淺埋煤層采空區(qū)自燃“三帶”分布及劃分研究

肖正江(山不拉煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 100083)

0 引言

煤礦自燃災(zāi)害是影響安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。煤礦自燃火災(zāi)的主要爆發(fā)場(chǎng)所為采空區(qū)，一旦火災(zāi)發(fā)生，會(huì)直接危及礦井安全及其持續(xù)生產(chǎn)，還可能導(dǎo)致煤炭資源的巨大損失與“凍結(jié)”。為防治此類災(zāi)害，需明確自燃“三帶”的分布及劃分，從而提出針對(duì)性的防治措施。

目前對(duì)于采空區(qū)自燃“三帶”的劃分研究，主要基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值仿真分析兩種方法的相互驗(yàn)證，對(duì)遺煤情況、氧氣濃度與漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律進(jìn)行探究，并得出工作面的安全推采速度。

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與仿真分析相結(jié)合的方法，王帥等[1]利用氣相色譜分析儀分析采空區(qū)各組分氣體濃度，得出自燃“三帶”氧氣濃度規(guī)律。楊富強(qiáng)等[2]采用束管監(jiān)測(cè)FLUENT仿真采空區(qū)流場(chǎng)“三帶”范圍及工作面推采速度。楊?yuàn)Z等[3]建立采空區(qū)多孔介質(zhì)二維穩(wěn)定滲流物理與數(shù)學(xué)計(jì)算模型，確定了“三帶”劃分范圍。宋博等[4]利用 SF6示蹤法檢測(cè)采空區(qū)地表漏風(fēng)通道和風(fēng)速，研究了地表漏風(fēng)對(duì)自燃“三帶”分布的影響。智國(guó)軍等[5]通過(guò)數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)：采空區(qū)自然發(fā)火是其氧濃度場(chǎng)、煤巖固體溫度場(chǎng)、氣體溫度場(chǎng)及流場(chǎng)等耦合作用的結(jié)果。王耀強(qiáng)[6]將采空區(qū)分為5部分，研究了淺埋深傾斜工作面推采安全速度，同時(shí)發(fā)現(xiàn)煤層傾角主要通過(guò)影響采空區(qū)孔隙率分布進(jìn)而影響采空區(qū)自燃“三帶”分布。劉玉良[7]根據(jù)采空區(qū)自燃帶范圍及浮煤最短自燃發(fā)火期得出了工作面的最小推采速度，并提出了正常回采時(shí)期與危險(xiǎn)時(shí)期的救治措施。

本文基于中煤山不拉煤礦36203綜采工作面的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合FLUENT與實(shí)測(cè)氧濃度與漏風(fēng)強(qiáng)度方法，對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了自燃“三帶”分布及劃分研究，以取得最小推采度從而保證工程的安全進(jìn)行，研究成果對(duì)淺埋煤層安全開(kāi)采具有重要指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

中煤山不拉煤礦36203綜采工作面東部臨近F3斷層，南部為未開(kāi)采的36204綜采工作面，西部為三盤(pán)區(qū)6-2煤盤(pán)區(qū)大巷，北部為已回采的36202綜采工作面，上部為35102采空區(qū)，下部7-1煤層未開(kāi)采，工作面長(zhǎng)度200 m。

工作面地表位于袁家梁一帶，地面標(biāo)高+1 245～+1 340 m，工作面地表大范圍均為荒山荒坡，煤層埋藏相對(duì)較深，開(kāi)采對(duì)地表影響不大。

中煤山不拉煤礦三盤(pán)區(qū)6-2煤賦存于延安組第一巖段(J1-2y1)中下部，煤層賦存范圍是屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。鉆孔資料顯示：6-2煤與上部5-1煤層之間相距57～63 m，與下部7-1煤層間距27.73～38.27 m，平均33 m。根據(jù)36203兩順槽及切眼掘進(jìn)揭露情況顯示，工作面煤層為單斜構(gòu)造，向西北傾斜，傾角約為1°～3°，煤層厚度平均2.86 m，含夾泥巖0～1層，平均厚度0.06 m，平均煤厚2.8 m，煤層穩(wěn)定。

礦井采用抽出式通風(fēng)方法，36203工作面為沿空留巷工作面，使用Y型通風(fēng)，即工作面輔運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)，沿空巷道和回風(fēng)順槽回風(fēng)。工作面一般正常風(fēng)量為700 m3/min。

2 采空區(qū)三帶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)試方法

(1)測(cè)點(diǎn)布置

現(xiàn)觀測(cè)采空區(qū)氣體濃度分布采用埋管抽氣法，即同時(shí)在回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)側(cè)向采空區(qū)埋設(shè)束管，從束管內(nèi)抽取氣樣分析其成分。如圖1所示，束管采樣點(diǎn)沿工作面方向每隔30 m鋪設(shè)一個(gè)，共布置6個(gè)點(diǎn)，工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)沿巷幫每間隔100 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)。從測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)開(kāi)始，每天1次采樣分析，直至采空區(qū)深部距工作面350 m停止。

圖1 工作面采空區(qū)三帶觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

(2)探頭布置

采空區(qū)采用埋設(shè)束管進(jìn)行抽氣分析的方法分析氣體成分。因測(cè)點(diǎn)較多，采用7芯束管進(jìn)行氣樣采集，使用束管的每一個(gè)分支管對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行采樣，并采用預(yù)埋束管外套鋼管的方法進(jìn)行保護(hù)。埋設(shè)束管時(shí)將進(jìn)氣口抬高至距離底板大約0.5 m的位置，能夠有效防止束管被采空區(qū)積水堵塞。

總管采用?76 mm鋼管保護(hù)，分支管采用4分管保護(hù)。束管前端使用過(guò)濾式束管采樣器，以防采樣時(shí)粉塵被吸入束管。

在束管抽氣口處標(biāo)記編號(hào)，有助于區(qū)分不同測(cè)點(diǎn)。束管支管直徑為8 mm，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的氣樣由每根束管運(yùn)管采集。為防止被采煤設(shè)備壓壞，需盡量將束管總管路貼近煤壁，采樣頭固定在離煤層底樣50 mm的位置。布置方式具體如圖2所示。

圖2 埋管觀測(cè)探頭布置圖

2.2 工作面推采及遺煤情況分析

36203工作面于2021年3月16日開(kāi)始埋管，同月18日開(kāi)始觀測(cè)，截至2021年5月27日。36203工作面在自燃“三帶”觀測(cè)期間共向前推采380 m。從4月1日至5月27日的推采情況來(lái)看，觀測(cè)期內(nèi)推采速度為4～7 m/d，平均5.5 m/d。

36203工作面煤層有2.8 m有益厚度，平均采高距離為2.8 m，可考慮30%為采空區(qū)內(nèi)部空隙率，采空區(qū)平均浮煤厚度可由前后觀測(cè)的工作面頂煤厚度以及工作面回采率計(jì)算出。工作面回采率可達(dá)到98%左右，工作面遺煤約2 800×(1-98%)÷30%=18.7 cm。

2.3 采空區(qū)氧濃度及漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

如圖3所示，采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)氧濃度隨深度增加與工作面推采呈下降趨勢(shì)。氧濃度在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)100 m處已經(jīng)下降到18%，由此可見(jiàn)采空區(qū)浮煤存在一定程度的氧化。但進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)測(cè)氧濃度隨著埋深增加保持在16%～17%之間，可能是煤礦埋深較淺、漏風(fēng)偏大所致，也可能是在煤柱側(cè)錨網(wǎng)支護(hù)的作用下，巷道很長(zhǎng)一段距離內(nèi)頂板垮落不嚴(yán)實(shí)或無(wú)法垮落，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部存在較大孔隙率，使新鮮空氣進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)部，進(jìn)而造成采空區(qū)內(nèi)部氧濃度一直維持在較高水平。

圖3 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)測(cè)點(diǎn)氧濃度隨埋深變化曲線

2.4 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

漏風(fēng)強(qiáng)度可由氧氣濃度測(cè)算法根據(jù)實(shí)際測(cè)定的氧濃度分布反推出。假定漏風(fēng)流僅沿一維流動(dòng)，當(dāng)松散煤體內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度處在恒定不變的條件時(shí)，可推導(dǎo)出漏風(fēng)強(qiáng)度與氧濃度之間關(guān)系為：

由36203工作面煤樣自燃性實(shí)驗(yàn)測(cè)試得出，煤樣在30.2 ℃下所對(duì)應(yīng)的耗氧速度為288.01×10-11，利用由測(cè)試得出的采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，結(jié)合式(1)可推算出回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度

3 采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)仿真分析

為了模擬無(wú)法直接觀測(cè)的采空區(qū)內(nèi)部滲流場(chǎng)、氣體濃度等，利用ANSYS FLUENT19.0數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模，模型邊界條件由現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得出的數(shù)據(jù)來(lái)確定，再定義出采空區(qū)各參數(shù)，從而進(jìn)行模擬。

工作面回風(fēng)側(cè)距離工作面350 m以里，氣體濃度趨于穩(wěn)定，故模擬區(qū)域深度確定為400 m。工作面漏風(fēng)裂隙帶高度按5 倍采高計(jì)，滲流區(qū)域高度為15 m。

因此，模擬的區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)400 m×200 m×20 m的長(zhǎng)方體，工作面兩端壓差按30 Pa計(jì)算，工作面氧濃度為21%，如圖5所示，其為在以上建立的模型上模擬得出的采空區(qū)氧濃度分布圖。

圖5 距煤層底板0.5 m處氧濃度分布圖

由圖5可知，中煤集團(tuán)山不拉煤礦36203工作面采空區(qū)氧濃度在回風(fēng)側(cè)距工作面60 m處氧濃度為19%左右，80 m處氧濃度降為18%左右，150 m的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度降至16%左右，同樣的氧濃度在回風(fēng)側(cè)并在之后的300 m的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在15%左右，300 m左右降至5%左右。這一模擬結(jié)果與現(xiàn)實(shí)情況基本一致，可作為預(yù)測(cè)采空區(qū)氧濃度變化的依據(jù)。

4 36203采空區(qū)自燃三帶劃分

采空區(qū)遺煤氧化需要滿足三個(gè)條件：一是足夠的浮煤厚度積聚、氧化產(chǎn)生的熱量；二是足夠的氧氣濃度促使浮煤不斷氧化升溫；三是源源不斷的較小風(fēng)流，以免風(fēng)流帶走熱量。由山不拉煤礦36203煤層的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和理論分析可知：

(1)根據(jù)內(nèi)蒙古安科安全生產(chǎn)檢測(cè)檢驗(yàn)有限公司2017年編制的《煤塵爆炸性、煤自燃傾向性檢驗(yàn)報(bào)告》，礦井最短自然發(fā)火期為34天。山不拉煤礦現(xiàn)開(kāi)采6-2中煤層實(shí)際自然發(fā)火期約為40天，為易自燃煤層。

(2)80 ℃左右為臨界溫度，110 ℃左右為干裂溫度。當(dāng)煤溫小于臨界溫度值，增加緩慢；超過(guò)臨界溫度值小于裂解溫度值，增速加快；大于裂解溫度后，增速激增。

(3)50 ℃左右為下限氧濃度最大值，當(dāng)氧氣濃度低于此溫度的下限值，無(wú)法引起浮煤自燃。當(dāng)浮煤厚度為1.0 m時(shí)，下限氧濃度值為7%(體積分?jǐn)?shù))，會(huì)隨浮煤厚度減小而激增，其下限氧濃度遠(yuǎn)高于正常氧濃度，浮煤不會(huì)自燃。下限氧濃度在不同浮煤厚度時(shí)的取值如表1所示。

(4)53.4 ℃左右為上限漏風(fēng)強(qiáng)度最小值，當(dāng)此溫度的上限漏風(fēng)強(qiáng)度低于實(shí)際漏風(fēng)強(qiáng)度，浮煤便不會(huì)自燃。

(5)53.4 ℃左右為極限浮煤厚度最大值，當(dāng)此溫度的極限浮煤厚度大于實(shí)際浮煤厚度，浮煤就不自燃。

在同一個(gè)圖上繪制由實(shí)驗(yàn)得到的不同浮煤厚度時(shí)的采空區(qū)上限漏風(fēng)強(qiáng)度、下限氧濃度和極限浮煤厚度等參數(shù)的變化規(guī)律，即可以判斷出采空區(qū)煤自燃三帶分布范圍，根據(jù)實(shí)際情況和模擬結(jié)果劃分采空區(qū)三帶。

根據(jù)劃分采空區(qū)三帶可以發(fā)現(xiàn)，漏風(fēng)情況在36203工作面采空區(qū)內(nèi)相對(duì)較大，且采空區(qū)受漏風(fēng)影響可能會(huì)出現(xiàn)塌落不均勻的現(xiàn)象。散熱帶范圍相對(duì)較深，距離工作面0～35 m之間的分布范圍為工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)散熱帶，由于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)是沿空留巷，整個(gè)進(jìn)風(fēng)側(cè)均為散熱帶。在距離工作面35～290 m范圍為回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化升溫帶，因?yàn)檫M(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)較大且遺煤量少，故而不存在氧化升溫帶，詳情如表1所示。

表1 采空區(qū)三帶劃分結(jié)果表

5 工作面最小推采速度

36203工作面氧化升溫帶最大深度出現(xiàn)在工作面回風(fēng)側(cè)，氧化升溫帶的最大寬度為L(zhǎng)max=290－35=255 m。

由實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期為τmin=40 d，根據(jù)Vmin=Lmax/τmin×k可計(jì)算出采空區(qū)可能發(fā)生自燃的極限推采速度約為5.2 m/d。其中k為氧濃度影響系數(shù)，k取1.24；k=C0/C，其中C0取21%，為新鮮空氣中的氧濃度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際平均氧濃度C為16.9%。

所以正常條件下，采煤工作面推采速度大于5.2 m/d時(shí)，采空區(qū)不會(huì)發(fā)生浮煤自燃；當(dāng)推采速度小于5.2 m/d時(shí)，煤層存在自燃風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)采取必要的防滅火措施。因?yàn)榫C采面日平均推進(jìn)速度大于采空區(qū)自燃的安全推進(jìn)度，為5.5 m/d左右，因此在正常開(kāi)采條件下，不會(huì)引起浮煤自然燃燒。

6 結(jié)語(yǔ)

以山不拉煤礦36203綜采面為分析對(duì)象，通過(guò)在采空區(qū)鋪設(shè)束管、采集氣體進(jìn)行研究，能夠明確采空區(qū)的煤自燃規(guī)律及特點(diǎn)，為制定煤自燃防治技術(shù)方案提供基礎(chǔ)。文章的主要研究成果如下：

(1)掌握了采空區(qū)煤自燃三帶分布規(guī)律及危險(xiǎn)區(qū)域。

36203工作面散熱帶的分布范圍在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)距離工作面0～35 m以里，受漏風(fēng)以及采空區(qū)塌落不均勻的影響，其進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶較寬。回風(fēng)側(cè)窒息帶在距離工作面290 m以上的采空區(qū)深部。

(2)因?yàn)椴煽諈^(qū)遺煤含量較少，且沿空留巷有較大的側(cè)漏風(fēng)，所以工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)無(wú)氧化升溫帶。工作面回風(fēng)側(cè)的側(cè)空區(qū)為易發(fā)生自燃的區(qū)域。

(3)計(jì)算得出了工作面最小安全推進(jìn)速度。

以綜采面散熱帶到采空區(qū)窒息帶的最大距離(即氧化升溫帶最大寬度)Lmax=250 m和采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期40 d為依據(jù)，計(jì)算得出該礦工作面的最小安全推進(jìn)速度為5.2 m/d。如果推進(jìn)速度小于5.2 m/d，必須加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，同時(shí)采取防火措施。而36203綜采面日平均推進(jìn)速度為5.5 m/d左右，大于采空區(qū)自燃的安全推進(jìn)度，因此正常開(kāi)采條件下不會(huì)引起浮煤自燃。