華勝煤礦3203 工作面采空區氧化帶寬度與供風量的關系研究

何溢聰

（山西蒲縣華勝煤業有限公司，山西 臨汾 041206）

煤自燃容易引發瓦斯或者煤塵爆炸，威脅作業人員生命安全和企業安全生產[1]。采煤過程中產生的采空區內部容易遺留煤炭，當供氧、蓄熱等條件合適時，遺煤很可能發生氧化自燃，因此需準確測定出采空區自燃“三帶”分布范圍，以調整工作面供風情況或推進速度，降低自燃危險性。本文通過實測華勝礦3203 采煤工作面供風量與采空區耗氧速度等關系，劃分三帶分布，保障礦井安全生產。

1 3203 回采工作面概況

華勝煤業位于山西省蒲縣縣城東部20 km，年產煤量90 萬t，開采深度從+1370 m 至+1010 m 標高。3203 回采工作面采用后退式采煤，走向長壁綜采一次采全高采煤工藝，頂板全部冒落。北部為未采的3202 工作面煤體，如圖1。工作面所在的3 號煤層煤體密度為1.35 t/m3，硬度為2～3，裂隙發育，條帶狀結構。煤層平均厚度為1.7 m，含一層平均0.8 m 厚的夾矸，煤層穩定，對回采無影響[2]。煤層走向176°左右，傾向86°左右，傾角為1°～10°，平均傾角為5.5°。3 煤層的煤種是氣煤，硫分為0.91%，發熱量為27.44 MJ/kg（不含頂、底矸和夾矸）。工業分析結果見表1。

圖1 工作面布置圖

表1 工業分析結果 （單位：%）

2 采空區自燃“三帶”分析

按漏風強度和遺煤自燃可能性可以將采空區劃分成三帶，即散熱帶、自燃帶和窒息帶[3]。散熱帶從位置上來看最接近工作面。雖然散熱帶內部也有煤炭，但其與空氣接觸的時間比較短，氧化速度很慢，產生的熱量相對較少。同時，由于這部分煤體堆積空隙多比較松散，因此熱量不容易積聚，不會發生自燃現象。自燃帶與工作面距離相對較遠，碎煤塊堆積空隙較小，漏風強度不高，可以為煤炭氧化提供充足的氧氣，同時氧化后產生的熱量散失較小，因此熱量長時間積聚后容易發生煤炭自燃。窒息帶與工作面距離最遠，煤塊被冒落巖石緊密壓實，供風量不足，氧氣含量很少，因此氧化速度非常慢，而且煤氧化后產生的氣體進一步稀釋了氧氣濃度，所以無法達到自燃條件。采空區的“三帶”隨工作面的推進向前移動，滿足下列條件時，處于“三帶”中的遺煤即可能發生自然發火[4]：

式中 ：W為采空區內部氧化自燃區域與工作面之間的最遠距離，m；vf為工作面每月推進速度，m；ts為煤層的自然發火期，月。

2.1 上限風量與下限氧濃度和耗氧速度

采空區遺煤自燃需要同時符合三個條件才可能發生：煤處在自熱氧化狀態；有良好的蓄熱條件；有充足的氧含量能夠保證遺煤持續氧化。可以看出，遺煤自燃情況主要受后兩個條件控制，其中，蓄熱條件可以通過采空區內部風速分布來確定。

散熱帶和氧化帶的劃分通常以氧化熱能否積聚為界限，在該界線上的風速稱為上限風速：

式中：v（O2，T）為耗氧速率；H（T）為煤的表面反應熱；q（T，O2）為煤的總發熱量，隨溫度和環境氧濃度改變。

假定井下采空區環境溫度為25 ℃，經計算發現3203 工作面上限風量為0.288 m3/m2·min，下限氧濃度為14.96%，耗氧速度為8.16×10-2mol/m2·min（此時氧濃度為21.9%）。

2.2 工作面供風量與漏風量的關系

采空區與工作面的距離越遠，頂板垮落造成的壓力越大，遺煤空隙率（f）越小，最終趨于定值，此處受工作面風壓的影響也趨近于定值。采空區內漏風量和工作面供風量以及內部巖石、遺煤空隙率有關[5]：

式中：ΔQl為采空區漏風量；k（f，Q）為與工作面供風量、采空區漏風管理方式和冒落巖石的空隙率相關的函數；L為工作面長度。對空隙率f=0.353 的采空區，A=0.005 1，B=42.68，工作面風阻R=0.011 6 N·s2·m-8，實測上下端口在工作面風量為2500 m3/min 時的壓差為20 Pa。在不同工作面供風量情況下，按式（4）計算的工作面漏風量以及現場實測漏風量見表2。

表2 3203 工作面供風量與漏風量關系

2.3 工作面供風量與采空區氧化帶寬度的關系

當采空區溫度近似為均勻分布時，內部耗氧速度線性相關于氧濃度線性，采空區氧化帶寬度和采面供風量關系為：

式中：[O2]1為上限風速流線處的氧濃度，mol·m-3；[O2]0為測定耗氧速度v0時的氧濃度，mol·m-3； [O2]min為 實 驗 測 定 的 下 限 氧 濃 度，mol·m-3；Z為工作面采高，m。通過實測，華勝煤礦3203 綜采面煤樣在氧濃度為21.9%時的耗氧速度8.16×10-2mol/m2·min，上限風速流線處的氧濃度以18%為準，按式（4）和式（5）計算得到氧化帶寬度和現場實測的寬度如表3 所示，與供風量的關系如圖2 所示。q為工作面向采空區的漏風量，m3/min；k為回歸系數，其值反映采空區多孔骨架孔隙介質特征，本算例k=21.08。采空區氧化自燃帶寬度與漏風量的回歸結果如圖3。

圖2 采空區氧化帶寬度與供風量的關系曲線

圖3 采空區氧化帶寬度與漏風量關系

表3 3203 綜采面不同供風量下的散熱帶及氧化帶寬度理論計算結果

由圖2 可以看出，氧化帶增長速度高于散熱帶，且氧化帶和散熱帶距工作面距離在供風量2200 m3/min 以內與供風量線性相關。在工作面供風量為2500 m3/min 時，氧化帶距工作面距離為98.0 m，寬度為53.9 m。因此應該在采空區設置擋風墻，以減少工作面向采空區漏風。

3203 工作面為單U 型通風，取工作面傾斜長200 m，采空區走向長500 m，通過給定工作面向采空區漏風量q不同賦值，進行多次模擬計算，將模擬結果進行回歸分析得出采空區氧化自燃帶寬度與漏風量符合下式：

式中：b為采空區可能自燃氧化自燃帶寬度，m；

3 結論

通過對采空區遺煤自燃“三帶”特性的分析，確定了以工作面供風風速和采空區內部不同區域的氧氣濃度來劃分采空區煤炭的氧化自熱區域的寬度和范圍。結合華勝礦3203 回采工作面采空區遺煤自燃發展和工作面供風相關性較強，供風量小于2200 m3/min 時氧化帶和散熱帶距工作面距離隨供風量線性增加。當工作面供風量繼續增大時，向采空區內部漏風強度同時增加，導致氧化自燃帶寬度變大。