的劃分依據就是檢測采空區工作面各區域內的氧氣濃度是否滿足浮煤氧化反應的需求。具體劃分時，需要找到工作面內氧氣濃度的臨界值，即滿足浮煤氧化的氧氣濃度的最低值，如果該區域內的氧氣濃度高于這個臨界值，該區域內就可順利進行浮煤氧化反應，因此該區域仍處于氧化帶的范圍。而該區域的氧氣濃度低于臨界值時，浮煤氧化反應得不到充足的氧氣供應，那么該區域就處于散熱帶或窒息帶之間。所以，研究自燃三帶分布規律的主要研究對象和劃分依據就是采空區工作面的氧氣濃度。

4 工作面采空區數值模擬分析

數值模型建立。由于回采工作面采用的是偏“W”型通風方式，這就使得采空區自燃三帶的劃分工作變得更加復雜。可利用國際上應用最為廣泛的CFD軟件，對回采工作面采空區的相關數值進模擬計算，煤礦采空區工作面的通風方式如圖1所示。結合其實際通風情況，和表1所示的實際模型參數，可對采空區自燃三帶的分布情況及規律進行模擬。

一些煤礦工作面采空區內可能存在嚴重的瓦斯涌入和浮煤耗氧情況，利用CFD軟件進行模擬時，可分別假設在均勻涌出和非均質耗氧情況下對上述兩種問題進行模擬，結合建立模型所需的實際數據，以采空區氧氣濃度作為劃分標準，對采空區自燃三帶的分布情況和規律進行模擬，模擬結果如圖2所示。

由圖2可以看出，靠近運輸巷側的采空區氧氣濃度明顯高于軌道巷一側，采空區氧氣濃度（8%～14%）的分布為：遺留軌道巷側約30m處，氧氣濃度約為0.17，并且向采空區深部逐漸減小，到100m處氧氣濃度約為0.025；遺留皮帶巷側約100m處，氧氣濃度約為0.17，這主要取決于采空區瓦斯涌出對氧的驅替擠占及煤的耗氧作用。

5 工作面采空區氧濃度觀測

5.1 工作面觀測方法

根據煤礦采空區工作面的實際情況，可采用上下兩幫埋管的方法對采空區氣體成分和溫度等主要參數進測定。首先沿采空區幫壁在工作面上下兩順的軌道巷和皮帶巷兩幫設定兩個監測點，監測點安裝溫度傳感器和氣體采樣裝置。工作面觀測工作要與采煤工作同時進行，隨著采煤工作面的推進，需要每天對工作面的氧氣含量和溫度進行測定，當相關指標出現異常時，需要通過氣泵將采空區的空氣樣本收集到氣囊中，送至地面進行氣相色譜分析，進而確定當前工作面內的空氣溫度與空氣中的O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重碳氫氣體的濃度變化規律。

5.2 工作面采空區氧濃度觀測結果分析

經過對采空區工作面氧氣含量和溫度進行觀測，將采空區各氣體觀測數據的測定結果進行圖形化處理，得到距離工作面各位置采空區的氣體分布，將采空區觀測數據與數值模擬數據作圖對比分析，對比結果與模擬結果基本一致。

6 結語

對煤礦采空區的自燃三帶進行科學、精準的劃分是預防采空區自燃、爆炸的主要措施。在對采空區自燃三帶進行劃分之前，首先要對該工作面的浮煤厚度和氧氣濃度進行檢測，綜合考慮引起煤炭自燃的主要因素，通過把采空區的浮煤厚度分布范圍與工作面空間內的氧氣濃度場相疊加，明確該工作面自燃三帶的分布規律，進而提前做好防自燃措施，確保采煤工作安全、順利進行。

【參考文獻】

【1】張明光，王偉，郭海相.淺埋深開采抽放對采空區自燃“三帶”影響研究[J].煤炭技術，2017，36（09）：120-123.

【2】楊國權.采空區煤自燃三帶數值模擬研究[J].山西煤炭，2017，37（04）：61-65.endprint