厚煤层综放工作面采空区自燃“三带”分布特征及其防治方法

李璐璐

（晋能控股煤业集团晋城煤炭事业部阳城晋圣固隆煤业有限公司，山西 晋城 048100）

0 引 言

煤自燃一直是威胁煤矿安全高效开采的重点问题[1,2]。随着煤层的开采，在采动应力扰动下，覆岩垮落后裂隙导通地表及井下煤柱及密闭存在裂隙，导致煤自燃给工作面安全开采带来安全隐患[3,4]，分析厚煤层综放工作面采空区自燃“三带”分布特征及其防治方法对于指导矿山煤自燃防治及其安全回采意义重大[5,6]。在这方面研究中，赵建波等[7]对山西金晖瑞隆煤矿8115 采煤工作面采空区自燃“三带”进行了测定与划分，推算了工作面极限推进速度为每月8.7 m；杨富强等[8]采用现场实测和数值模拟相结合的方法，对采空区自燃“三带”分布规律进行研究，指出O2体积分数随采空区深度的增加呈显著下降趋势，确定工作面最小推进速度为4.08 m/d；尚玮炜等[9]以O2浓度作为自燃“三带”的划分指标，获得试验工作面采空区自燃“三带”的分布范围，确定采空区内高危险区域的范围，并计算了工作面的最大停产整顿时间为7 d。综合文献分析，对于采空区自燃“三带”的研究主要采用现场监测与数值模拟相结合方法，并确定合理的推进速度，以此为依据提出有效的防治技术。针对固隆煤矿1301 工作面采空区自燃“三带”分析与防治需要，采用现场测定与数值模拟相结合的方法对采空区自燃“三带”内部特征进行了研究，并给出了针对性的采空区自燃防治方法，可为综放工作面采空区煤自燃防治提供指导与借鉴。

1 工作面概况

固隆煤矿1301 工作面主采3 号煤层，工作面位于+620 m 水平，所处标高为+680～+705 m，推进长度739 m，倾斜长度166.5 m，煤层平均厚3.95 m，平均倾角5.5°。1301 工作面北部为寺头断层，切眼距离寺头断层设计留有30 m 保安煤柱，南部为一盘区轨道进风巷，东部距1302 工作面25 m，西部为1310工作面，现在正在掘进；工作面采用综合机械化放顶煤开采工艺，煤层顶底板情况见表1。

表1 煤层顶底板情况

根据现场实测，工作面绝对瓦斯绝对涌出量为2.49 m3/min，煤层自燃倾向性等级为Ⅲ级，采用“U”型通风，实际需风量为860 m3/min。确定详细直观的自燃氧化带的形状和宽度，特别是采空区中的氧气和流场随着工作面推移的变化情况，对于工作面安全回采至关重要。

2 采空区自燃“三带”现场测定

2.1 现场测定方法

采空区自燃“三带”主要包括散热带、氧化升温带和窒息带，主要以采空区氧含量的分布情况进行测定划分。将O2含量≥18.0%定为散热带；O2含量10%～18.0%定为氧化带；将O2含量≤10%定为窒息带。研究在工作面两侧巷道共布置2 条抽气管路，管路布置情况如图1 所示。通过现场气体抽测与分析，确定采空区自燃“三带”。

图1 束管及抽气点位置图

2.2 测定结果分析

1301 工作面进风巷道与回风巷道采空内氧气含量测定结果如图2 所示。可以看出，随着工作面推进距离延长，进风侧与回风侧氧气含量整体呈现降低发展特征。对于进风侧而言，位于采空区内24 m时，监测氧气含量为18.1%，位于采空区内126 m时，监测氧气含量为9.72%，可以看出工作面距采空区0～24 m 为散热带，24～126 m 为氧化带，超过126 m 为窒息带；对于回风侧而言，位于采空区内10.5 m 时，监测氧气含量为17.9%，位于采空区内60 m 时，监测氧气含量为9.86%，可以看出工作面距采空区0～10.5 m 为散热带，10.5～60 m 为氧化升温带，采空区以里超过60 m 为窒息带。综合分析，对于工作面进风侧与回风侧，采空区自燃三带分布范围不同，其中进风侧三带范围更大，特别是氧化升温带达102 m，需引起足够重视。

图2 采空区氧气含量测定结果

3 采空区自燃“三带”数值模拟分析

3.1 流速划分下采空区氧化升温带

1301 工作面采用“U 型”通风，为“一进一回”通风方式，通过模拟可得U 型通风压力及流线分布情况如图3 所示。采空区通风压力分布沿采空区走向中轴线呈对称分布特征，进风侧风压明显大于回风侧。在漏风压力驱动下采空区漏风迹线经进风巷流经采空区再有回风巷流出。

图3 U 型通风压力及流线分布图

U 型通风下工作面风速分布情况如图4 所示。可以看出，供风风流在流经工作面时仍保持着较高的流速，但在进回风隅角由于风流变向和漏风的影响，风速略有减小。

图4 U 型通风工作面及采空区风速分布图

为进一步分析采空区氧化带升温的位置，根据0.24 m/min 和0.1 m/min 对采空区自燃“三带”进行划分。以漏风风速为指标划分的氧化升温带的分布范围见图5。可以看出，采空区氧化带分布在采空区后方25～124 m 范围内，由于采空区两巷与中部渗流环境的差异性，两巷附近的漏风流速等值线较中部更加深入，氧化深度更大。在进风侧，0.24 m/min的等值线可深入到采空区走向124 m 左右位置。

图5 采空区自燃氧化带的分布范围

3.2 氧气浓度划分下采空区氧化升温带

采空区中部及两侧氧浓度变化情况如图6 所示。可以看出，采空区的氧气浓度分布呈现不均匀性分布特征，进风侧的采空区氧化升温带宽度明显高于回风侧，这与现场监测结果基本一致，进风侧采空区内60 m 时氧气浓度为18%，120 m 时氧气浓度为10%；回风侧采空区内10 m 时氧气浓度为10%；中部采空区氧化带浓度10%～18% 的区间对应采空区20～70 m 位置。

图6 采空区中部及进风侧氧浓度变化

在分析采空区氧气浓度分布规律的基础上，为清楚地了解采空区自燃氧化带的分布形态，得到了以采空区氧气浓度18%～10% 为划分指标的采空区氧化带分布如图7 所示。可以看出，氧化带宽度在采空区内部由近风侧向回风侧整体表现为先快速增加后缓慢减小特征，进风侧氧化带宽度达65 m，中部氧化带宽度达58 m，回风侧氧化带宽度达22 m。

图7 采空区的氧化带分布图

综合分析，结合漏风风速和氧气浓度为指标划分的氧化带范围，为了降低采空区煤自燃风险，取风速和氧气浓度确定的氧化带范围的并集，最终确定氧化带的范围为22～130 m，与现场观测结果具有较高的吻合度，证实了研究结果的可靠性。

4 采空区自燃防治方法

4.1 保证工作面安全推进速度

确定合理的工作面安全推进速度，对于采空区自燃防治具有重要的指导作用，根据前述研究获得的采空区氧化带范围，工作面最小安全推进速度确定方法如下[10]：

式中：dmax为采空区最大氧化带范围，m；T为煤层平均自然发火期，d。

固隆煤矿3 号煤层平均自然发火期为100 d，采空区最大氧化带范围为130 m，带入公式（1），可得，工作面最小安全推进速度为1.3 m/d。综合分析，为保证工作面安全回采，其推进速度应不小于1.3 m/d，考虑现场作业条件及环境因素影响，最终确定工作面安全推进速度为2 m/d。

4.2 注氮防治

1301 工作面在推进过程中，要定期对工作面后方采空区内CO 含量进行监测，当CO 含量存在异常时，可将之前铺设的疏放水孔加以利用，对采空区氧化升温带实施注氮，直到氧浓度降低到10%以下。1301 工作面制氮装置位于辅运巷内，采用2 条注氮管路循环注氮工序，注氮管口应保证高于巷道底板达300 mm，直至采空区内氧浓度符合要求为止，为防止注氮管控被掉落矸石碰砸及堵孔，管口端部位置应高于巷道底板不小于300 mm，并架设木垛进行支撑保护。现场工作面采空区实施注氮后，对采空区内氧浓度进行了监测，氧浓度为7.5%，注氮防治效果显著。

4.3 堵漏防治

在1301 工作面推进过程中，还需时刻排查因开采扰动影响导致的采空区漏风情况，一旦出现氧含量异常要及时对裂隙进行封堵，实施过程中，可将封堵材料装入丝袋内，对工作面端头及进回风侧漏风处布设丝袋密闭，随后对密闭区域再次进行喷浆封堵；同时还应对所留煤柱及原有密闭墙裂隙扩展情况进行定期排查，对于因裂隙存在导致的漏风点采用高分子材料进行充填，避免漏风情况的发生。

5 结 论

1）通过对1301 工作面进风巷道与回风巷道采空内氧气含量进行现场测定，确定进回风侧采空区自燃“三带”范围，其中进风侧采空区自燃“三带”范围更大，氧化升温带达102 m，需引起足够重视。

2）通过数值模拟分析，采空区的氧气浓度分布呈现不均匀性分布特征，采空区氧化升温带分布在采空区后方25～124 m 范围内，由于采空区两巷与中部渗流环境的差异性，两巷附近的漏风流速等值线较中部更加深入，氧化深度更大；取风速和氧气浓度确定的氧化带范围的并集，最终确定氧化带范围为22～130 m。

3）针对1301 工作面采空区自燃防治需要，研究确定工作面合理安全推进速度为1.5 m/d，并提出了采空区漏风段注氮与堵漏相结合的煤自燃防治方法，消除了漏风隐患，保证了工作面安全回采。

4）现场监测与数值模拟相结合方法，很好的弥补了现场观测的缺陷，为采空区“三带”划分提供有利支持，有助于了解采空区自然发火早期的成长过程，为掌握整个采空区的自燃“三带”分布特征及提出合理煤自燃防治方法提供了有力支撑。