综放工作面注氮条件下采空区自燃“三带”划分

卓聪志

（西山煤电（集团）有限责任公司，山西 太原 030053）

对开采自燃、容易自燃煤层的矿井，采空区自然发火是回采工作面的潜在隐患，因采空区自然发火而引发的事故往往会造成极其严重的人员伤亡和难以挽回的经济财产损失。由于综放工作面采空区遗煤较多，采空区存在自然发火的安全隐患[1-2]。因此，需要对汾源煤业5-102 综放工作面采空区自燃“三带”进行分析，并计算工作面的安全推进度，为工作面实现安全回采提供技术保障。

1 5-102 综放工作面基本情况

汾源煤业矿井绝对瓦斯涌出量为1.45 m3/min，相对瓦斯涌出量为0.89 m3/t，回采工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.93 m3/min，掘进工作面最大绝对瓦斯涌出量为0.10 m3/min，属低瓦斯矿井。矿井目前主要开采5 号煤层，属自燃煤层，最短自然发火期83 d，煤尘具爆炸性。

5-102 综放工作面位于一采区南侧，北部为回风下山，西部为设计的5-104 工作面，东部、南部均为未开采的实体煤，东部距可采区边界最小平距为138 m，盖山厚度381～417 m。5 号煤层煤厚9.9～19 m，平均厚度14.77 m，煤层倾角23°～27°，平均倾角25°。5-102 综放工作面煤层整体呈单斜构造，煤层走向为N13°W～N8°E，倾向为SW～NW。该工作面煤层顶底板情况如表1所示。

表1 5-102 综放工作面煤层顶板情况

5-102 综放工作面走向长650 m，倾斜宽108 m，采用“U”型通风系统，实际配风量为900 m3/min。5-102 综放工作面的割煤高度、 放煤高度分别为2.8 m、11.97 m，一刀一放，割煤步距0.6 m。采用全部垮落法管理顶板。

5-102 综放工作面采用注氮措施进行防灭火。矿井地面建有PSA97-1000 型碳分子筛变压吸附制氮装置1 套，配备SA-250A 型固定式风冷型螺杆空气压缩机1 台。氮气输送管路经地面制氮站由副斜井敷设Φ159 mm×4.5 mm 型煤矿井下用纤维增强树脂覆层复合无缝钢管经过辅运大巷连接至5-102 综放工作面运输巷口，进风巷用Φ133 mm×4 mm 型煤矿井下用纤维增强树脂覆层复合无缝钢管，与大巷Φ159 mm×4.5 mm 型管路通过三通连通。工作面推进度大于0.6 m/d时，采用8 h 间断性注氮； 推进度小于0.6 m/d时，停采撤架期间，或因遇地质破碎带、机电设备等原因造成工作面推进缓慢时，采用连续性注氮，注氮量510 m3/h。

2 综放工作面采空区自燃“三带”划分方法

2.1 采空区自燃“三带”划分标准

综合国内外研究成果，综放工作面采空区自燃“三带”划分标准为[3-6]：散热带氧气浓度＞18%；氧化带氧气浓度8%≤O2≤18%； 窒息带氧气浓度＜8%。

2.2 采空区自燃“三带”测点布置

利用束管监测系统采用局部布点法布置测点如图1所示。束管监测系统主要由测试钢管、保护套管和抽采泵组成，在5-102 综放工作面两道预先埋设束管，采用Φ50 mm 钢管约48 根、花管8个和2 根高压胶管，每个花管内均设置1 个气体取样头和1 个温度传感器。井下束管监测系统连接地面气相色谱仪分析测试系统，束管测点埋入采空区后，利用束管监测系统每日采集一次采空区气样分析氧气浓度数据。人工采样分析采空区氧气浓度也是每日采一次样。针对工作面实际推进情况，适当调整采样与分析的时间间隔。

图1 5-102 综放工作面采空区测点布置

（1）沿5-102 综放工作面进风巷底板布置束管测点1 和束管测点2，迈步间距30 m，且距注氮释放口21 m。沿5-102 综放工作面回风巷底板布置束管测点3 和束管测点4，迈步间距30 m。

（2）5-102 综放工作面采空区束管使用Φ50 mm无缝钢管进行保护，托管法兰盘来连接无缝钢管。束管及保护管沿巷道底板铺设，距帮0.1 m。

（3）5-102 综放工作面采空区束管测点1、束管测点3 进入采空区30 m 时，预埋束管测点2、束管测点4。如束管测点1、束管测点3 监测氧气浓度大于等于8%，严禁切断测点束管，直到测点氧气浓度小于8%。

每隔80 m 留设人工采样口，利用束管直通与预埋束管进行连接。人工采样时，利用CFZ20 型气体自动负压采样器进行采样。束管监测时，束管直通与预埋束管进行连接监测。

3 综放工作面采空区数据采集及分析

3.1 综放工作面采空区测点氧气浓度变化

自2021年1月10日到2021年3月16日，5-102 综放工作面进风侧束管测点1 距工作面距离及氧气浓度变化曲线如图2所示。

图2 工作面进风侧束管测点1 氧气浓度变化

自2020年12月6日到2021年1月16日，5-102 综放工作面回风侧束管测点3 距工作面距离及氧气浓度变化曲线如图3所示。

图3 工作面回风侧束管测点3 氧气浓度变化

3.2 综放工作面采空区自燃“三带”划分结果

根据采空区氧气浓度变化情况，按照上述综放工作面采空区自燃“三带”划分标准，5-102 综放工作面采用注氮防火条件下，进风侧采空区30 m前为散热带，30～80.5 m 为氧化带，80.5 m 后为窒息带；回风侧采空区18 m 前为散热带，18～31 m为氧化带，31 m 后为窒息带。工作面采空区自燃“三带”划分结果如图4所示。

图4 工作面采空区自燃“三带”划分结果

3.3 综放工作面安全推进度（最小推进度）

利用下式计算5-102 综放工作面安全推进度（最小推进度）。

式中：Vmin为综放工作面安全推进度 （最小推进度），m/d；Lmax为综放工作面采空区氧化带最大宽度，取值50.5 m；τmin为5 号煤的最短自然发火期，取值83 d；γ 为因井下与地面空气存在密度差而取的安全系数，取值1.2。

将上述各项参数代入式（1）经计算可以得出，Vmin=0.73 m/d。

综上分析，5-102 综放工作面在采取现行的防灭火措施条件下，当工作面推进度≤0.73 m/d 时，采空区可能发生自然发火； 当工作面推进度＞0.73 m/d 时，采空区自然发火危险性较低。而目前5-102 综放工作面平均推进度为1.2 m/d，因此，工作面在采取开放式、连续性注氮的措施情况下，采空区自然发火危险性较低。

4 结论

通过采用束管监测系统监测汾源煤业5-102综放工作面采空区氧气浓度变化情况，划分工作面采空区自燃“三带”范围，并计算工作面的安全推进度，得出的主要结论如下：

1）5-102 综放工作面采用注氮防火条件下，进风侧采空区30 m 前为散热带，30～80.5 m 为氧化带，80.5 m 后为窒息带。回风侧采空区18 m 前为散热带，18～31 m 为氧化带，31 m 后为窒息带。

2）5-102 综放工作面在采取现行的防灭火措施条件下，当工作面推进度≤0.73 m/d 时，采空区可能发生自然发火； 当工作面推进度＞0.73 m/d时，采空区自然发火危险性较低。而目前5-102 综放工作面平均推进度为1.2 m/d。

因此，工作面在采取开放式、连续性注氮的措施情况下，采空区自然发火危险性较低。