31102采面采空區自燃“三帶”實測結果分析

（山西潞安集團潞寧煤業公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

山西潞安集團潞寧煤業31102工作面開采3#煤層，位于總回風下山巷道西南側，3#煤層平均厚度1.6m，平均傾角為13°，煤層層理分明，節理發育，構造總體比較簡單；煤層頂板為泥巖和砂巖，底板為泥巖。工作面采用“U”型通風方式，進風順槽進風，回風順槽回風。根據礦井地質資料可知，3#煤層屬自燃煤層，自然發火期為70d，現為充分分析31102工作面采空區自燃“三帶”的分布規律，進行現場測試與分析。

2 采空區自燃危險區域分析

2.1 觀測方案

為測定、分析31102工作面采空區自燃危險區域，本項目擬通過在采空區內埋管抽氣的方式，對采空區內的指標氣體的濃度變化進行監測，指標氣體包括CO、O2、CH4、C2H6等[1]，本項目主要監測CO2、CH4、C2H6氣體。

根據31102工作面的地質條件，在進風順槽和回風順槽內分別設置4個指標氣體監測點，測點間距為200m，當工作面回采推進至測點位置時，進行監測作業，隨著回采作業的進行，監測點會全部進入采空區內，隨后進行持續監測作業，指標氣體監測站的布置見圖1。除指標氣體監測站外，同時輔以人工取樣的方式進行巷道其余地點指標氣體的收集作業。

工作面回采期間，觀測分析作業內容如下：①觀測參數：工作面的推進速度、溫度、指標氣體的濃度和供風量等；②分析對象：31102工作面回采期間，采空區內部的漏風軌跡、浮煤的分布形態及一氧化碳和甲烷等氣體濃度的變化規律。

圖1 31102工作面指標氣體監測站布置

2.2 采空區溫度分析

根據監測數據，能夠得出進風巷側與回風巷側不同測點溫度的變化曲線，具體以進風巷側1#～3#、回風巷側5#～7#測點進行分析，見圖2。

圖2 采空區內溫度分布曲線

分析圖2（a）可知：1#～3#測點數據顯示，進風側采空區0～20m的區域，溫度基本穩定在22℃～25℃，且溫度呈現出紊亂分布的狀態，采空區內的產熱速率小于散熱速率，故該區域范圍內的煤體不存在自燃危險；進風測采空區20～118m范圍，溫度均呈現出穩步上升的趨勢，溫升速率基本穩定在0.1～0.3℃/d，即確定該區域為高溫危險區域；隨著測點逐步進入采空區深部，測點溫度波動逐漸減小，甚至出現不波動的情況，表明已經進入窒息帶。

分析圖2（b）可知，5#～7#測點數據顯示，回風側采空區0～23m的區域，溫度基本穩定在22℃～25℃，且溫度呈現出紊亂分布的狀態，采空區內的產熱速率小于散熱速率，故該區域范圍內的煤體不存在自燃危險；回風側采空區23～100m范圍，各測點的溫度均明顯升高，表明隨著測點進入到采空區一定深度，采空區內的浮煤氧化速度在逐漸加快，基于此可知，該區域為采空區內的高溫危險區域，存在著一定的自燃風險；當測點進入采空區120 m以上時，測點溫度基本呈現出穩定的狀態，僅在很小的范圍內產生波動，故該區域不存在自燃危險。

2.3 采空區指標氣體分析

根據31102工作面回采期間指標氣體監測站所得的監測結果，能夠繪制出工作面回風側指標氣體與滯后工作面距離的關系曲線，見圖3。

圖3 工作面回采期間測點指標氣體分布曲線

分析圖3可知，5#測點與6#測點在與工作面間距離大于40m時，開始監測到C2H6氣體，可知在該區域采空區內部的浮煤已經進入氧化階段；5#和6#測點進入采空區60～100m范圍時，CH4氣體濃度出現明顯下降的現象，由此可知，此區域采空區內的浮煤已經進入到氧化加速和蔓延階段。

3 采空區自燃“三帶”劃分

3.1 劃分方法與步驟

根據采空區內不同深度處遺煤的氧化程度，能夠從采煤工作面往采空區深部劃分為三個區域，分別為：散熱帶、氧化帶和窒息帶，采空區的自燃“三帶” 會隨著工作面回采作業的進行逐漸移動，“三帶”具體特征及劃分條件如下[2-3]：

（1）散熱帶：該帶的劃分條件為采空區內的產熱量≤散熱量，有具體該條件的區域組成的采空區區域組成了散熱帶，該帶在采空區漏風量充足提供氧氣的條件下，會持續進行遺煤的氧化過程，進而迅速的完成氧化反應的放熱過程。

（2）氧化帶：該帶劃分標準為，在溫度一定下，所有采空區內產熱量＞散熱量的點集組成的區域。

（3）窒息帶：該帶是在一定溫度時，蓄熱和遺煤的厚度滿足自燃的條件，但是由于缺少氧氣，進而出現產生的熱量≤散發熱量的點集組成的區域組成了窒息帶。

在進行綜采工作面采空區自燃危險區域劃分作業時，具體的劃分方法及步驟如下：

（1）根據綜采工作面及采空區特征，進行采空區遺煤厚度等值線圖和區域圖的推算。

（2）對采空區的漏風情況、CO濃度和氧氣濃度等指標性氣體進行長期監測作業，基于觀測結果確定出采空區遺煤實際等值線趨勢圖。

（3）通過測量分析工作面中巖層溫度Tg、空氣溫度Ty，并對煤體的放熱強度q0(T)進行測定，隨后求出浮煤厚度h、工作面距離x、煤體溫度Tm為自變量時，其對應的極值，分別為hmin（最小浮煤厚度）、Cmin（最小氧濃度）、Qmax（最大漏風強度），進而確定固定溫度下采空區內的極大值，見式（1）。

（4）根據上述分析得出的的采空區漏風情況及指標氣體的等值線圖，進行總結分析，具體給出趨勢分布圖中滿足條件的范圍，進而對采空區“自燃”三帶的范圍的可視化。

（5）根據趨勢圖中得出的氧化帶跨度Lx的點集，進而能夠推算出氧化帶的最大寬度為Lmax，得出工作面極限推進速度、采空區自燃危險條件和氧化帶的臨界寬度表達式分別如下：

極限推進速度：vmin=Lmax/τmin

自燃危險條件：Lx>Lxmin

氧化帶臨界寬度：

3.3 采空區自燃“三帶”范圍

為有效分析采空區內自燃的條件，需要使得采空區內散落的煤體達到一定的厚度h，同時能夠有充足的氧氣保障煤體氧化進程，現結合31102工作面煤樣的試驗測試分析結果，根據采空區自燃的相關理論[4]計算遺煤厚度與上限漏風強度、下限氧氣濃度間的關系，見表1。

表1 浮煤厚度與上限漏風強度和下限氧濃度的關系

根據采空區內的氣體的監測結果，得出采空區中部全部為散熱帶，兩道順槽壓裂產生的遺煤厚度大小為0.3～0.4m，按最大遺煤厚0.4 m計，采空區自燃的下限氧氣濃度可達7.12%，上限漏風強度可達0.049 cm/s，通過分析、計算，得出31102工作面采空區自燃“三帶”分布形態，見圖4。

圖4 采空區自燃“三帶”范圍曲線

分析圖4可知，隨著與工作面距離的增大，采空區進風側和回風側的氧氣濃度、漏風強度均出現逐漸降低的趨勢，且漏風強度降幅相對較快。曲線中下限氧濃度區域與上限漏風強度重疊區域的橫坐標即為采空區氧化升溫帶的寬度，從圖中能夠看出進風側氧化帶的區域為20～108m，回風側氧化帶區域為20～84m范圍內，基于上述可知，工作面進風側氧化帶和回風側氧化帶的跨度分別為88 m和56m，綜合上述分析確定工作面最大氧化升溫帶的寬度為88 m。31102綜采工作面采空區自燃“三帶”的劃分范圍見表2。

由于31102工作面采用U型通風方式，其進風側漏風風流較大，可燃氣體容易被稀釋，回風側由于采空區的漏風，進風側采空區內的可燃氣體隨風流被帶到回風側，進而導致進風側與回風側采空區自燃“三帶”的分布存在一定的差異，現具體劃分進風側采空區三帶和回風側采空區三帶分布，以準確的劃分采空區自燃危險區域，以指導采空區防滅火設計。

表2 31102工作面采空區自燃“三帶”的劃分

4 結語

根據31102工作面及其采空區的具體特征，通過在采空區內埋管抽氣的方式進行采空區內指標氣體的監測作業。根據監測結果，繪制采空區不同區域溫度和指標氣體含量曲線，分析判定了采空區高溫危險區域，劃分了31102采面采空區的自燃“三帶”，即31102采面進風側采空區和回風側采空區散熱帶范圍分別為20 m和25m，氧化帶范圍分別為20～80 m和25～120m，窒息帶分別在＞80 m和＞120 m區域。