柠条塔煤矿S12002采空区自燃危险区域划分*

宋 涛，王建文，王 凯，韩 涛，冯 雄

(1.陕煤集团神木柠条塔矿业有限公司，陕西 榆林 719300；2.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；3.陕西省煤火灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

0 引言

煤自燃是我国煤矿工作面开采过程中面临的主要灾害之一，其产生的有毒有害气体甚至引发瓦斯煤尘爆炸等次生灾害，严重威胁着井下人员的生命安全[1-3]。采空区是煤矿井下发生自燃灾害的主要区域之一，防治采空区煤自燃的重要前提是确定煤氧化升温范围[4-6]。前期研究表明，采空区遗煤自燃的主要原因是工作面开采过程中向采空区内部的漏风供氧，因此采空区内漏风与氧浓度分布是确定煤自燃危险区域范围的重要依据。为此，针对柠条塔煤矿S12002综采工作面，采用两巷采空区预埋束管气体检测的方法，掌握回采过程中采空区的氧浓度分布，以划分煤自燃的危险区域范围。

1 采空区煤自燃“三带”方法

1.1 工作面概况

柠条塔煤矿S12002工作面位于井田南翼2-2号煤大巷以南，东侧南侧均为实煤区，西为S12003已采工作面。S12002工作面布置3条顺槽，分别为辅运顺槽、胶运顺槽和回风顺槽。工作面可推采距离3 956 m，倾斜长度344.4 m，面积1 362 429 m2。煤层厚度3.6～4.4 m，设计采高4.1 m。工作面总储煤量726万t，可开采煤量675万t。工作面煤层倾角小于2°，接近水平，北段为向南东倾伏的向斜，中部为向南西倾伏的向斜，南段为向北西倾伏的背斜。煤层具有自然发火倾向性，测试最短自然发火期为34 d。工作面采用倾斜长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板。

1.2 采空区现场监测方法

采空区的气体观测采用胶运与回风两顺槽预埋束管采样点的方法，两侧各布置3个采样点，采样点间距50 m，标记为1#～6#。工作面推进过程中，待两侧采样点进入采空区后，每天早班取气2次送至地面进行色谱分析，工作面采空区内测点位置如图1所示。

图1 工作面采空区煤自燃“三带”测点布置Fig.1 Layout of measuring points in “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf of working face

观测束管外用钢管进行保护，采用6芯束管，每个测点预留2根束管，采样口抬高至1.5 m，采样口与束管保护措施如图2所示。在正常开采情况下，待测点进入采空区后开始进行连续观测，若监测采空区测点O2浓度下降到5%以后，观测结束。若3个测点的气体均出现异常，未能正常监测到采空区O2浓度降低，则应续接管路直至观测结束。

图2 采样口与束管保护示意Fig.2 Schematic diagram of sampling port and beam tube protection

2 监测结果及分析

2.1 工作面推进情况

现场观测从2020年6月1日至2020年6月17日，期间工作面共推进260 m，采空区内气体观测结束。观测期间S12002工作面推进度如图3所示，工作面平均推进速度为15.3 m/d。工作面推采速度越快，越能保证采空区遗煤快速进入到窒息带中，越有利于煤自燃预防，消除自燃火灾隐患。

图3 工作面推进度Fig.3 Advancing degree of working face

2.2 S12002采空区氧气浓度规律

煤自燃过程热量产生的主要原因是煤氧复合作用，因此，采空区内氧气含量是影响遗煤氧化放热的重要因素[7]。现场观测采空区内两侧的O2含量随埋入深度的变化曲线如图4、5所示。

由图4可知，随着工作面推进，采空区进风侧测点的O2浓度呈下降趋势，且下降幅度从平缓逐渐过渡到快速降低。现场观测到进风侧的1# 测点埋深达到260 m时氧气浓度下降到5%以下。图5中，回风侧4# 测点埋深达到135 m时氧气浓度降到5%以下。相比进风侧氧气浓度变化规律，采空区回风侧O2浓度下降速度较快，与采空区内遗煤氧化与漏风较小相关[8]。

图4 进风侧O2浓度随埋深变化趋势Fig.4 Variation trend of O2 concentration on the air inlet side with burial depth

图5 回风侧O2浓度随埋深变化趋势Fig.5 Variation trend of O2 concentration on the return air side with burial depth

2.3 S12002采空区漏风强度分布规律

求解松散煤体漏风强度主要方法有风量测算法、风网解算法以及氧气浓度测算法等。由于井下开采环境较为复杂，风量测算法与风网解算法在实际条件下难以实施，误差较大，因此现场采用较少[9-10]。而氧气浓度测算法是根据实际测得的氧气浓度值计算松散煤体不同位置处的漏风强度，在实际应用中比较简便和准确，避免了因矿井风流波动所造成的误差。

漏风强度计算公式见式(1)。

(1)

根据S12002工作面煤样的自燃特性实验结果，计算得到煤样在34.8 ℃下所对应的耗氧速度为1.150 76×10-10mol/(s·cm3)。将实测采空区进、回风侧测点氧气浓度代入式(1)，计算得到采空区两侧漏风强度分布，如图6、7所示。根据采空区漏风强度计算结果可以发现，采空区漏风强度随工作面推进不断降低，在距工作面40 m范围内，漏风强度变化最大，总体不断下降，最后趋于平缓。对比发现，采空区进、回风侧测点在距工作面相同位置处，进风侧的漏风量较大，这与现场氧浓度随埋深变化情况一致。这主要是由于进风侧压力相对较高，风流更容易进入采空区；其次由于进风侧辅运与胶运顺槽之间的联络巷密闭性不足，从而导致采空区进风侧漏风相对较为严重。根据漏风强度的分析结果可知，进风侧漏风相对严重，自燃危险区域范围宽度较大，是防灭火工作的重点区域[11]。

图6 采空区进风侧漏风强度分布Fig.6 Distribution of air leakage intensity on the air inlet side of the goaf

图7 采空区回风侧漏风强度分布Fig.7 Distribution of air leakage intensity on the return air side of the goaf

3 S12002采空区煤自燃“三带”范围

煤自燃的发生条件需要满足煤自燃倾向性、连续的供氧环境以及适宜的蓄热条件，且时间大于煤自然发火期。根据S12002工作面现场观测结果发现，采空区遗煤分布不均匀，漏风范围相对较大，参考煤自燃性实验结果，采用氧浓度18%和5%作为划分S12002工作面采空区三带的临界值(即采空区O2>18%时为散热带；5%

根据现场测点氧浓度观测结果及趋势线划出采空区煤自燃“三带”分布如图8所示，采空区自燃“三带”范围见表1。

图8 S12002工作面采空区“三带”范围划分Fig.8 Division of the “three zones” range of the goaf in the S12002 working face

表1 S12002工作面采空区煤自燃“三带”范围Table 1 Scope of “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf of S12002 working face

由图8可知，采空区散热带的范围为：进风侧0～92 m，回风侧0～35 m。受漏风影响，采空区进风侧窒息带距工作面大于246 m，回风侧窒息带距工作面大于125 m，对比发现进风侧氧化升温带较宽。由于散热带漏风较大，环境中虽然有充足氧气与煤体接触，但是热量随风流损失较为严重，煤自燃难以发生；而窒息带漏风强度较小，有良好的蓄热条件，但氧气浓度较低，煤自燃也不会发生。采空区内氧化升温带既有充足的供氧条件，又有良好的蓄热环境，是遗煤易自然发火的区域，也是煤自燃防控措施的重点区域。因此，采空区内氧化升温带范围越大、工作面推进速度越慢，遗煤氧化自燃的时间就越充分，发生自然发火的危险性就越高。

4 S12002工作面极限推进速度

通过对采空区氧化升温带范围的最大宽度Lmax与煤最短自然发火期τmin做比值，可计算得出工作面防止煤自燃的最小安全推进速度。其极限推进速度计算为[15-18]

(2)

由此可知，当S12002工作面的日推进速度大于4.5 m/d时，在正常条件下，采空区遗煤不会发生自燃；但当工作面开采速度小于4.5 m/d，且连续超过34 d时，采空区将可能出现自然发火危险，必须提前采取防治措施。观测过程中S12002工作面实际日推进速度平均在15.3 m/d左右，远远大于工作面极限日推进速度，发生自燃火灾的危险性较低，但也需采取预防措施对采空区进行封堵和惰化处理，防止工作面临时停采时出现采空区自燃问题。

5 结论

(1)通过预埋束管方法，以O2作为划分指标，确定柠条塔煤矿S12002综采工作面采空区自燃“三带”范围。进风侧采空区：0～92 m为散热带，92～246 m为氧化升温带，246 m后部为窒息带；回风侧采空区：0～35 m为散热带，35～125 m为氧化升温带，125 m后部为窒息带。

(2)计算得出S12002工作面最小安全推进速度为4.5 m/d，即当工作面推进速度低于最小安全推进速度时，应当强化防治措施。