辛置煤礦2-208工作面采空區自燃三帶分布規律實測分析

趙玉玲

(霍州煤電集團辛置煤礦， 山西 霍州市 031412)

1 工程概況

山西焦煤霍州煤電集團辛置煤礦2-208綜采工作面位于310水平二采區，工作面走向長度175 m，傾斜長度 579.5 m，北面緊鄰二采區軌道巷、皮帶巷，南面距離二采區右翼皮帶巷110 m，西面距離二采區回風巷25 m，東面距離2-202工作面采空區最小間距為 63 m。工作面開采 2#煤層，煤層厚度3.8 m～4.3 m，平均厚度為4.1 m，平均傾角為4°，煤層結構復雜，含兩層夾矸，煤層瓦斯相對涌出量為0.28 m3/t，絕對涌出量為0.73 m3/min，為低瓦斯煤層，煤層自燃等級為Ⅰ級，煤塵具有爆炸性。煤層直接頂為泥巖和砂泥巖互層，均厚為 3.0 m，基本頂為K8中細砂巖，均厚為7.2 m，直接底為泥巖，均厚4.5 m，老底為中砂巖6.5 m。

2-208 工作面采用一次采全高綜合機械化采煤方法，平均采高4.1 m，循環進度為0.8 m，采空區采用全部垮落法處理，工作面采用“一進一回”U型通風方式。由于2#煤層自燃等級為Ⅰ級，采空區內遺煤具有自燃危險性。根據2#煤層的賦存特征及礦井地質資料可知，2#煤層采空區遺煤自燃臨界氧濃度為9%。為有效掌握采空區的自燃危險區域，需要劃分出采空區自燃危險區域。

2 采空區內可燃氣體監測分析

2.1 測站布置

2-208 工作面采空區采用KSS-200型束管監測系統，沿著工作面的傾向方向設置6個指標氣體的監測點，測點之間的間距為16 mm，2-208工作面采空區內束管監測的布置形式如圖1所示。

圖1 2-208工作面采空區氣體束管監測的布置

2.2 測試數據分析

2.2.1 采空區內O2含量的分析

根據束管監測結果，能夠得出采空區內氧氣濃度的變化規律。通過具體分析采空區內部氧氣的濃度，能夠在一定程度上采空區的漏風狀態[1-2]。根據實測數據可知，監測點 1#～2#、3#～4#、5#～6#監測點所得的氧氣濃度曲線基本相似。為簡化數據量，本文分別選取1#測點、4#測點和6#測點，分別代表工作面上部、中部和下部采空區氧氣濃度含量，2-208工作面采空區內氧氣濃度與工作面推進距離之間的關系曲線如圖2（a）所示，采用Mathlab軟件處理得出的采空區氧氣濃度分布云圖如圖2（b）所示。

通過分析圖2可知，隨著工作面回采作業的進行，采空區內的氧氣濃度呈現出逐漸減小的趨勢，出現這種現象的主要原因為，隨著工作面推進距離的增大，采空區范圍內的頂板逐漸垮落，頂板的冒落壓實性也較好，進而使得氧氣含量逐漸降低。

圖2 采空區內氧氣濃度與工作面推進距離的關系

當工作面推進16 m時，工作面上部、中部及下部的氧氣濃度均大于18%，此時采空區內存在著遺煤，但煤氧化產生的熱量會逐漸被帶走，另外該區域空氣與浮煤之間的接觸時間較短，因此煤在區域內無法出現自燃現象，稱該區域為散熱帶。根據采空區內氧氣濃度分布云圖可知，采空區內散熱帶在進風巷側、中部、回風巷側的寬度分別為74 m、20 m和16 m。

當工作面回采推進16 m后，采空區內垮落的巖石逐漸被壓實，進而使得采空區的漏風強度逐漸降低[3-4]，根據圖中曲線可知，此時采空區內的氧氣含量逐漸下降。當工作面推進74 m后，工作面上部、中部及下部區域測點的氧氣含量均降低至18%以下，該區域內遺煤氧化產生的熱量會不斷的在采空區內聚集，無法有效的散開，為遺煤的自燃創造了充分的條件，該區域為采空區內的氧化帶，根據氧氣濃度云圖能夠看出，采空區回風側先進入氧化帶，采空區中部其次，進風巷側最后。

當工作面推進118 m后，采空區內基本無漏風現象，工作面不同區域測點的氧氣含量均下降至9%以下，故在該區域煤不具備自燃的條件，將該區域稱為窒息帶，工作面采空區回風側、中部及進風側進入窒息帶的寬度分別為68 m、76 m和118 m。

2.2.2 采空區內CO濃度分析

根據采空區內氣體的監測結果，同樣能夠得出采空區內CO濃度與工作面推進距離之間的關系曲線如圖3（a）所示，采用Mathlab軟件處理得出的采空區一氧化碳濃度分布云圖如圖3（b）所示。

圖3 采空區內一氧化碳濃度與工作面推進距離的關系

通過分析圖3可知，隨著工作面回采作業的進行，在采空區進風側基本無CO存在，產生這種現象的主要原因為采空區進風側的漏風強度較大，使得遺煤氧化產生的CO隨著風流被帶到采空區中部及采空區回風巷一側，另外進風巷側氧氣則較為充足，故遺煤氧化產生的一氧化碳便較少。

從圖3（a）中能夠看出，在采空區回風巷側和中部分別在工作面推進13 m和10 m時出現CO，隨著工作面的進一步推進，CO的濃度呈現出急劇增大的現象，當工作面回采推進至25 m～40 m的范圍時，工作面不同區域采空區的CO濃度均達到最大值，采空區中部和回風巷側的CO濃度最大值分別為86 cm3/m3和76 cm3/m3，隨后，隨著工作面的推進，CO的濃度逐漸降低。當工作面推進70 m后，采空區中部的CO消失；當工作面推進90 m后，采空區回風巷側的CO消失。基于上述分析，可根據CO濃度將工作面劃分為3個區段：第1區段為工作面后方10 m范圍，該區段尚未出現CO；第2區段為采空區中部及回風巷側17 m～40 m范圍，該區段的CO濃度逐漸增大；第3區段為工作面后方40 m，該區段采空區內的CO濃度逐漸下降。

基于上述分析，能夠得出采空區進風巷側、中部、回風巷側的散熱帶范圍分別為0～74 m、0～20 m和0～16 m，氧化帶的范圍分別為74 m～118 m、50 m～76 m和16 m～68 m，窒息帶的范圍分別為與工作面距離大于118 m、76 m和68 m。

3 自燃危險區域劃分與防滅火措施

3.1 自燃危險區域劃分

一般情況下，當采空區“氧化帶”范圍內的遺煤具備了自然發火的必要條件，此時遺煤并不一定會發生自燃現象，另一方面，目前劃分的氧化帶范圍相對較寬，對于工作面的防滅火工作缺乏指導意義。為給出合理的采空區自燃危險區域，采用matlab數據處理軟件中的極限值法，基于采空區內可燃氣體實際監測得出的CO、O2、CH4和CO2濃度數據，進行疊加處理運算，進而能夠得出2-208工作面采空區自燃危險區域，如圖4所示。

圖4 2-208工作面采空區遺煤自燃危險區域

通過分析圖4可知， 2-208工作面采空區的自燃危險區主要位于回風側和采空區中部。從圖4中能夠看出，采空區自燃危險區域主要為采空區回風側16 m～59 m的范圍，中部20 m～51 m的范圍。

3.2 防滅火措施

根據2-208工作面煤層的自燃特性，結合上述采空區自燃危險區域的劃分結果，決定針對采空區采取灌漿+噴灑阻化劑+自燃危險區灌注高效阻化泡沫的防滅火措施。

（1）采空區灌漿。采用踏步式埋管灌漿方法，即隨著回采工作面推進，向采空區內埋管道進行注漿，注漿步距為40 m，灌漿作業時，采用黃土泥漿作為灌漿材料，取泥漿的泥:水=1:3，采用上隅角插管，向采空區注漿。

（2）噴灑阻化劑。阻化劑選用 20%濃度的工業氯化鈣溶液，采用移動式噴灑系統，由注液泵將阻化液經輸液管路送到采煤工作面下隅角進行噴灑。工作面一次噴灑量為340 kg，阻化劑的質量為68 kg，每5 d進行一次噴灑作業。

（3）自燃危險區灌注高效阻化泡沫。根據上節分析結果，在采空區回風側16 m～59 m的范圍、中部20 m～51 m的范圍進行注高效阻化泡沫作業，布置2條注漿管路，在距回風巷煤柱幫3 m的位置布置一條規格為Φ108 mm×50 m的無縫鋼管，在距回風巷煤柱6 m的位置處，布置一條規格為Φ42 mm×40 m的無縫鋼管，設置終孔注漿壓力為6 MPa。工作面每回采40 m進行一次注漿作業。

4 結論

根據2-208工作面煤層賦存特征及地質條件，通過建立束管監測系統進行采空區內可燃氣體的監測分析，根據監測結果得出進風巷側、中部、回風巷側的散熱帶、氧化帶和窒息帶的范圍，并通過數值處理軟件得出采空區自燃危險區域，制定出合理的防滅火措施，保障采空區的安全。