综采工作面采空区“三带”观测及分析

姬 凡

（陕西有色榆林煤业有限公司，陕西 榆林 719000）

引言

采空区漏风是导致采空区遗煤自燃的主要原因。在正常回采期间，为了确保综采面采空区浮煤不发生自燃，杭来湾煤矿划分煤自燃“三带”，即散热带、氧化升温带、窒息带，同时根据确定的危险区域针对性的采取采空区注氮、堵漏风等防治措施。本文根据杭来湾矿30105工作面开采过程中的开采厚度以及采空区实际的遗煤情况，采用现场观测的方法并确定实际条件下杭来湾矿30105综采面“三带”分布规律和自燃危险区域，为该工作面采空区自燃火灾防治提供依据。

1 自燃“三带”观测方法

1.1 工作面概况

杭来湾煤矿30105工作面位于首采盘区（一盘区），在井田的东北部。工作面西北侧为主回撤通道，东北侧为30105工作面回风顺槽和30104工作面采空区，西南侧为30105工作面胶运顺槽，东南侧为30105工作面切眼。工作面长度4313.3m，宽度299.1 m，煤层平均厚度9.2 m，设计采高5.0 m。煤层具有自然发火倾向，最短自然发火期为52 d[1-2]。

1.2 采空区现场监测方法

采空区的气体观测采用两顺槽预埋管路的方法，同时布置束管与温度测点，气体采用负压抽气泵取样进行色谱分析。设计采空区测定范围为225 m，每间隔75 m设一个测点，进、回风顺槽各设置3个测点，分别编号1~6号。根据工作面回采进度，待测点进入采空区后开始进行连续观测。后根据现场情况采空区两侧各补加100 m管路，两侧总计325 m。具体分布如图1所示。

2 监测结果及分析

2.1 采空区浮煤分布状况

杭来湾矿30105工作面设计采高5 m、回采率93%，工作面每日推进速度平均在17.7 m/d。通过查看采空区表明，空区存在部分遗煤，局部厚度达到0.5 m。一是采空区遗煤厚度达到一定程度，二是浮煤氧化产生的热量能够很好地被储存；三是氧气浓度能够保证氧化持续；四是漏风强度不能过大，以免产生的热量让风流带走[3-4]。

2.2 采空区氧气气体浓度规律

煤体周边氧气浓度较高，导致遗煤产生缓慢氧化，并生成部分反应热，是导致热量积聚的主要原因。30105工作面氧气浓度检测结果如图2、图3所示。

由图2可知，1号测点埋深达到310 m左右时氧气浓度可达19%，2号测点埋深达到200 m时氧浓度依然高于19%。表明该采空区进风侧存在漏风问题，通过分析表明漏风原因包括两个方面：采空区进风侧顶板垮落不及时导致导致采空区的孔隙较大；采用混凝土及黄土的密闭不严[5-6]。

由图3可知，三个测点中氧浓度最先降到15%的是4号测点，4号测点进入采空区120 m时，氧气浓度为15%。该工作面回风气体中氧浓度较高，但与进风侧相比氧气降低较快，空区回风侧的漏风量相对较小。

2.3 采空区漏风强度分布规律

采用氧气浓度测算法对松散媒体的漏风强度进行核算，该方式具有误差小、计算精度高的特点，计算公式如（1）式所示。

根据30105工作面煤样自燃性实验测试，测定的耗氧速度为1.150 76×10-10mol/（s·cm3），结合式（1）可推算出进、回风侧的采空区漏风强度与推进距离的关系如图5和6所示。

通过对图4和5分析可知，该工作面进、回风侧漏风强度与工作面推进深度呈反比，在距工作面50 m之内的漏风强度较大，在50～100 m范围之内漏风强度显著降低，并在150 m左右开始趋于平缓，进风侧漏风强度明显普遍高于回风侧。根据漏风强度的分析结果可知，进风侧漏风严重，这应当是防灭火工作的重点区域[7-8]。

3 采空区煤自燃“三带”分布

根据30105综采工作面现场监测结果发现，现场采空区遗煤分布不均匀，漏风严重，考虑到实验误差及安全性，采用普遍接受的的氧浓度为18%及5%作为杭来湾矿“三带”的划分界限。当氧气含量大于18%时，划定为散热带；当氧浓度介于5%～18%时，划定为升温带；当氧浓度于10%时，划定为窒息带[9-12]。根据现场氧浓度的监测结果划定采空区“三带”如图6所示。

由图6可知，进风侧散热带最深处距工作面350m，最浅处距工作面170 m，回风侧散热带最深处距工作面205 m，最浅处距工作面50 m，由此可知，采空区进风侧散热带宽度大于回风侧，这是因为进风侧漏风严重，遗煤氧化热量散失量大于回风侧。受风流的影响，进风侧窒息带最深处距工作面480 m处，最浅距工作面300 m，回风侧窒息带最深处距工作面460 m，最浅处距工作面265 m，由此可知回风侧窒息带宽度大于进风侧[13-15]。根据现场观测结果，取中间值即2号测点及5号测点结果，确定杭来湾矿30105工作面采空区三带现场观测结果如表1所示。

表1 30105采空区现场观测自燃“三带”范围 m

4 30105采空区极限推进速度

通过对采空区氧浓度变化曲线的分析，回风侧散热带至窒熄带氧浓度均值=12.5%。实验氧气浓度与实际氧气浓度的相似比例系数计算公式如式2所示。

30105工作面遗煤的最短自然发火期τmin=52 d，则极限推进速度

因此，当工作面推进速度大于4.12 m/d时，采空区遗煤的发火危险性较小；当工作面推进速度小于4.12 m/d，采空区自燃发火风险较高，必须采取相应防灭火技术措施。

5 结论

1）由于进风侧的漏风强度较大的缘故，进、回风侧氧气浓度降低幅度存在较大差异，具体表现为回风侧氧气浓度的下降幅度较进风侧下降幅度大。

2）以O2作为指标气体，通过束管检测系统，有效对30105采空区遗煤自燃“三带”进行划分。采空区进风侧：散热带与氧化升温带的临界点为270 m，氧化升温带与窒息带的临界点为360 m；采空区回风测：散热带与氧化升温带的临界点为130 m，氧化升温带与窒息带的临界点为305 m。

3）计算得出30105工作面日推进速度大于4.2 m的情况下，采空区遗煤发生自燃的可能性较小。