浅埋特厚煤层采空区煤自燃危险区域立体分布特性研究

郑立永，田中华，朱红金，连 鹏，樊 超，杨政军

(北京天地华泰矿业管理股份有限公司，北京 100013)

我国厚煤层产量占煤炭总产量的40%左右[1]，厚煤层综放开采回收率低一直是我国煤炭开采面临的重大难题[2，3]。厚煤层综合放顶开采会导致采空区遗留大量浮煤[4]，特别是开采浅埋的特厚煤层，采空区容易出现大规模漏风[5-7]，采空区顶部容易聚集氧气，这进一步增加了采空区立体空间的煤自然发火风险。

研究特厚煤层工作面采空区自燃“三带”划分对防治采空区遗煤自燃具有重大意义。赵亚杰[8]研究了地表漏风影响下浅埋特厚煤层综放工作面采空区漏风规律、采空区气体分布规律以及采空区自燃“三带”的分布范围；孙珍平[9]通过在邻空巷道向邻近采空区钻孔抽气对特厚煤层均压综放工作面采空区自燃“三带”进行了研究，得到了均压与负压通风条件下采空区自燃“三带”的分布规律；柳东明[10]通过对某工作面采空区自燃“三带”的观测，得到了浅埋藏特厚自燃煤层综放工作面采空区遗煤氧化情况及其危险区域；葛学玮[11]、李崇茂等[12]采用综合现场和数值模拟方法，基于氧浓度划分了特厚煤层综放工作面采空区自燃“三带”范围。

以上研究对于划分浅埋特厚煤层工作面采空区自燃“三带”具有重要参考价值，但是基于浅埋特厚煤层工作面采空区漏风严重和丢煤较多的特点，采空区自燃“三带”分布规律发生了较大变化[5]，不仅需要考虑水平方向，也需要考虑垂直方向。此外，近些年的研究中，很少涉及浅埋特厚煤层工作面采空区煤自燃危险区域的立体分布。鉴于此，笔者采用理论分析、实验和现场相结合的方法，以五家沟煤业15304特厚工作面为背景，进行采空区水平自燃“三带”和垂直自燃“三带”的划分，研究结果对于提高采空区自燃“三带”的准确度和指导浅埋特厚煤层的煤自燃防治具有重要意义。

1 工作面概况

山西朔州山阴金海洋五家沟煤业开采的5-1煤层为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为69 d，煤尘具有爆炸危险。5-1煤层的瓦斯绝对涌出量为3.57 m3/min，相对涌出量为0.53 m3/t，回采最大绝对涌出量为0.75 m3/min，掘进最大绝对涌出量0.21 m3/min，属低瓦斯煤层。5-1煤层厚10.0～14.05 m，平均厚12.0 m，厚度变化大，煤层倾角0°～4°，倾角平均2°，平均埋深120 m，属浅埋特厚近水平煤层。目前正在回采的15304工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化放顶煤开采工艺。

2 理论分析与观测方法

采用氧气浓度划分采空区“自燃”三带是现场的常用方法[8-12]。采空区内存在维持浮煤氧化的最低氧浓度，即极限氧浓度Cmin。当周围环境氧浓度低于Cmin时，煤因缺氧而不能自燃，Cmin可通过煤样程序升温实验测定。采空区漏风会使煤自热产生的热量不断耗散，即使氧气充足，也难以自燃。因此还存在一个使煤体自燃的上限氧浓度Cmax。于是采空区自燃“三带”可划分为：散热带氧浓度大于Cmax；氧化带氧浓度处在Cmin与Cmax之间；窒息带氧浓度小于Cmin。

2.1 煤自燃氧浓度阈值的确定

煤在低温下的氧化反应十分复杂，煤自燃时的氧化升温速度需满足[13]：

ρccc(∂T/∂τ)=q(Tc)+div[λcgrad(Tc)]-

div(ρgcgTc)≥0

(1)

式中，ρc为松散煤体的密度，kg/m3；cc为松散煤体的比热容，J/(g·℃)；q(Tc)为实验测定的放热强度，J/(m3·s)；Tc为煤的平均温度，℃；λc为松散煤体导热系数，J/(s·m·℃)；ρg为工作面风流密度，kg/m3；cg为工作面风流比热容，J/(g·℃)。

其中，煤的氧化放热强度与氧浓度的关系为[13]：

在煤氧化过程中，假设氧气除了参与生成一氧化碳(CO)和二氧化碳(CO2)外，其余部分均被化学吸附[14]，其反应过程可为：

煤+O2→CO+CO2+热量

(3)

在不考虑煤氧化反应过程中的其他中间反应时，放热强度q0(Tc)可采键能平衡法估算[14，15]：

式(4)中的CO和CO2在温度T时的焓差可根据基尔霍夫定律求解[16]：

(5)

式中，T为系统温度，K；λA为化学方程式中物质A的系数，反应物系数取正值，产物系数取负值；Δh(A)为在标准大气压下物质A的摩尔热容，J/(mol·K)。

于是：

式中，Δh(C)为C的标准摩尔热容，取8.52 J/mol；Δh(O2)为O2的标准摩尔热容，取29.38 J/mol；Δh(CO)为CO的标准摩尔热容，取29.14 J/mol；Δh(CO2)为CO2的标准摩尔热容，取37.13 J/mol。

将式(2)带入式(1)得：

将采空区传热简化为无限大平板的一维传热，则煤自燃的上、下限氧浓度为[18]：

因此，可根据式(4)—式(10)计算出煤的氧化放热强度，从而进一步求解出煤发生自燃的上、下限氧浓度。

2.2 煤自燃程序升温实验

实验煤样取自五家沟煤业15304工作面辅运巷，取样方法依据《煤层煤样采取方法》(GB 482—1995)执行。新鲜煤样由保鲜膜包裹被运回实验室，依据《煤样的制备方法》(GB 474—2008)制成0～1 mm、1～3 mm、3～5 mm、5～10 mm的4种煤粒共计1 kg，密封保存。选用4种粒径等比例混合的煤样进行自然发火模拟实验。实验设备如图1所示。

图1 煤样低温氧化升温装置

在煤样升温之前，将煤样罐中的煤样注入流量为120 mL/min的N2气氛(99.99%)中干燥9 h，干燥温度设定为105 ℃。煤样干燥程序结束后，待煤样完全冷却至室温(20 ℃)，便开始注入干空气(120 mL/min)进行升温实验，升温速率为1 ℃/min，直到温度升至200 ℃。每升高10 ℃恒定温度3 min，再收集出口气样，采用气相色谱仪分析气体成分。

2.3 采空区漏风强度推算

采空区的漏风强度受到风压、风速、采空区孔隙等影响，在现场测量过程中一般采用氧浓度测算法[13]，即在采空区进、回风侧各布置一对间距为10 m的固定测点，通过随着工作面的推移实测采空区测点的氧浓度和实验煤样的耗氧速度，来推算出采空区松散煤体的漏风强度，其计算式为[13]：

2.4 采空区立体自燃 “三带”观测方案

在15304工作面进、回风巷水平方向上设置煤自燃“三带”观测点各3个，水平间距为20 m。气体监测束管沿着两帮铺设，采用4寸钢管作为套管进行保护。测点布置如图2所示。

图2 15304工作面采空区水平方向布置的测点

在采空区垂直方向上，煤岩状态从下至上可划分为垮落带、裂隙带和弯曲下沉带，其中垮落带为煤炭发生自燃的区域。因此，设计垂直方向上自燃“三带”测定的钻孔高度首先需计算垮落带高度。垮落带的估算式为[19]：

式中，M为煤层平均开采厚度，取12 m；kp为岩石碎胀系数，一般取1.2～1.4[20]；α为煤层倾角，取0°～4°。

经估算，五家沟煤矿15304工作面采空区的平均垮落带高度为30～60 m。

根据现场情况，分别在15304工作面进风巷、回风巷的一处硬帮巷道，各设计1个2 m×2 m×2 m的钻场；然后在钻场面对工作面各施工5个∅100 mm的观测孔，并安装内部含有束管的DN60 mm×5 mm无缝钢管。同时，在上、下隅角附近的支架向采空区布置水平含有束管的钢管(DN60 mm×5 mm)，观测位置与进风巷、回风巷布置的钻孔处于同一垂面。当工作面推进到离钻场50 m时开始取样分析，直到工作面推到钻场为止。依据垮落带高度，钻孔布置参数见表1。

3 自燃危险区域分布

3.1 煤样程序升温实验结果

煤样升温过程中，O2、CO、CO2浓度随温度的变化如图3所示，耗氧和放热速率如图4所示。O2浓度随着煤温的升高而逐渐降低，CO和CO2浓度、耗氧速率和放热速率则与之相反。煤样温度在约120 ℃之后，气体释放量增大，耗氧速率和放热速率快速增大，表明煤样进入了剧烈氧化阶段。

图3 气体浓度与温度的关系

图4 耗氧速率、放热速率与温度的关系

3.2 采空区煤自燃“三带”划分标准

通过现场观测和实验测试，采空区进、回风侧的漏风强度如图5所示。根据计算结果，采空区进、回风侧的漏风强度随着与工作面距离越远而逐渐降低，漏风强度最大之处靠近工作面，在同一采空区深度，回风侧的漏风强度比进风侧的小。通过煤样放热强度、气体变化情况和采空区的漏风强度，采空区煤自燃的上、下限氧浓度如图6所示。由图6可知，煤自燃上、下限氧浓度呈抛物线型，即随着煤温的升高呈现先升高后逐渐减少的趋势，当煤样温度达到70 ℃时，达到了相应的上限氧浓度(18.05%)和下限氧浓度(5.95%)。这意味着维持煤样氧化的上、下限氧浓度需要煤样的温度为70 ℃，如果氧气没有达到相应的浓度，煤释放的热量就会被耗散或难以发生氧化反应。

图5 采空区进、回风侧的漏风强度

图6 极限氧浓度与温度的关系

3.3 采空区氧浓度分布

通过现场观测，采空区水平方向和垂直方向的氧浓度分布结果如图7、图8所示。在图7中，采空区水平方向的氧浓度随着测点埋深的增加而减少；在距离工作面30 m左右，进风侧采空区氧浓度就开始下降，到45 m左右，氧浓度更是进一步降低，这是采空区内的垮落带逐渐被压实，采空区的漏风减少造成的；在回风侧，采空区氧气浓度下降的幅度比进风侧更大，这是因为工作面风阻的存在，导致了回风侧的风压较进风侧的低，从而出现了进风侧风流更容易流入采空区，这意味着进风侧的煤自燃危险性更大。在图8中，采空区垂直方向上氧浓度的变化规律和水平方向的氧浓度变化类似，但前者氧浓度随着高度的增加，其降低幅度更加大，这种差异可能是风流在垂直方向的速度比水平方向的速度小引起的。

图7 采空区水平方向氧浓度的变化规律

图8 采空区垂直测点氧浓度的变化规律

3.4 采空区立体自燃“三带”范围

结合前述分析，15304工作面采空区自燃“三带”的范围见表2。由表2可知，15304工作面采空区氧化带在倾向上是不对称的，水平与竖直方向的氧化带在进风侧距离工作面下隅角较远，在回风侧距离工作面上隅较近，进风侧氧化带宽于回风侧氧化带，进风侧的采空区煤自燃风险较回风侧的大。根据氧化带和煤自燃最短发火期，工作面最小安全推进速度为1.64 m/d。

表2 15304工作面采空区立体自燃“三带”划分结果

在现场观测期间，15304工作面的平均推进速度为2.4 m/d，尽管该推进速度大于最小安全推进速度，但仍存在煤自然发火危险，因此，在采取注浆、注氮等防灭火措施时，应提高灌注高度，并扩大灌注范围，确保防灭火措施的可靠性。

4 结 论

1)通过煤样低温氧化升温实验和现场观测，五家沟煤业5-1号煤层的煤自燃上、下限氧浓度分别为18.05%、5.95%，该结果为15304工作面采空区煤自燃“三带”的划分提供了依据。

2)15304工作面采空区煤自燃“三带”具有立体分布特征。在水平方向上，采空区自燃“三带”回风侧范围：散热带，0～14 m；氧化升温带，14～75 m；窒息带，大于75 m；进风侧范围：散热带，0～45 m；氧化升温带，45～158 m；窒息带，大于158 m；在竖直方向上，采空区自燃“三带”回风侧范围：散热带，0～4 m；氧化升温带，4～37 m；窒息带，大于37 m；进风侧范围：散热带，0～6 m；氧化升温带，6～42 m；窒息带，大于42 m。

3)依据采空区自燃“三带”划分结果，五家沟煤业15304工作面的最小安全推进速度为1.64 m/d，当工作面推进速度低于最小安全推进速度时，应该进一步采取防灭火措施，确保防灭火工作的可靠性。