10101綜放工作面采空區自燃“三帶”分布特征

馬龍飛

（山煤集團煤業管理有限公司，山西 太原 030006）

井下開采安全第一，在煤炭開采的過程中，瓦斯爆炸及火災是井下開采的重大安全事故［1-2］。大多數煤層具有易燃性及自燃性，井下開采存在自然發火的隱患。因此，需進一步分析所開采煤層的物理化學性質，掌握工作面采空區自燃“三帶”分布規律［3-4］，全面系統地對工作面煤層自燃特性進行研究，最大可能避免安全事故的發生［5］。本文基于豹子溝煤業10101綜放工作面開采實踐，進一步探討采空區自燃“三帶”分布特征。

1 工程概況

豹子溝煤礦位于山西省蒲縣，礦井主水平劃分為四個采區，目前，礦井只在主水平10+11（9+10+11）號煤層布置一個綜采放頂煤工作面，工作面位于三條大巷的東翼，三條大巷名稱為軌道、運輸、回風大巷。首采工作面布置在一采區三條大巷右翼。主斜井井筒設計長度667 m，副斜井井筒設計長度493 m，回風立井井筒設計長度269 m。

豹子溝煤業布置的10101采煤工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，開采下組9+10+11號煤，9+10+11號煤自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，含硫量較高。礦井開采過程如果采空區丟煤較多或開采推進度遲緩，則容易產生煤層自然發火火災事故。為了掌握采煤工作面9+10+11號煤層自然發火規律，并有針對性的采取有效防治煤層自然發火的技術措施，以提升豹子溝煤業防滅火管理水平。

2 采空區自燃“三帶”劃分

2.1 “三帶”定義

（1）散熱帶。回采工作面采空后，頂板逐漸垮落，形成一定區域的垮落帶，這部分空隙較大，漏風嚴重，此區域范圍內浮煤產生的熱量基本被風流帶走，不會出現自燃現象，稱為“散熱帶”。

（2）氧化自燃帶。隨著工作面的推進，原來的垮落區域逐漸被頂板上覆巖層壓實，此區域風量較少，一方面風量無法將浮煤產生的熱量帶走，另一方面漏風還提供了足夠的氧氣供煤進行氧化。因此，這部分區域很有可能產生自燃現象，稱為“氧化自燃帶”。

（3）窒息帶。工作面推移，再往里面的垮落區域已經被壓實到一定程度，此區域漏風量極少，浮煤處于窒息狀態，因此無法產生自燃現象，稱為“窒息帶”。

圖1 “三帶”分布

2.2 劃分指標

（1）根據采空區漏風風速劃分。散熱帶的風速：大于0.004 m/s；自燃帶的風速：0.0016～0.004 m/s；窒息帶的風速：小于0.0016 m/s。

（2）根據氧氣濃度劃分。散熱帶的氧氣濃度：大于18% ；自燃帶的氧氣濃度：7%～18%；窒息帶的氧氣濃度：小于7%。

3 “三帶”現場實測

3.1 采空區測點布置

在10101綜放工作面兩巷布置束管監測點，間距20 m，隨著工作面的推進，監測點依次經過三帶，監測采空區各項參數的變化，為三帶的劃分提供依據。

3.2 監測數據結果分析

（1）由采空區氧濃度數據分析，1、2、3號監測點位于進風巷道內，4、5、6號監測點位于回風巷道內。可以分別得到兩巷監測點氧氣濃度劃分的三帶范圍。

表1 采空區自燃“三帶”

（2）由6個測點的采空區溫度變化曲線可知，散熱帶為工作面距采空區0～22.4 m范圍內，氧化自燃帶為工作面距采空區22.4～67 m范圍內；窒息帶為工作面距采空區67 m之后，與氧氣濃度劃分的三帶范圍基本一致。各監測點溫度變化規律見圖2、圖3。

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圖2 進風側各測點溫度變化規律

圖3 回風側各測點溫度變化規律

4 “三帶”數值模擬

4.1 模型建立

根據豹子溝煤礦10101工作面具體地質賦存條件，采用COMSOL數值模擬軟件進行模擬進風巷道、采空區、工作面、回風巷道4個位置區域的參數變化。模型工作面長150 m，寬6 m；進風巷道與回風巷道寬4 m；采空區長260 m，寬150 m。模型網格劃分見圖6。并將進風巷道作為入口邊界，采空區為出口自由邊界，根據具體工作面實測，選取進風巷道氧氣濃度為20.9%，風流溫度是18.6℃，礦井平均空氣密度ρ=1.225 kg/m3，工作面實際風速是1.62 m/s；取松散系數設置為1.5，氣體的擴散系數D=2.88×10-5m3/s，空氣粘性系數=1.7894×10-5kg/ms。

圖4 模型網絡劃分

4.2 模擬結果分析

工作面配置風量的多少，對采空區自燃“三帶”分布會有一定的影響，供風量增加即具有增強采空區熱量散失的作用，同時也具有增加采空區遺煤供氧的作用，二者的綜合作用結果共同導致風量對采空區自燃影響。

參考現場束管監測部分的推進度及劃分結果，充分考慮在推進度較大情況下的采空區自燃三帶分布情況，見圖5～圖7，分別為風量1000、1300、1600 m3/min的三帶分布情況。黑線為氧氣濃度為7%的等值線，紅線為風量速度為0.004 m/s的等值線；綠線為采空區風流線，藍箭頭表示流場方向。

圖5 風量1000 m3/min

圖6 風量1300 m3/min

圖7 風量1600 m3/min

由圖可知，隨著風量增大，氧濃度7%等值線也會向采空區深部移動，因此散熱帶的起始位置向采空區深部移動，在工作面風量為1000～1600 m3/min達到穩定時，最大氧化帶寬度為41.5～50 m。因此可以得到氧化自燃帶寬度隨著工作面供風量的增加逐漸變寬。對比工作面實際供風量下“三帶”分布的數值模擬結果與現場實際監測結果，發現模擬結果與實際監測結果基本吻合，誤差在合理范圍內，證明了數值模擬結果的可靠性。

綜合對比數值模擬結果和現場實測得到的數據，分析確定了采空區“三帶”的范圍。認為10101綜放工作面采空區遺煤氧化自燃“三帶”的范圍（距工作面后溜子距離）：散熱帶小于27.2 m，氧化自燃帶27.2～74.5 m，窒息帶大于74.5 m。

工作面最小回采速度，見式（1）：

式中：Vi為工作面推進速度，m/d；LZ為氧化自燃帶寬度，m；Lb為散熱帶寬度，m；T為最短自然發火期，取81天；2為安全系數。

求得，10101綜放工作面最小推進速度為1.84米/天。

5 結語

根據豹子溝煤礦10101工作面的現場實測數據分析及數值模擬結果，得出采空區自燃“三帶”分布規律；10101綜放工作面采空區遺煤氧化自燃“三帶”的范圍（距工作面后溜子距離）為：散熱帶小于27.2 m，氧化自燃帶27.2～74.5 m，窒息帶大于74.5 m；結合煤層最短自然發火期，確定工作面的最小安全推進度為1.84米/天。