31102采面采空区自燃“三带”实测结果分析

（山西潞安集团潞宁煤业公司，山西 忻州 036000）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤业31102工作面开采3#煤层，位于总回风下山巷道西南侧，3#煤层平均厚度1.6m，平均倾角为13°，煤层层理分明，节理发育，构造总体比较简单；煤层顶板为泥岩和砂岩，底板为泥岩。工作面采用“U”型通风方式，进风顺槽进风，回风顺槽回风。根据矿井地质资料可知，3#煤层属自燃煤层，自然发火期为70d，现为充分分析31102工作面采空区自燃“三带”的分布规律，进行现场测试与分析。

2 采空区自燃危险区域分析

2.1 观测方案

为测定、分析31102工作面采空区自燃危险区域，本项目拟通过在采空区内埋管抽气的方式，对采空区内的指标气体的浓度变化进行监测，指标气体包括CO、O2、CH4、C2H6等[1]，本项目主要监测CO2、CH4、C2H6气体。

根据31102工作面的地质条件，在进风顺槽和回风顺槽内分别设置4个指标气体监测点，测点间距为200m，当工作面回采推进至测点位置时，进行监测作业，随着回采作业的进行，监测点会全部进入采空区内，随后进行持续监测作业，指标气体监测站的布置见图1。除指标气体监测站外，同时辅以人工取样的方式进行巷道其余地点指标气体的收集作业。

工作面回采期间，观测分析作业内容如下：①观测参数：工作面的推进速度、温度、指标气体的浓度和供风量等；②分析对象：31102工作面回采期间，采空区内部的漏风轨迹、浮煤的分布形态及一氧化碳和甲烷等气体浓度的变化规律。

图1 31102工作面指标气体监测站布置

2.2 采空区温度分析

根据监测数据，能够得出进风巷侧与回风巷侧不同测点温度的变化曲线，具体以进风巷侧1#～3#、回风巷侧5#～7#测点进行分析，见图2。

图2 采空区内温度分布曲线

分析图2（a）可知：1#～3#测点数据显示，进风侧采空区0～20m的区域，温度基本稳定在22℃～25℃，且温度呈现出紊乱分布的状态，采空区内的产热速率小于散热速率，故该区域范围内的煤体不存在自燃危险；进风测采空区20～118m范围，温度均呈现出稳步上升的趋势，温升速率基本稳定在0.1～0.3℃/d，即确定该区域为高温危险区域；随着测点逐步进入采空区深部，测点温度波动逐渐减小，甚至出现不波动的情况，表明已经进入窒息带。

分析图2（b）可知，5#～7#测点数据显示，回风侧采空区0～23m的区域，温度基本稳定在22℃～25℃，且温度呈现出紊乱分布的状态，采空区内的产热速率小于散热速率，故该区域范围内的煤体不存在自燃危险；回风侧采空区23～100m范围，各测点的温度均明显升高，表明随着测点进入到采空区一定深度，采空区内的浮煤氧化速度在逐渐加快，基于此可知，该区域为采空区内的高温危险区域，存在着一定的自燃风险；当测点进入采空区120 m以上时，测点温度基本呈现出稳定的状态，仅在很小的范围内产生波动，故该区域不存在自燃危险。

2.3 采空区指标气体分析

根据31102工作面回采期间指标气体监测站所得的监测结果，能够绘制出工作面回风侧指标气体与滞后工作面距离的关系曲线，见图3。

图3 工作面回采期间测点指标气体分布曲线

分析图3可知，5#测点与6#测点在与工作面间距离大于40m时，开始监测到C2H6气体，可知在该区域采空区内部的浮煤已经进入氧化阶段；5#和6#测点进入采空区60～100m范围时，CH4气体浓度出现明显下降的现象，由此可知，此区域采空区内的浮煤已经进入到氧化加速和蔓延阶段。

3 采空区自燃“三带”划分

3.1 划分方法与步骤

根据采空区内不同深度处遗煤的氧化程度，能够从采煤工作面往采空区深部划分为三个区域，分别为：散热带、氧化带和窒息带，采空区的自燃“三带” 会随着工作面回采作业的进行逐渐移动，“三带”具体特征及划分条件如下[2-3]：

（1）散热带：该带的划分条件为采空区内的产热量≤散热量，有具体该条件的区域组成的采空区区域组成了散热带，该带在采空区漏风量充足提供氧气的条件下，会持续进行遗煤的氧化过程，进而迅速的完成氧化反应的放热过程。

（2）氧化带：该带划分标准为，在温度一定下，所有采空区内产热量＞散热量的点集组成的区域。

（3）窒息带：该带是在一定温度时，蓄热和遗煤的厚度满足自燃的条件，但是由于缺少氧气，进而出现产生的热量≤散发热量的点集组成的区域组成了窒息带。

在进行综采工作面采空区自燃危险区域划分作业时，具体的划分方法及步骤如下：

（1）根据综采工作面及采空区特征，进行采空区遗煤厚度等值线图和区域图的推算。

（2）对采空区的漏风情况、CO浓度和氧气浓度等指标性气体进行长期监测作业，基于观测结果确定出采空区遗煤实际等值线趋势图。

（3）通过测量分析工作面中岩层温度Tg、空气温度Ty，并对煤体的放热强度q0(T)进行测定，随后求出浮煤厚度h、工作面距离x、煤体温度Tm为自变量时，其对应的极值，分别为hmin（最小浮煤厚度）、Cmin（最小氧浓度）、Qmax（最大漏风强度），进而确定固定温度下采空区内的极大值，见式（1）。

（4）根据上述分析得出的的采空区漏风情况及指标气体的等值线图，进行总结分析，具体给出趋势分布图中满足条件的范围，进而对采空区“自燃”三带的范围的可视化。

（5）根据趋势图中得出的氧化带跨度Lx的点集，进而能够推算出氧化带的最大宽度为Lmax，得出工作面极限推进速度、采空区自燃危险条件和氧化带的临界宽度表达式分别如下：

极限推进速度：vmin=Lmax/τmin

自燃危险条件：Lx>Lxmin

氧化带临界宽度：

3.3 采空区自燃“三带”范围

为有效分析采空区内自燃的条件，需要使得采空区内散落的煤体达到一定的厚度h，同时能够有充足的氧气保障煤体氧化进程，现结合31102工作面煤样的试验测试分析结果，根据采空区自燃的相关理论[4]计算遗煤厚度与上限漏风强度、下限氧气浓度间的关系，见表1。

表1 浮煤厚度与上限漏风强度和下限氧浓度的关系

根据采空区内的气体的监测结果，得出采空区中部全部为散热带，两道顺槽压裂产生的遗煤厚度大小为0.3～0.4m，按最大遗煤厚0.4 m计，采空区自燃的下限氧气浓度可达7.12%，上限漏风强度可达0.049 cm/s，通过分析、计算，得出31102工作面采空区自燃“三带”分布形态，见图4。

图4 采空区自燃“三带”范围曲线

分析图4可知，随着与工作面距离的增大，采空区进风侧和回风侧的氧气浓度、漏风强度均出现逐渐降低的趋势，且漏风强度降幅相对较快。曲线中下限氧浓度区域与上限漏风强度重叠区域的横坐标即为采空区氧化升温带的宽度，从图中能够看出进风侧氧化带的区域为20～108m，回风侧氧化带区域为20～84m范围内，基于上述可知，工作面进风侧氧化带和回风侧氧化带的跨度分别为88 m和56m，综合上述分析确定工作面最大氧化升温带的宽度为88 m。31102综采工作面采空区自燃“三带”的划分范围见表2。

由于31102工作面采用U型通风方式，其进风侧漏风风流较大，可燃气体容易被稀释，回风侧由于采空区的漏风，进风侧采空区内的可燃气体随风流被带到回风侧，进而导致进风侧与回风侧采空区自燃“三带”的分布存在一定的差异，现具体划分进风侧采空区三带和回风侧采空区三带分布，以准确的划分采空区自燃危险区域，以指导采空区防灭火设计。

表2 31102工作面采空区自燃“三带”的划分

4 结语

根据31102工作面及其采空区的具体特征，通过在采空区内埋管抽气的方式进行采空区内指标气体的监测作业。根据监测结果，绘制采空区不同区域温度和指标气体含量曲线，分析判定了采空区高温危险区域，划分了31102采面采空区的自燃“三带”，即31102采面进风侧采空区和回风侧采空区散热带范围分别为20 m和25m，氧化带范围分别为20～80 m和25～120m，窒息带分别在＞80 m和＞120 m区域。