近距离复合采空区三带划分与遗煤自燃区域判定研究

范 丽

(晋能控股煤业集团 煤峪口矿， 山西 大同 037041)

煤炭是我国极为重要的基础能源之一，煤矿的安全生产直接影响到国民经济的快速发展，同时还关系到人民的生命财产安全[1]。相关数据表明，我国原煤产量长期位于世界首位，虽然国家推进能源结构转型，但短期内煤炭的主体消费地位不会改变。煤矿开采面临着煤层自燃的危险，据统计，我国有超过一半的重点矿井存在自然发火的危险，90%以上的矿井火灾来自于煤层自燃，因此，煤层自燃机理与防治技术相关研究具有极为重要的意义[2-3]。煤层自燃过程极为复杂，但其本质上是煤层复合氧化生热，温度得不到有效释放，煤层产生的热量持续积累加剧了煤层氧化过程，直至达到煤层自燃着火点，从而出现自燃现象[4]。采空区遗煤自燃是矿井火灾发生的主要原因之一，尤其在放顶煤中，大量采空区的存在，加上采空区本身的复杂条件，极易出现自燃现象[5]。

1 工程概况

煤峪口矿14-2号煤层81004工作面平均煤层厚度2.2 m，采用综采方式开采，位于410盘区北部，南部为14-2号煤层81006工作面，北部为14-2号煤层81002采空区，西部为盘区巷道，东部为矿界煤柱与忻州窑矿，工作面上方为11-12号合并煤层81004采空区，11号、12号煤层采用综放一次采全高合并开采，平均采高8.2 m，与试验工作面层间距在0.8～2.5 m范围。在上覆煤层开采后，由于采用放顶煤开采，采空区存在大量遗煤，在下伏煤层开采时(14-2号煤层)，上覆仅有0.8～2.5 m厚的岩层破碎坍塌、垮落，直接影响到下伏煤层的开采，下伏采空区沟通上覆采空区后，为上覆采空区遗煤补充了充足的氧气，加速了上覆采空区遗煤氧化，给矿井的安全高效生产带来极大的隐患。

2 近距离复合采空区三带划分

2.1 采空区遗煤、氧气浓度、漏风强度分布规律

1) 近距离复合采空区遗煤分布特征。复合采空区遗煤自燃的一个必要条件就是遗煤达到一定的厚度。14-2号煤81004工作面采用综采方式开采，采空区基本不留遗煤，而上覆11-12号煤层工作面采用放顶煤开采，煤层平均厚度8.2 m，割煤高度2.9 m，放煤高度5.3 m，回采巷道高3.2 m，综采回采率在0.95以上，顶煤回收率在0.65以上。根据现场具体条件，确定遗煤孔隙率以0.25计算，经计算回采巷道上覆遗煤厚度6.67 m，中部回采区域上覆遗煤厚度2.45 m，近距离复合采空区遗煤厚度如图1和图2所示。

图2 近距离复合采空区遗煤厚度分布截面

2) 近距离复合采空区氧气浓度分布规律。采用采空区埋管抽气方式测试采空区内部氧气浓度分布情况，图3和图4分别给出了采空区进风侧和回风侧的氧气浓度变化曲线，图5给出了近距离复合采空区氧气浓度等值线图。如图所示，进风侧0～20 m范围内氧气浓度在20%左右，而回风侧将降低至12%以下，随着工作面的不断推进，两侧氧气浓度不断降低，距工作面50 m范围后，进回风侧采空区氧气浓度均低于4%，由图5可知，回风侧采空区的氧气浓度降低速度明显高于进风侧。

图3 进风侧氧气浓度变化曲线

图4 回风侧氧气浓度变化曲线

图5 近距离复合采空区氧气浓度等值线

3) 近距离复合采空区漏风强度分布规律。试验工作面回采形成近距离复合采空区，采空区内遗煤属于复杂多孔介质，在现场实际条件中，风速较小时，遗煤才会出现自燃现象，因此采空区漏风强度直接影响到遗煤自燃。目前常采用氧气浓度测试法来计算松散煤体的漏风强度，基于近距离复合采空区氧气浓度，可以计算得到近距离复合采空区的漏风强度。图6给出了近距离复合采空区漏风强度等值线图。

图6 近距离复合采空区漏风强度等值线

2.2 近距离复合采空区三带划分

1) 基于氧气浓度划分。以采空区氧气浓度作为指标划分三带时，氧气浓度在0%～8%范围，遗煤处于缺氧状态，属于窒息带；氧气浓度在8%～18%范围，遗煤处于供氧充分状态，散热效果欠佳，易出现遗煤复合氧化作用，属于自燃带；氧气浓度在18%以上，遗煤处于供氧充分状态，但其散热效果良好，属于散热带。基于此，可划分采空区三带，具体划分见表1。

表1 基于氧气浓度划分的复合采空区三带

2) 基于漏风强度划分。以采空区漏风强度作为指标划分三带时，漏风强度在0～0.167 cm/s范围，氧气浓度较低，属于窒息带，漏风强度在0.167～0.400 cm/s范围，散热效果欠佳，易出现遗煤复合氧化作用，属于自燃带，漏风强度在0.400 cm/s以上散热效果良好，属于散热带，基于此，可划分采空区三带，具体划分见表2。

表2 基于漏风强度划分的复合采空区三带

3) 基于氧气浓度和漏风强度划分。为更好地划分采空区三带，以氧气浓度和漏风强度作为两种指标综合划分，窒息带和自燃带划分时，以氧气浓度为主要指标，自燃带和散热带划分时，以漏风强度为主要指标，基于此，可划分采空区三带，具体划分见表3。

表3 复合采空区三带综合划分

3 遗煤自燃区域判定

松散煤体自燃需要足够的厚度、充足的供氧量和适宜的漏风强度。一定厚度的遗煤可积聚热量，充足的供氧量为煤体氧化提供养料。基于井下试验可得到，上覆采空区遗煤最短自然发火期为60 d，氧气浓度低于60 ℃的下限氧浓度时或漏风强度高于60 ℃的上限漏风强度时或遗煤厚度低于0.615 m，遗煤不会自燃现象，遗煤厚度为2.45 m时，对应的下限氧浓度和上限漏风强度分别为6.16%和0.15 cm/s，遗煤厚度为2.45 m时，对应的下限氧浓度和上限漏风强度分别为4.52%和0.31 cm/s。基于此，可判定遗煤自燃区域，如图7所示，进风侧采空区自燃带(氧化升温带)达到78.0 m，在距工作面92.0 m进入窒息带，回风侧采空区自燃带(氧化升温带)达到28.0 m，在距工作面48.0 m进入窒息带。

图7 近距离复合采空区漏风强度等值线

4 结 语

近距离复合采空区遗煤自燃是矿井火灾的主要因素之一，分析了采空区遗煤厚度、氧气浓度、漏风强度分布特征规律，分别以氧气浓度、漏风强度作为主要指标划分了近距离复合采空区三带，研究得到上覆采空区遗煤最短自然发火期为60 d，氧气浓度低于60 ℃的下限氧浓度时或漏风强度高于60 ℃的上限漏风强度时或遗煤厚度低于0.615 m，遗煤不会自燃现象，基于此，判定了近距离复合采空区遗煤自燃区域，丰富了采空区遗煤自燃机理与防治技术。