煤峪口礦綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布研究

謝承瑩 楊建武 陳玉龍

（1.晉能控股煤業(yè)集團煤峪口礦，山西 大同 037041；2.山西煤炭運銷集團科學(xué)技術(shù)研究有限公司，山西 太原 030000）

在我國現(xiàn)存的資源構(gòu)架中，煤炭資源仍占據(jù)著主要地位。隨著煤炭的持續(xù)高效開采，煤自燃仍是煤礦急需解決的問題[1-2]。煤峪口礦C3-5#煤層工作面回采過程中，氧氣通過采動裂縫進入采空區(qū)，遺煤蓄熱氧化，采空區(qū)經(jīng)常存在CO 氣體濃度較高的現(xiàn)象，這對工作面開采來說是十分嚴(yán)重的安全隱患[3]。礦井雖然采取了注氮等防滅火措施，由于對工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域缺乏判斷，因此，措施針對性不強，收效甚微。通過對C3-5#煤層工作面采空區(qū)自燃“三帶”進行研究，可以判定采空區(qū)自燃危險區(qū)域，即可針對采空區(qū)自燃危險區(qū)域采取防滅火措施，消除自然發(fā)火隱患，保障工作面的安全開采。

1 礦井概況

煤峪口礦C3-5#煤層8101 綜采工作面位于井田中部。東部為實煤區(qū)，南部為盤區(qū)巷道，西部為瓦抽硐室，北部為礦界。上覆為煤峪口礦侏羅系14#層404 盤區(qū)8402～8412 采空區(qū)，層間距約為145 m，共計8 個采空區(qū)。C3-5#煤層8101 工作面走向長926.2 m，傾向長152 m，煤層厚度為9.1～36.3 m，平均厚度為17.4 m。8101 工作面采用走向長壁后退式綜合機械式低位放頂煤采煤方法，采高為3.8 m，平均采放比為1:3.58，已通過可行性論證。

2 采空區(qū)“三帶”現(xiàn)場觀測

2.1 測點布置

現(xiàn)場采用在進、回風(fēng)巷道布置束管的方式，觀測采空區(qū)兩側(cè)各點氧濃度分布情況。分別在8101回采工作面進、回風(fēng)巷各預(yù)先埋設(shè)一趟取氣管路，進風(fēng)側(cè)埋設(shè)3 個測點，回風(fēng)側(cè)埋設(shè)3 個測點，測點間距為40 m，上隅角安設(shè)1 處測點隨采隨移。束管采樣點布置圖如圖1。采空區(qū)埋設(shè)束管外包鋼絲纏繞保護套管，以保護束管不被破壞。每天進行取樣化驗分析，并安排專人巡檢管路，用球膽（氣囊）對各個采樣點取氣，送至色譜站分析測定。

圖1 8101 工作面采空區(qū)采樣點布置示意圖（m）

2.2 采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律

8101 綜放工作面束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)自燃“三帶”觀測時間為：2021 年10 月2 日至2022 年2 月6 日，共歷時124 d。對進風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽各測點數(shù)據(jù)進行分析整理，采空區(qū)自燃“三帶”劃分?jǐn)?shù)據(jù)采用進、回風(fēng)順槽兩側(cè)采空區(qū)1#測點處的數(shù)據(jù)。利用Origin 分別作出采空區(qū)內(nèi)部進、回風(fēng)兩側(cè)1#測點隨工作面推進氧氣濃度變化的趨勢圖，如圖2、圖3。

圖2 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)1#測點氧氣濃度變化趨勢

圖3 進風(fēng)側(cè)采空區(qū)1#測點氧氣濃度變化趨勢

以氧濃度18%和7%作為自燃“三帶”分界線[4]。由圖2 和圖3 分析可得，8101 綜采工作面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)在距離工作面33.5 m 的位置，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到18%左右。隨著工作面不斷向前推進，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度雖然出現(xiàn)輕微波動，但總體上呈現(xiàn)不斷減小的趨勢，在測點距離工作面150 m 的位置，氧氣濃度下降到7%左右；在采空區(qū)進風(fēng)側(cè)，在距離工作面47.5 m 的位置，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到18%左右。隨著工作面不斷推進，氧氣體積分?jǐn)?shù)在距離工作面166 m 的位置下降到7%左右。

因此，從監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，回風(fēng)側(cè)的散熱帶范圍為距工作面0～33.5 m 左右，氧化帶的范圍為距工作面33.5～150 m 左右，之后為窒息帶；進風(fēng)順槽側(cè)的散熱帶范圍為距工作面0～47.5 m 左右，氧化帶的范圍為距工作面47.5～166 m 左右，之后為窒息帶。采空區(qū)“三帶”劃分表見表1。

表1 采空區(qū)“三帶”劃分 m

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

3.1 物理模型建立及邊界條件

根據(jù)工作面概況，采空區(qū)物理模型可以由2101進風(fēng)巷、5101 回風(fēng)巷、頂抽巷、綜采工作面和采空區(qū)五部分組成，煤峪口U+I 型通風(fēng)采空區(qū)物理模型如圖4，采空區(qū)模型參數(shù)見表2。

表2 采空區(qū)模型參數(shù) m

圖4 8101 綜采工作面采空區(qū)物理模型

使用ICEM 功能劃分網(wǎng)格，在劃分網(wǎng)格過程中，工作面以及巷道網(wǎng)格步距1 m，采空區(qū)網(wǎng)格步距3 m，共計網(wǎng)格單元906 843 個，網(wǎng)格質(zhì)量使用傾斜度（Skewness）查看，Maxiumcellskewness 為0.711 59，由此可以判斷網(wǎng)格質(zhì)量較好，符合運算條件[5]。

將工作面、進風(fēng)巷和回風(fēng)巷均設(shè)置為流體區(qū)域，將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域。采用C 語言編寫自定義函數(shù)，并加載到采空區(qū)多孔介質(zhì)區(qū)域中。模型邊界條件設(shè)置見表3，其中Velocity-inlet 中速度的負(fù)值表示速度出口，正值為速度入口。

表3 模型邊界條件

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

采用Fluent 數(shù)值模擬軟件，計算煤峪口礦8101綜采工作面采空區(qū)的O2分布，繪制出距底板2 m水平位置（z=2 m）O2體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖5 所示。

圖5 距底板2 m 氧氣濃度分布云圖

分析圖5 可知，在U+I 型通風(fēng)方式下，采空區(qū)氧氣濃度同樣呈“U”形分布，這是由于采空區(qū)“O”型圈碎脹理論[6]造成的。沿工作面方向，采空區(qū)內(nèi)的氧濃度與距進、回風(fēng)側(cè)的距離呈正相關(guān)，即距兩側(cè)距離越小氧濃度越大、距工作面中部距離越小氧濃度越小；采空區(qū)內(nèi)隅角處氧濃度最大為20.87%。沿采空區(qū)深度方向，采空區(qū)內(nèi)的氧濃度與距工作面的距離呈負(fù)相關(guān)，即距工作面距離越大氧濃度越小，致使采空區(qū)深部形成了一個低氧濃度區(qū)域。采空區(qū)自燃“三帶”見表4。

表4 采空區(qū)自燃“三帶”分布 m

3.3 綜合結(jié)果分析

綜合觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果可知，模擬出的采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致，驗證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。當(dāng)工作面推進速度緩慢時，將為采空區(qū)遺煤與漏入的空氣之間進行氧化反應(yīng)提供充分時間，易自然發(fā)火[7]。因此，在工作面回采過程中，為了防止采空區(qū)自燃事故，應(yīng)該減小氧化帶的寬度，并確定恰當(dāng)?shù)墓ぷ髅孀钚“踩七M度。

4 工作面最小安全推進速度

在工作面回采過程中，為了防止煤自燃的最低安全回采速度稱為工作面最小安全推進度，其計算公式如下[8]：

式中：Vf為工作面最小安全推進速度，m/d；LS為采空區(qū)中氧化帶的寬度，m；T為煤層最短自然發(fā)火期，d；K為氧氣濃度實驗值與氧氣濃度實際值的比值，本次取K=21%/12.5%=1.68。

煤峪口礦C3-5#煤層最短自然發(fā)火期為82 d，采空區(qū)自燃“三帶”中氧化帶最大寬度為118.5 m。經(jīng)過上式計算得出8101 綜放工作面最小推進速度約為0.86 m/d。8101 綜放工作面平均日推進速度約1.5 m/d，即大于工作面最小推進度。因此，在此開采條件下，理論上采空區(qū)遺煤自燃的可能性較小。

5 結(jié)論

1）確定了8101 工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍，分別為，散熱帶：進風(fēng)側(cè)0～47.5 m，回風(fēng)側(cè)0～33.5 m；氧化帶：進風(fēng)側(cè)47.5～166 m，回風(fēng)側(cè)33.5～150 m；窒息帶：進風(fēng)側(cè)＞166 m，回風(fēng)側(cè)＞150 m。

2）煤峪口礦8101 綜采工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測范圍結(jié)果相吻合，兩種方法互相佐證，提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3）結(jié)合“三帶”劃分結(jié)果和工作面最小推進度來看，工作面最小推進度應(yīng)為0.86 m/d，而8101綜放工作面平均日推進度約為1.5 m/d，略大于最小推進度。結(jié)合工作面日常防滅火管理條件，建議加快工作面的推進度，再輔以其他防滅火措施，對采空區(qū)進行惰化處理，減少采空區(qū)氧化帶的寬度，可保證工作面的安全開采。