10101综放工作面采空区自燃“三带”分布特征

马龙飞

（山煤集团煤业管理有限公司，山西 太原 030006）

井下开采安全第一，在煤炭开采的过程中，瓦斯爆炸及火灾是井下开采的重大安全事故［1-2］。大多数煤层具有易燃性及自燃性，井下开采存在自然发火的隐患。因此，需进一步分析所开采煤层的物理化学性质，掌握工作面采空区自燃“三带”分布规律［3-4］，全面系统地对工作面煤层自燃特性进行研究，最大可能避免安全事故的发生［5］。本文基于豹子沟煤业10101综放工作面开采实践，进一步探讨采空区自燃“三带”分布特征。

1 工程概况

豹子沟煤矿位于山西省蒲县，矿井主水平划分为四个采区，目前，矿井只在主水平10+11（9+10+11）号煤层布置一个综采放顶煤工作面，工作面位于三条大巷的东翼，三条大巷名称为轨道、运输、回风大巷。首采工作面布置在一采区三条大巷右翼。主斜井井筒设计长度667 m，副斜井井筒设计长度493 m，回风立井井筒设计长度269 m。

豹子沟煤业布置的10101采煤工作面采用综采放顶煤采煤工艺，开采下组9+10+11号煤，9+10+11号煤自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，含硫量较高。矿井开采过程如果采空区丢煤较多或开采推进度迟缓，则容易产生煤层自然发火火灾事故。为了掌握采煤工作面9+10+11号煤层自然发火规律，并有针对性的采取有效防治煤层自然发火的技术措施，以提升豹子沟煤业防灭火管理水平。

2 采空区自燃“三带”划分

2.1 “三带”定义

（1）散热带。回采工作面采空后，顶板逐渐垮落，形成一定区域的垮落带，这部分空隙较大，漏风严重，此区域范围内浮煤产生的热量基本被风流带走，不会出现自燃现象，称为“散热带”。

（2）氧化自燃带。随着工作面的推进，原来的垮落区域逐渐被顶板上覆岩层压实，此区域风量较少，一方面风量无法将浮煤产生的热量带走，另一方面漏风还提供了足够的氧气供煤进行氧化。因此，这部分区域很有可能产生自燃现象，称为“氧化自燃带”。

（3）窒息带。工作面推移，再往里面的垮落区域已经被压实到一定程度，此区域漏风量极少，浮煤处于窒息状态，因此无法产生自燃现象，称为“窒息带”。

图1 “三带”分布

2.2 划分指标

（1）根据采空区漏风风速划分。散热带的风速：大于0.004 m/s；自燃带的风速：0.0016～0.004 m/s；窒息带的风速：小于0.0016 m/s。

（2）根据氧气浓度划分。散热带的氧气浓度：大于18% ；自燃带的氧气浓度：7%～18%；窒息带的氧气浓度：小于7%。

3 “三带”现场实测

3.1 采空区测点布置

在10101综放工作面两巷布置束管监测点，间距20 m，随着工作面的推进，监测点依次经过三带，监测采空区各项参数的变化，为三带的划分提供依据。

3.2 监测数据结果分析

（1）由采空区氧浓度数据分析，1、2、3号监测点位于进风巷道内，4、5、6号监测点位于回风巷道内。可以分别得到两巷监测点氧气浓度划分的三带范围。

表1 采空区自燃“三带”

（2）由6个测点的采空区温度变化曲线可知，散热带为工作面距采空区0～22.4 m范围内，氧化自燃带为工作面距采空区22.4～67 m范围内；窒息带为工作面距采空区67 m之后，与氧气浓度划分的三带范围基本一致。各监测点温度变化规律见图2、图3。

俗语道，“哑巴吃黄连，有苦说不出”。可见黄连是非常苦的，黄连是中医常用的一味中药，也属于名贵中药的一种，有清热解毒的功效。关于黄连的来历，还有一段趣闻呢!

图2 进风侧各测点温度变化规律

图3 回风侧各测点温度变化规律

4 “三带”数值模拟

4.1 模型建立

根据豹子沟煤矿10101工作面具体地质赋存条件，采用COMSOL数值模拟软件进行模拟进风巷道、采空区、工作面、回风巷道4个位置区域的参数变化。模型工作面长150 m，宽6 m；进风巷道与回风巷道宽4 m；采空区长260 m，宽150 m。模型网格划分见图6。并将进风巷道作为入口边界，采空区为出口自由边界，根据具体工作面实测，选取进风巷道氧气浓度为20.9%，风流温度是18.6℃，矿井平均空气密度ρ=1.225 kg/m3，工作面实际风速是1.62 m/s；取松散系数设置为1.5，气体的扩散系数D=2.88×10-5m3/s，空气粘性系数=1.7894×10-5kg/ms。

图4 模型网络划分

4.2 模拟结果分析

工作面配置风量的多少，对采空区自燃“三带”分布会有一定的影响，供风量增加即具有增强采空区热量散失的作用，同时也具有增加采空区遗煤供氧的作用，二者的综合作用结果共同导致风量对采空区自燃影响。

参考现场束管监测部分的推进度及划分结果，充分考虑在推进度较大情况下的采空区自燃三带分布情况，见图5～图7，分别为风量1000、1300、1600 m3/min的三带分布情况。黑线为氧气浓度为7%的等值线，红线为风量速度为0.004 m/s的等值线；绿线为采空区风流线，蓝箭头表示流场方向。

图5 风量1000 m3/min

图6 风量1300 m3/min

图7 风量1600 m3/min

由图可知，随着风量增大，氧浓度7%等值线也会向采空区深部移动，因此散热带的起始位置向采空区深部移动，在工作面风量为1000～1600 m3/min达到稳定时，最大氧化带宽度为41.5～50 m。因此可以得到氧化自燃带宽度随着工作面供风量的增加逐渐变宽。对比工作面实际供风量下“三带”分布的数值模拟结果与现场实际监测结果，发现模拟结果与实际监测结果基本吻合，误差在合理范围内，证明了数值模拟结果的可靠性。

综合对比数值模拟结果和现场实测得到的数据，分析确定了采空区“三带”的范围。认为10101综放工作面采空区遗煤氧化自燃“三带”的范围（距工作面后溜子距离）：散热带小于27.2 m，氧化自燃带27.2～74.5 m，窒息带大于74.5 m。

工作面最小回采速度，见式（1）：

式中：Vi为工作面推进速度，m/d；LZ为氧化自燃带宽度，m；Lb为散热带宽度，m；T为最短自然发火期，取81天；2为安全系数。

求得，10101综放工作面最小推进速度为1.84米/天。

5 结语

根据豹子沟煤矿10101工作面的现场实测数据分析及数值模拟结果，得出采空区自燃“三带”分布规律；10101综放工作面采空区遗煤氧化自燃“三带”的范围（距工作面后溜子距离）为：散热带小于27.2 m，氧化自燃带27.2～74.5 m，窒息带大于74.5 m；结合煤层最短自然发火期，确定工作面的最小安全推进度为1.84米/天。