淺埋深中厚煤層綜采工作面采空區自燃“三帶”劃分及自燃防治技術研究

馮志剛

煤礦采空區中因回采不完全而遺留下的煤炭，在滿足條件的前提下會發生自燃[1]，是威脅煤礦安全生產中的一大災害[2]。作為礦井防滅火較為基礎的采空區自燃“三帶”劃分部分，通過采空區鋪設束管測點及溫度測點，建立回采工作面采空區三維計算模型，準確劃分工作面采空區“散熱帶”、“氧化升溫帶”、“窒息帶”的寬度，明確采空區遺煤位于氧化自燃帶的時間，計算合理推進度，提出可實行的工作面綜合防滅火技術措施[3]。

1 概況

35106 綜采工作面位于某煤礦5-2上煤層，北鄰35105采空區，南鄰35107備采工作面，西部為切眼，東鄰三采區集中輔運巷，切眼向西為5-2上煤層與5-2煤層結合點，煤層埋深75.2 m～166.6 m，煤層厚度1.75 m～2.2 m，平均煤厚1.94 m，煤層傾角1°～3°。煤層的自燃傾向性等級為Ⅰ類，屬容易自燃煤層。工作面設計寬度294.5 m，走向長2 803 m，采高2.1 m。

2 現場觀測與數據分析

2.1 測點布置

在35106 綜采工作面膠運順槽和回風順槽預埋2吋鋼管各300 m，均布置3個測點，相鄰測點之間間隔50 m，采樣測溫點距最近測點間距為150 m。工作面采空區自燃“三帶”測點布置見圖1。

圖1 采空區測點布置示意圖

預埋采樣束管和溫度傳感器外套2吋鋼管，各測點探頭外套3吋鋼管進行保護，每根束管抽取一個測點的氣樣，測溫導線從2吋鋼管內拉出，考慮片幫、采空區積水及頂板冒落對測點破壞的可能，對每個測點分別加工保護支管，高度1.5 m，溫度傳感器探頭在保護支管內略高于束管進氣口，防止抽取氣樣時高速氣流對測定溫度產生影響，采空區各監測探頭內管線布置見圖2。

圖2 采空區監測探頭內管線布置示意圖

2.2 實測結果及分析

隨著35106 綜采工作面的推進，對每天的推進度、測點氣體濃度變化和溫度變化進行統計，自2016年6 月13 日至7 月19 日共歷時37 天，工作面累計推進299.5 m，其中，工作面膠運順槽1#測點和回風順槽4#測點在進入采空區后，O2濃度和溫度變化趨勢明顯，所以選擇這兩處測點數據作為本工作面采空區“三帶”劃分的依據。

（1）測點O2濃度變化分析

35106 綜采工作面膠運順槽1#測點進入采空區92.8m 左右時，O2濃度降至17.84%，隨著工作面的推進，除部分區域受采空區漏風影響，O2濃度間歇上升以外，總體呈持續下降的趨勢。當進入采空區241.5m左右時，O2濃度降至6.86%。

35106 綜采工作面回風順槽4#測點進入采空區69.8m 左右時，O2濃度降至17.83%，當進入采空區203.9 m左右時，O2濃度下降至6.58%。

兩處測點O2濃度隨埋入采空區深度的變化曲線，分別見圖3、圖4。

圖3 膠運順槽1#測點O2濃度變化圖

圖4 回風順槽4#測點O2濃度變化圖

（2）測點溫度變化分析

35106綜采工作面膠運順槽1#測點、回風順槽4#測點分別處于進、回風隅角時，回風順槽4#測點溫度略高于膠運順槽1#測點的溫度。隨著測點逐漸深入采空區，測點溫度整體呈先上升后下降的趨勢，這是因為當測點進入氧化升溫帶后，風流不能帶走煤氧復合反應產生的全部熱量，此時熱量得到集聚，測點溫度呈上升的趨勢；當測點進入窒息帶后，氧氣濃度下降到無法維持采空區遺煤氧化自燃持續發展的程度，此時測點溫度整體呈下降的趨勢。

兩處測點溫度隨埋入采空區深度的變化曲線，分別見圖5、圖6。

圖5 膠運順槽1#測點溫度變化圖

圖6 回風順槽4#測點溫度變化圖

3 采空區漏風流場數值模擬

通過建立某煤礦35106 綜采工作面采空區三維計算模型，依據現場實際，規范邊界條件并精簡計算模型，采用氣體滲流方法進行計算求解，掌握采空區滲流速度場和氧濃度場的分布規律。

3.1 計算模型的建立及網格劃分

建立35106 綜采工作面采空區三維計算模型的網格劃分標準是浮煤層網格步長劃分為0.5 m，巖石層網格步長劃分為1 m，設定工作面傾向方向X 軸，采空區高度方向為Y軸，工作面走向方向為Z軸。

3.2 邊界條件設定

35106 綜采工作面采空區氣體滲流模型的邊界條件，包括膠運順槽、回風順槽內風流的速度、氣體濃度及其巷道斷面參數等。（1）壁面上漏風強度Qˉ=0；（2）膠運順槽邊界設定為速度入口，距工作面前方10 m 處風速平均約為0.90 m/s，入口氣體為標準空氣；回風順槽設定為自由出流。

3.3 數值模擬結果及分析

基于上述采空區計算模型的建立，運用ANSYS FLUENT 16.2 數值模擬了某煤礦35106 綜采工作面采空區氧濃度場和滲流速度場的分布規律。

（1）采空區氧濃度場數值模擬

工作面采空區氧濃度場數值模擬結果，見圖7。

圖7 工作面距煤層底板1m平面上采空區氧濃度分布圖

膠運順槽側在距工作面90 m 左右氧濃度大于18%，在90m 之后隨著采空區深度的增加氧濃度迅速降低，當距工作面240 m 左右時氧濃度降至7%以下；回風順槽側在距工作面70 m 左右氧濃度大于18%，當距工作面200 m左右時氧濃度降至7%以下。

（2）采空區滲流速度場數值模擬

工作面采空區滲流速度場數值模擬結果，見圖8。

圖8 工作面距煤層底板1m平面上采空區滲流速度分布圖

滲流速度在進、回風隅角較大，由于工作面采用抽出式通風方法，進、回風隅角漏風比較嚴重。

4 采空區自燃“三帶”分布及安全推進速度

4.1 采空區自燃“三帶”劃分

根據35106 綜采工作面采空區自燃“三帶”現場觀測數據，結合5-2上煤層自燃臨界氧濃度指標測試結果，以氧氣濃度7%～18%作為采空區自燃“三帶”范圍劃分的依據。

35106綜采工作面采空區自燃“三帶”分布范圍，見表1。

表1 采空區自燃“三帶”分布范圍

根據數據可以確定數值模擬結果與現場實測存在差異但范圍接近，分析其原因是由于該工作面采空區受地表漏風影響。

35106 綜采工作面采空區膠運順槽側氧化升溫帶較寬，為148.7 m；回風順槽側較窄，為134.1 m。

4.2 工作面安全推進速度

根據某煤礦5-2上煤層最短自然發火期（τ）和35106綜采工作面采空區氧化帶寬度（Lmax），可推算出最小安全推進速度：

工作面最小安全推進速度為4.65 m/d，當工作面推進速度大于4.65 m/d時，采空區沒有自然發火的危險；若工作面連續超過32 天平均推進速度小于4.65 m/d時，采空區將有自然發火危險。

5 采空區自然發火防治措施

某煤礦5-2上煤屬于Ⅰ類容易自燃煤層，工作面采空區均有遺煤自然發火的可能性，同時通過采用SF6示蹤氣體測漏風分析的數據計算出35106 綜采工作面地表可能的漏風風速約為22 m/min～30 m/min。結合某煤礦現場實際，確定了以注漿為主，結合注氮、井上下堵漏等綜合防治措施。

5.1 注漿滅火技術措施

預防性注漿能有效封堵漏風通道、惰化遺煤，且時效較長。注漿區域包括工作面切眼、回撤通道及兩巷距切眼和回撤通道長各300 m、寬各6 m范圍。

隨著回采工作面推進向采空區埋設注漿管路進行注漿，以充填采空區空隙，覆蓋采空區遺煤，防止采空區遺煤自燃。注漿步距確定為50 m，在工作面回采過程中，當推進速度大于工作面最小安全推進速度時，可不采取注漿防滅火措施。若出現自然發火征兆，及時向采空區注漿，直至自然發火征兆消除為止。采空區注漿重點區域見圖9。

圖9 采空區注漿重點區域示意圖

5.2 注氮防滅火措施

采空區注入惰性氣體后，可對采空區三維立體空間進行惰化，沖淡遺煤與氧氣的接觸，使煤體對氧氣的吸附量降低，在很大程度上抑制或減緩遺煤的氧化速度，從而可預防采空區遺煤自然發火。

當本工作面采空區O2濃度大于7%時，可采用注氮防滅火措施。注氮位置應根據采空區自燃“三帶”和漏風區域選擇，將制氮機安裝在工作面膠運順槽內實施注氮，沿工作面進風側采空區埋設注氮管路，注氮主管路選擇φ 159 mm管徑，采空區埋設管路選擇φ 109 mm管徑。

5.3 堵漏防滅火措施

對回采工作面地表的裂隙進行排查，重點對“兩道兩線”采動裂隙“O”形圈區域進行排查，及時回填地表裂隙，避免地表向采空區漏風。加強密閉的施工質量，嚴格按設計施工，對密閉及周圍巷道圍巖進行全面噴漿堵漏，防止漏風，同時還要監測密閉漏風情況，定期進行壓差測定工作。

6 結論

（1）現場觀測劃分的采空區自燃“三帶”分布范圍與數值模擬結果基本一致，35106綜采工作面氧化升溫帶范圍為膠運順槽側92.8 m～241.5 m、回風順槽側69.8 m～203.9 m，最小安全推進速度為4.65 m/d；

（2）根據某煤礦現場實際，綜合分析采空區自然發火影響因素，提出了以注漿為主、結合采空區注氮和井上下堵漏等綜合防治措施，為工作面的安全、高效回采提供技術支持，并對同一煤層的類似工作面預防采空區自然發火具有指導意義。