近距離復合采空區三帶劃分與遺煤自燃區域判定研究

范 麗

(晉能控股煤業集團 煤峪口礦， 山西 大同 037041)

煤炭是我國極為重要的基礎能源之一，煤礦的安全生產直接影響到國民經濟的快速發展，同時還關系到人民的生命財產安全[1]。相關數據表明，我國原煤產量長期位于世界首位，雖然國家推進能源結構轉型，但短期內煤炭的主體消費地位不會改變。煤礦開采面臨著煤層自燃的危險，據統計，我國有超過一半的重點礦井存在自然發火的危險，90%以上的礦井火災來自于煤層自燃，因此，煤層自燃機理與防治技術相關研究具有極為重要的意義[2-3]。煤層自燃過程極為復雜，但其本質上是煤層復合氧化生熱，溫度得不到有效釋放，煤層產生的熱量持續積累加劇了煤層氧化過程，直至達到煤層自燃著火點，從而出現自燃現象[4]。采空區遺煤自燃是礦井火災發生的主要原因之一，尤其在放頂煤中，大量采空區的存在，加上采空區本身的復雜條件，極易出現自燃現象[5]。

1 工程概況

煤峪口礦14-2號煤層81004工作面平均煤層厚度2.2 m，采用綜采方式開采，位于410盤區北部，南部為14-2號煤層81006工作面，北部為14-2號煤層81002采空區，西部為盤區巷道，東部為礦界煤柱與忻州窯礦，工作面上方為11-12號合并煤層81004采空區，11號、12號煤層采用綜放一次采全高合并開采，平均采高8.2 m，與試驗工作面層間距在0.8～2.5 m范圍。在上覆煤層開采后，由于采用放頂煤開采，采空區存在大量遺煤，在下伏煤層開采時(14-2號煤層)，上覆僅有0.8～2.5 m厚的巖層破碎坍塌、垮落，直接影響到下伏煤層的開采，下伏采空區溝通上覆采空區后，為上覆采空區遺煤補充了充足的氧氣，加速了上覆采空區遺煤氧化，給礦井的安全高效生產帶來極大的隱患。

2 近距離復合采空區三帶劃分

2.1 采空區遺煤、氧氣濃度、漏風強度分布規律

1) 近距離復合采空區遺煤分布特征。復合采空區遺煤自燃的一個必要條件就是遺煤達到一定的厚度。14-2號煤81004工作面采用綜采方式開采，采空區基本不留遺煤，而上覆11-12號煤層工作面采用放頂煤開采，煤層平均厚度8.2 m，割煤高度2.9 m，放煤高度5.3 m，回采巷道高3.2 m，綜采回采率在0.95以上，頂煤回收率在0.65以上。根據現場具體條件，確定遺煤孔隙率以0.25計算，經計算回采巷道上覆遺煤厚度6.67 m，中部回采區域上覆遺煤厚度2.45 m，近距離復合采空區遺煤厚度如圖1和圖2所示。

圖2 近距離復合采空區遺煤厚度分布截面

2) 近距離復合采空區氧氣濃度分布規律。采用采空區埋管抽氣方式測試采空區內部氧氣濃度分布情況，圖3和圖4分別給出了采空區進風側和回風側的氧氣濃度變化曲線，圖5給出了近距離復合采空區氧氣濃度等值線圖。如圖所示，進風側0～20 m范圍內氧氣濃度在20%左右，而回風側將降低至12%以下，隨著工作面的不斷推進，兩側氧氣濃度不斷降低，距工作面50 m范圍后，進回風側采空區氧氣濃度均低于4%，由圖5可知，回風側采空區的氧氣濃度降低速度明顯高于進風側。

圖3 進風側氧氣濃度變化曲線

圖4 回風側氧氣濃度變化曲線

圖5 近距離復合采空區氧氣濃度等值線

3) 近距離復合采空區漏風強度分布規律。試驗工作面回采形成近距離復合采空區，采空區內遺煤屬于復雜多孔介質，在現場實際條件中，風速較小時，遺煤才會出現自燃現象，因此采空區漏風強度直接影響到遺煤自燃。目前常采用氧氣濃度測試法來計算松散煤體的漏風強度，基于近距離復合采空區氧氣濃度，可以計算得到近距離復合采空區的漏風強度。圖6給出了近距離復合采空區漏風強度等值線圖。

圖6 近距離復合采空區漏風強度等值線

2.2 近距離復合采空區三帶劃分

1) 基于氧氣濃度劃分。以采空區氧氣濃度作為指標劃分三帶時，氧氣濃度在0%～8%范圍，遺煤處于缺氧狀態，屬于窒息帶；氧氣濃度在8%～18%范圍，遺煤處于供氧充分狀態，散熱效果欠佳，易出現遺煤復合氧化作用，屬于自燃帶；氧氣濃度在18%以上，遺煤處于供氧充分狀態，但其散熱效果良好，屬于散熱帶。基于此，可劃分采空區三帶，具體劃分見表1。

表1 基于氧氣濃度劃分的復合采空區三帶

2) 基于漏風強度劃分。以采空區漏風強度作為指標劃分三帶時，漏風強度在0～0.167 cm/s范圍，氧氣濃度較低，屬于窒息帶，漏風強度在0.167～0.400 cm/s范圍，散熱效果欠佳，易出現遺煤復合氧化作用，屬于自燃帶，漏風強度在0.400 cm/s以上散熱效果良好，屬于散熱帶，基于此，可劃分采空區三帶，具體劃分見表2。

表2 基于漏風強度劃分的復合采空區三帶

3) 基于氧氣濃度和漏風強度劃分。為更好地劃分采空區三帶，以氧氣濃度和漏風強度作為兩種指標綜合劃分，窒息帶和自燃帶劃分時，以氧氣濃度為主要指標，自燃帶和散熱帶劃分時，以漏風強度為主要指標，基于此，可劃分采空區三帶，具體劃分見表3。

表3 復合采空區三帶綜合劃分

3 遺煤自燃區域判定

松散煤體自燃需要足夠的厚度、充足的供氧量和適宜的漏風強度。一定厚度的遺煤可積聚熱量，充足的供氧量為煤體氧化提供養料。基于井下試驗可得到，上覆采空區遺煤最短自然發火期為60 d，氧氣濃度低于60 ℃的下限氧濃度時或漏風強度高于60 ℃的上限漏風強度時或遺煤厚度低于0.615 m，遺煤不會自燃現象，遺煤厚度為2.45 m時，對應的下限氧濃度和上限漏風強度分別為6.16%和0.15 cm/s，遺煤厚度為2.45 m時，對應的下限氧濃度和上限漏風強度分別為4.52%和0.31 cm/s。基于此，可判定遺煤自燃區域，如圖7所示，進風側采空區自燃帶(氧化升溫帶)達到78.0 m，在距工作面92.0 m進入窒息帶，回風側采空區自燃帶(氧化升溫帶)達到28.0 m，在距工作面48.0 m進入窒息帶。

圖7 近距離復合采空區漏風強度等值線

4 結 語

近距離復合采空區遺煤自燃是礦井火災的主要因素之一，分析了采空區遺煤厚度、氧氣濃度、漏風強度分布特征規律，分別以氧氣濃度、漏風強度作為主要指標劃分了近距離復合采空區三帶，研究得到上覆采空區遺煤最短自然發火期為60 d，氧氣濃度低于60 ℃的下限氧濃度時或漏風強度高于60 ℃的上限漏風強度時或遺煤厚度低于0.615 m，遺煤不會自燃現象，基于此，判定了近距離復合采空區遺煤自燃區域，豐富了采空區遺煤自燃機理與防治技術。