淺埋煤層采空區自燃“三帶”分布及劃分研究

肖正江(山不拉煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 100083)

0 引言

煤礦自燃災害是影響安全生產的自然災害之一。煤礦自燃火災的主要爆發場所為采空區，一旦火災發生，會直接危及礦井安全及其持續生產，還可能導致煤炭資源的巨大損失與“凍結”。為防治此類災害，需明確自燃“三帶”的分布及劃分，從而提出針對性的防治措施。

目前對于采空區自燃“三帶”的劃分研究，主要基于現場實測和數值仿真分析兩種方法的相互驗證，對遺煤情況、氧氣濃度與漏風強度分布規律進行探究，并得出工作面的安全推采速度。

基于現場實測與仿真分析相結合的方法，王帥等[1]利用氣相色譜分析儀分析采空區各組分氣體濃度，得出自燃“三帶”氧氣濃度規律。楊富強等[2]采用束管監測FLUENT仿真采空區流場“三帶”范圍及工作面推采速度。楊奪等[3]建立采空區多孔介質二維穩定滲流物理與數學計算模型，確定了“三帶”劃分范圍。宋博等[4]利用 SF6示蹤法檢測采空區地表漏風通道和風速，研究了地表漏風對自燃“三帶”分布的影響。智國軍等[5]通過數值模擬與實測發現：采空區自然發火是其氧濃度場、煤巖固體溫度場、氣體溫度場及流場等耦合作用的結果。王耀強[6]將采空區分為5部分，研究了淺埋深傾斜工作面推采安全速度，同時發現煤層傾角主要通過影響采空區孔隙率分布進而影響采空區自燃“三帶”分布。劉玉良[7]根據采空區自燃帶范圍及浮煤最短自燃發火期得出了工作面的最小推采速度，并提出了正常回采時期與危險時期的救治措施。

本文基于中煤山不拉煤礦36203綜采工作面的生產技術現狀，結合FLUENT與實測氧濃度與漏風強度方法，對采空區進行了自燃“三帶”分布及劃分研究，以取得最小推采度從而保證工程的安全進行，研究成果對淺埋煤層安全開采具有重要指導意義。

1 工作面概況

中煤山不拉煤礦36203綜采工作面東部臨近F3斷層，南部為未開采的36204綜采工作面，西部為三盤區6-2煤盤區大巷，北部為已回采的36202綜采工作面，上部為35102采空區，下部7-1煤層未開采，工作面長度200 m。

工作面地表位于袁家梁一帶，地面標高+1 245～+1 340 m，工作面地表大范圍均為荒山荒坡，煤層埋藏相對較深，開采對地表影響不大。

中煤山不拉煤礦三盤區6-2煤賦存于延安組第一巖段(J1-2y1)中下部，煤層賦存范圍是屬全區可采的穩定煤層。鉆孔資料顯示：6-2煤與上部5-1煤層之間相距57～63 m，與下部7-1煤層間距27.73～38.27 m，平均33 m。根據36203兩順槽及切眼掘進揭露情況顯示，工作面煤層為單斜構造，向西北傾斜，傾角約為1°～3°，煤層厚度平均2.86 m，含夾泥巖0～1層，平均厚度0.06 m，平均煤厚2.8 m，煤層穩定。

礦井采用抽出式通風方法，36203工作面為沿空留巷工作面，使用Y型通風，即工作面輔運順槽進風，沿空巷道和回風順槽回風。工作面一般正常風量為700 m3/min。

2 采空區三帶現場實測

2.1 測試方法

(1)測點布置

現觀測采空區氣體濃度分布采用埋管抽氣法，即同時在回風和進風側向采空區埋設束管，從束管內抽取氣樣分析其成分。如圖1所示，束管采樣點沿工作面方向每隔30 m鋪設一個，共布置6個點，工作面回風側采空區沿巷幫每間隔100 m設一個測點。從測點進入采空區開始，每天1次采樣分析，直至采空區深部距工作面350 m停止。

圖1 工作面采空區三帶觀測測點布置圖

(2)探頭布置

采空區采用埋設束管進行抽氣分析的方法分析氣體成分。因測點較多，采用7芯束管進行氣樣采集，使用束管的每一個分支管對每個測點進行采樣，并采用預埋束管外套鋼管的方法進行保護。埋設束管時將進氣口抬高至距離底板大約0.5 m的位置，能夠有效防止束管被采空區積水堵塞。

總管采用?76 mm鋼管保護，分支管采用4分管保護。束管前端使用過濾式束管采樣器，以防采樣時粉塵被吸入束管。

在束管抽氣口處標記編號，有助于區分不同測點。束管支管直徑為8 mm，每個測點的氣樣由每根束管運管采集。為防止被采煤設備壓壞，需盡量將束管總管路貼近煤壁，采樣頭固定在離煤層底樣50 mm的位置。布置方式具體如圖2所示。

圖2 埋管觀測探頭布置圖

2.2 工作面推采及遺煤情況分析

36203工作面于2021年3月16日開始埋管，同月18日開始觀測，截至2021年5月27日。36203工作面在自燃“三帶”觀測期間共向前推采380 m。從4月1日至5月27日的推采情況來看，觀測期內推采速度為4～7 m/d，平均5.5 m/d。

36203工作面煤層有2.8 m有益厚度，平均采高距離為2.8 m，可考慮30%為采空區內部空隙率，采空區平均浮煤厚度可由前后觀測的工作面頂煤厚度以及工作面回采率計算出。工作面回采率可達到98%左右，工作面遺煤約2 800×(1-98%)÷30%=18.7 cm。

2.3 采空區氧濃度及漏風強度分布規律

如圖3所示，采空區內各點氧濃度隨深度增加與工作面推采呈下降趨勢。氧濃度在進風側采空區100 m處已經下降到18%，由此可見采空區浮煤存在一定程度的氧化。但進風側和回風測氧濃度隨著埋深增加保持在16%～17%之間，可能是煤礦埋深較淺、漏風偏大所致，也可能是在煤柱側錨網支護的作用下，巷道很長一段距離內頂板垮落不嚴實或無法垮落，導致采空區內部存在較大孔隙率，使新鮮空氣進入到采空區內部，進而造成采空區內部氧濃度一直維持在較高水平。

圖3 采空區回風側測點氧濃度隨埋深變化曲線

2.4 采空區漏風強度分布規律

漏風強度可由氧氣濃度測算法根據實際測定的氧濃度分布反推出。假定漏風流僅沿一維流動，當松散煤體內漏風強度處在恒定不變的條件時，可推導出漏風強度與氧濃度之間關系為：

由36203工作面煤樣自燃性實驗測試得出，煤樣在30.2 ℃下所對應的耗氧速度為288.01×10-11，利用由測試得出的采空區氧濃度分布規律，結合式(1)可推算出回風側的采空區漏風強度分布如圖4所示。

圖4 回風巷側采空區內漏風強度

3 采空區危險區仿真分析

為了模擬無法直接觀測的采空區內部滲流場、氣體濃度等，利用ANSYS FLUENT19.0數值模擬軟件進行建模，模型邊界條件由現場實測得出的數據來確定，再定義出采空區各參數，從而進行模擬。

工作面回風側距離工作面350 m以里，氣體濃度趨于穩定，故模擬區域深度確定為400 m。工作面漏風裂隙帶高度按5 倍采高計，滲流區域高度為15 m。

因此，模擬的區域為一個400 m×200 m×20 m的長方體，工作面兩端壓差按30 Pa計算，工作面氧濃度為21%，如圖5所示，其為在以上建立的模型上模擬得出的采空區氧濃度分布圖。

圖5 距煤層底板0.5 m處氧濃度分布圖

由圖5可知，中煤集團山不拉煤礦36203工作面采空區氧濃度在回風側距工作面60 m處氧濃度為19%左右，80 m處氧濃度降為18%左右，150 m的采空區內氧氣濃度降至16%左右，同樣的氧濃度在回風側并在之后的300 m的采空區內氧氣濃度在15%左右，300 m左右降至5%左右。這一模擬結果與現實情況基本一致，可作為預測采空區氧濃度變化的依據。

4 36203采空區自燃三帶劃分

采空區遺煤氧化需要滿足三個條件：一是足夠的浮煤厚度積聚、氧化產生的熱量；二是足夠的氧氣濃度促使浮煤不斷氧化升溫；三是源源不斷的較小風流，以免風流帶走熱量。由山不拉煤礦36203煤層的實驗測試和理論分析可知：

(1)根據內蒙古安科安全生產檢測檢驗有限公司2017年編制的《煤塵爆炸性、煤自燃傾向性檢驗報告》，礦井最短自然發火期為34天。山不拉煤礦現開采6-2中煤層實際自然發火期約為40天，為易自燃煤層。

(2)80 ℃左右為臨界溫度，110 ℃左右為干裂溫度。當煤溫小于臨界溫度值，增加緩慢；超過臨界溫度值小于裂解溫度值，增速加快；大于裂解溫度后，增速激增。

(3)50 ℃左右為下限氧濃度最大值，當氧氣濃度低于此溫度的下限值，無法引起浮煤自燃。當浮煤厚度為1.0 m時，下限氧濃度值為7%(體積分數)，會隨浮煤厚度減小而激增，其下限氧濃度遠高于正常氧濃度，浮煤不會自燃。下限氧濃度在不同浮煤厚度時的取值如表1所示。

(4)53.4 ℃左右為上限漏風強度最小值，當此溫度的上限漏風強度低于實際漏風強度，浮煤便不會自燃。

(5)53.4 ℃左右為極限浮煤厚度最大值，當此溫度的極限浮煤厚度大于實際浮煤厚度，浮煤就不自燃。

在同一個圖上繪制由實驗得到的不同浮煤厚度時的采空區上限漏風強度、下限氧濃度和極限浮煤厚度等參數的變化規律，即可以判斷出采空區煤自燃三帶分布范圍，根據實際情況和模擬結果劃分采空區三帶。

根據劃分采空區三帶可以發現，漏風情況在36203工作面采空區內相對較大，且采空區受漏風影響可能會出現塌落不均勻的現象。散熱帶范圍相對較深，距離工作面0～35 m之間的分布范圍為工作面回風側采空區散熱帶，由于工作面進風側是沿空留巷，整個進風側均為散熱帶。在距離工作面35～290 m范圍為回風側采空區氧化升溫帶，因為進風側漏風較大且遺煤量少，故而不存在氧化升溫帶，詳情如表1所示。

表1 采空區三帶劃分結果表

5 工作面最小推采速度

36203工作面氧化升溫帶最大深度出現在工作面回風側，氧化升溫帶的最大寬度為Lmax=290－35=255 m。

由實驗和現場數據可知，采空區浮煤最短自然發火期為τmin=40 d，根據Vmin=Lmax/τmin×k可計算出采空區可能發生自燃的極限推采速度約為5.2 m/d。其中k為氧濃度影響系數，k取1.24；k=C0/C，其中C0取21%，為新鮮空氣中的氧濃度，現場實際平均氧濃度C為16.9%。

所以正常條件下，采煤工作面推采速度大于5.2 m/d時，采空區不會發生浮煤自燃；當推采速度小于5.2 m/d時，煤層存在自燃風險，應采取必要的防滅火措施。因為綜采面日平均推進速度大于采空區自燃的安全推進度，為5.5 m/d左右，因此在正常開采條件下，不會引起浮煤自然燃燒。

6 結語

以山不拉煤礦36203綜采面為分析對象，通過在采空區鋪設束管、采集氣體進行研究，能夠明確采空區的煤自燃規律及特點，為制定煤自燃防治技術方案提供基礎。文章的主要研究成果如下：

(1)掌握了采空區煤自燃三帶分布規律及危險區域。

36203工作面散熱帶的分布范圍在回風側采空區距離工作面0～35 m以里，受漏風以及采空區塌落不均勻的影響，其進風側散熱帶較寬。回風側窒息帶在距離工作面290 m以上的采空區深部。

(2)因為采空區遺煤含量較少，且沿空留巷有較大的側漏風，所以工作面進風側無氧化升溫帶。工作面回風側的側空區為易發生自燃的區域。

(3)計算得出了工作面最小安全推進速度。

以綜采面散熱帶到采空區窒息帶的最大距離(即氧化升溫帶最大寬度)Lmax=250 m和采空區浮煤最短自然發火期40 d為依據，計算得出該礦工作面的最小安全推進速度為5.2 m/d。如果推進速度小于5.2 m/d，必須加強監測，同時采取防火措施。而36203綜采面日平均推進速度為5.5 m/d左右，大于采空區自燃的安全推進度，因此正常開采條件下不會引起浮煤自燃。