厚煤層綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布特征及其防治方法

李璐璐

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)晉城煤炭事業(yè)部陽(yáng)城晉圣固隆煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

0 引 言

煤自燃一直是威脅煤礦安全高效開(kāi)采的重點(diǎn)問(wèn)題[1,2]。隨著煤層的開(kāi)采，在采動(dòng)應(yīng)力擾動(dòng)下，覆巖垮落后裂隙導(dǎo)通地表及井下煤柱及密閉存在裂隙，導(dǎo)致煤自燃給工作面安全開(kāi)采帶來(lái)安全隱患[3,4]，分析厚煤層綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布特征及其防治方法對(duì)于指導(dǎo)礦山煤自燃防治及其安全回采意義重大[5,6]。在這方面研究中，趙建波等[7]對(duì)山西金暉瑞隆煤礦8115 采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了測(cè)定與劃分，推算了工作面極限推進(jìn)速度為每月8.7 m；楊富強(qiáng)等[8]采用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律進(jìn)行研究，指出O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度的增加呈顯著下降趨勢(shì)，確定工作面最小推進(jìn)速度為4.08 m/d；尚瑋煒等[9]以O(shè)2濃度作為自燃“三帶”的劃分指標(biāo)，獲得試驗(yàn)工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，確定采空區(qū)內(nèi)高危險(xiǎn)區(qū)域的范圍，并計(jì)算了工作面的最大停產(chǎn)整頓時(shí)間為7 d。綜合文獻(xiàn)分析，對(duì)于采空區(qū)自燃“三帶”的研究主要采用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，并確定合理的推進(jìn)速度，以此為依據(jù)提出有效的防治技術(shù)。針對(duì)固隆煤礦1301 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分析與防治需要，采用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”內(nèi)部特征進(jìn)行了研究，并給出了針對(duì)性的采空區(qū)自燃防治方法，可為綜放工作面采空區(qū)煤自燃防治提供指導(dǎo)與借鑒。

1 工作面概況

固隆煤礦1301 工作面主采3 號(hào)煤層，工作面位于+620 m 水平，所處標(biāo)高為+680～+705 m，推進(jìn)長(zhǎng)度739 m，傾斜長(zhǎng)度166.5 m，煤層平均厚3.95 m，平均傾角5.5°。1301 工作面北部為寺頭斷層，切眼距離寺頭斷層設(shè)計(jì)留有30 m 保安煤柱，南部為一盤(pán)區(qū)軌道進(jìn)風(fēng)巷，東部距1302 工作面25 m，西部為1310工作面，現(xiàn)在正在掘進(jìn)；工作面采用綜合機(jī)械化放頂煤開(kāi)采工藝，煤層頂?shù)装迩闆r見(jiàn)表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，工作面絕對(duì)瓦斯絕對(duì)涌出量為2.49 m3/min，煤層自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí)，采用“U”型通風(fēng)，實(shí)際需風(fēng)量為860 m3/min。確定詳細(xì)直觀的自燃氧化帶的形狀和寬度，特別是采空區(qū)中的氧氣和流場(chǎng)隨著工作面推移的變化情況，對(duì)于工作面安全回采至關(guān)重要。

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定

2.1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定方法

采空區(qū)自燃“三帶”主要包括散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶，主要以采空區(qū)氧含量的分布情況進(jìn)行測(cè)定劃分。將O2含量≥18.0%定為散熱帶；O2含量10%～18.0%定為氧化帶；將O2含量≤10%定為窒息帶。研究在工作面兩側(cè)巷道共布置2 條抽氣管路，管路布置情況如圖1 所示。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)氣體抽測(cè)與分析，確定采空區(qū)自燃“三帶”。

圖1 束管及抽氣點(diǎn)位置圖

2.2 測(cè)定結(jié)果分析

1301 工作面進(jìn)風(fēng)巷道與回風(fēng)巷道采空內(nèi)氧氣含量測(cè)定結(jié)果如圖2 所示。可以看出，隨著工作面推進(jìn)距離延長(zhǎng)，進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)氧氣含量整體呈現(xiàn)降低發(fā)展特征。對(duì)于進(jìn)風(fēng)側(cè)而言，位于采空區(qū)內(nèi)24 m時(shí)，監(jiān)測(cè)氧氣含量為18.1%，位于采空區(qū)內(nèi)126 m時(shí)，監(jiān)測(cè)氧氣含量為9.72%，可以看出工作面距采空區(qū)0～24 m 為散熱帶，24～126 m 為氧化帶，超過(guò)126 m 為窒息帶；對(duì)于回風(fēng)側(cè)而言，位于采空區(qū)內(nèi)10.5 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)氧氣含量為17.9%，位于采空區(qū)內(nèi)60 m 時(shí)，監(jiān)測(cè)氧氣含量為9.86%，可以看出工作面距采空區(qū)0～10.5 m 為散熱帶，10.5～60 m 為氧化升溫帶，采空區(qū)以里超過(guò)60 m 為窒息帶。綜合分析，對(duì)于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)，采空區(qū)自燃三帶分布范圍不同，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)三帶范圍更大，特別是氧化升溫帶達(dá)102 m，需引起足夠重視。

圖2 采空區(qū)氧氣含量測(cè)定結(jié)果

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬分析

3.1 流速劃分下采空區(qū)氧化升溫帶

1301 工作面采用“U 型”通風(fēng)，為“一進(jìn)一回”通風(fēng)方式，通過(guò)模擬可得U 型通風(fēng)壓力及流線分布情況如圖3 所示。采空區(qū)通風(fēng)壓力分布沿采空區(qū)走向中軸線呈對(duì)稱分布特征，進(jìn)風(fēng)側(cè)風(fēng)壓明顯大于回風(fēng)側(cè)。在漏風(fēng)壓力驅(qū)動(dòng)下采空區(qū)漏風(fēng)跡線經(jīng)進(jìn)風(fēng)巷流經(jīng)采空區(qū)再有回風(fēng)巷流出。

圖3 U 型通風(fēng)壓力及流線分布圖

U 型通風(fēng)下工作面風(fēng)速分布情況如圖4 所示。可以看出，供風(fēng)風(fēng)流在流經(jīng)工作面時(shí)仍保持著較高的流速，但在進(jìn)回風(fēng)隅角由于風(fēng)流變向和漏風(fēng)的影響，風(fēng)速略有減小。

圖4 U 型通風(fēng)工作面及采空區(qū)風(fēng)速分布圖

為進(jìn)一步分析采空區(qū)氧化帶升溫的位置，根據(jù)0.24 m/min 和0.1 m/min 對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分。以漏風(fēng)風(fēng)速為指標(biāo)劃分的氧化升溫帶的分布范圍見(jiàn)圖5。可以看出，采空區(qū)氧化帶分布在采空區(qū)后方25～124 m 范圍內(nèi)，由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性，兩巷附近的漏風(fēng)流速等值線較中部更加深入，氧化深度更大。在進(jìn)風(fēng)側(cè)，0.24 m/min的等值線可深入到采空區(qū)走向124 m 左右位置。

圖5 采空區(qū)自燃氧化帶的分布范圍

3.2 氧氣濃度劃分下采空區(qū)氧化升溫帶

采空區(qū)中部及兩側(cè)氧濃度變化情況如圖6 所示。可以看出，采空區(qū)的氧氣濃度分布呈現(xiàn)不均勻性分布特征，進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)氧化升溫帶寬度明顯高于回風(fēng)側(cè)，這與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)60 m 時(shí)氧氣濃度為18%，120 m 時(shí)氧氣濃度為10%；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)10 m 時(shí)氧氣濃度為10%；中部采空區(qū)氧化帶濃度10%～18% 的區(qū)間對(duì)應(yīng)采空區(qū)20～70 m 位置。

圖6 采空區(qū)中部及進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度變化

在分析采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，為清楚地了解采空區(qū)自燃氧化帶的分布形態(tài)，得到了以采空區(qū)氧氣濃度18%～10% 為劃分指標(biāo)的采空區(qū)氧化帶分布如圖7 所示。可以看出，氧化帶寬度在采空區(qū)內(nèi)部由近風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)整體表現(xiàn)為先快速增加后緩慢減小特征，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度達(dá)65 m，中部氧化帶寬度達(dá)58 m，回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度達(dá)22 m。

圖7 采空區(qū)的氧化帶分布圖

綜合分析，結(jié)合漏風(fēng)風(fēng)速和氧氣濃度為指標(biāo)劃分的氧化帶范圍，為了降低采空區(qū)煤自燃風(fēng)險(xiǎn)，取風(fēng)速和氧氣濃度確定的氧化帶范圍的并集，最終確定氧化帶的范圍為22～130 m，與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果具有較高的吻合度，證實(shí)了研究結(jié)果的可靠性。

4 采空區(qū)自燃防治方法

4.1 保證工作面安全推進(jìn)速度

確定合理的工作面安全推進(jìn)速度，對(duì)于采空區(qū)自燃防治具有重要的指導(dǎo)作用，根據(jù)前述研究獲得的采空區(qū)氧化帶范圍，工作面最小安全推進(jìn)速度確定方法如下[10]：

式中：dmax為采空區(qū)最大氧化帶范圍，m；T為煤層平均自然發(fā)火期，d。

固隆煤礦3 號(hào)煤層平均自然發(fā)火期為100 d，采空區(qū)最大氧化帶范圍為130 m，帶入公式（1），可得，工作面最小安全推進(jìn)速度為1.3 m/d。綜合分析，為保證工作面安全回采，其推進(jìn)速度應(yīng)不小于1.3 m/d，考慮現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)條件及環(huán)境因素影響，最終確定工作面安全推進(jìn)速度為2 m/d。

4.2 注氮防治

1301 工作面在推進(jìn)過(guò)程中，要定期對(duì)工作面后方采空區(qū)內(nèi)CO 含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)CO 含量存在異常時(shí)，可將之前鋪設(shè)的疏放水孔加以利用，對(duì)采空區(qū)氧化升溫帶實(shí)施注氮，直到氧濃度降低到10%以下。1301 工作面制氮裝置位于輔運(yùn)巷內(nèi)，采用2 條注氮管路循環(huán)注氮工序，注氮管口應(yīng)保證高于巷道底板達(dá)300 mm，直至采空區(qū)內(nèi)氧濃度符合要求為止，為防止注氮管控被掉落矸石碰砸及堵孔，管口端部位置應(yīng)高于巷道底板不小于300 mm，并架設(shè)木垛進(jìn)行支撐保護(hù)。現(xiàn)場(chǎng)工作面采空區(qū)實(shí)施注氮后，對(duì)采空區(qū)內(nèi)氧濃度進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，氧濃度為7.5%，注氮防治效果顯著。

4.3 堵漏防治

在1301 工作面推進(jìn)過(guò)程中，還需時(shí)刻排查因開(kāi)采擾動(dòng)影響導(dǎo)致的采空區(qū)漏風(fēng)情況，一旦出現(xiàn)氧含量異常要及時(shí)對(duì)裂隙進(jìn)行封堵，實(shí)施過(guò)程中，可將封堵材料裝入絲袋內(nèi)，對(duì)工作面端頭及進(jìn)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)處布設(shè)絲袋密閉，隨后對(duì)密閉區(qū)域再次進(jìn)行噴漿封堵；同時(shí)還應(yīng)對(duì)所留煤柱及原有密閉墻裂隙擴(kuò)展情況進(jìn)行定期排查，對(duì)于因裂隙存在導(dǎo)致的漏風(fēng)點(diǎn)采用高分子材料進(jìn)行充填，避免漏風(fēng)情況的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1）通過(guò)對(duì)1301 工作面進(jìn)風(fēng)巷道與回風(fēng)巷道采空內(nèi)氧氣含量進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，確定進(jìn)回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”范圍，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”范圍更大，氧化升溫帶達(dá)102 m，需引起足夠重視。

2）通過(guò)數(shù)值模擬分析，采空區(qū)的氧氣濃度分布呈現(xiàn)不均勻性分布特征，采空區(qū)氧化升溫帶分布在采空區(qū)后方25～124 m 范圍內(nèi)，由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性，兩巷附近的漏風(fēng)流速等值線較中部更加深入，氧化深度更大；取風(fēng)速和氧氣濃度確定的氧化帶范圍的并集，最終確定氧化帶范圍為22～130 m。

3）針對(duì)1301 工作面采空區(qū)自燃防治需要，研究確定工作面合理安全推進(jìn)速度為1.5 m/d，并提出了采空區(qū)漏風(fēng)段注氮與堵漏相結(jié)合的煤自燃防治方法，消除了漏風(fēng)隱患，保證了工作面安全回采。

4）現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，很好的彌補(bǔ)了現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的缺陷，為采空區(qū)“三帶”劃分提供有利支持，有助于了解采空區(qū)自然發(fā)火早期的成長(zhǎng)過(guò)程，為掌握整個(gè)采空區(qū)的自燃“三帶”分布特征及提出合理煤自燃防治方法提供了有力支撐。