近距离煤层联合开采自然发火规律研究

迟克勇 张振乾

(1.山西工程职业学院，山西省太原市，030032； 2.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西省太原市，030024)

近年来，随着开采深度和强度的增加、采空区范围的扩大、厚煤层综采放顶煤技术的广泛应用以及近距离煤层群开采的相互影响，造成采空区遗煤量多、漏风严重，大大增加了煤层自然发火危险性。特别是在近距离煤层开采时，由于煤层间距较小，受采动影响，上下煤层间采空区容易形成漏风通道，并且采空区遗煤在高度上呈立体分布，导致煤层自燃更加严重、自燃规律更加复杂，预测和治理难度加大。积极开展近距离自燃煤层联合开采采空区自然发火规律的研究，建立近距离煤层联合开采自燃火灾防治的综合技术体系，对有效防止煤层自然发火，保证矿井的安全生产具有重要意义。

近距离煤层自然发火防治的关键在于确定近距离上下煤层采空区之间的漏风通道。目前国内外学者和现场工程技术人员对矿井漏风检测技术进行过许多研究，提出了许多测定方法。应用SF6示踪气体检测矿井采空区漏风是煤矿井下最常用的测定方法之一。邬剑明等研究采用CFD模拟技术、束管采样分析技术和SF6示踪测定技术结合起来，模拟采空区空气流动的规律，判定采空区自燃危险区域；王辉跃针对综放工作面周围存在老空区和老巷的情况，利用SF6示踪气体查找了工作面和胶带运输巷的漏风通道，并定量测定了漏风量，为防治自然发火提供基础参数。但现场实际过程中由于近距离煤层联合开采采空区巷道连接关系复杂，存在“多源多汇”的漏风关系，采用单一方法很难有效检测采空区漏风的大小和确定近距离上下煤层采空区之间的漏风通道。能位测定一方面可以了解采空区周围巷道漏风源和漏风汇之间的能位关系，为定性分析采空区的漏风关系提供理论基础，另一方面利用通风网络能位图，可以方便地分析通风系统中相邻分支节点间的压能关系，借以判断其间的漏风通道是否存在和漏风方向。通过能位测定可为利用示踪技术定量检测采空区漏风提供前期准备，避免盲目性。现场实际表明，能位测定与SF6示踪技术相结合的方法可以快速准确检测复杂采空区漏风通道、判断漏风方向和估计漏风风速。该方法有利于提高复杂采空区漏风检测的科学性和准确性，对减少采空区漏风，预防近距离煤层联合开采采空区煤炭自燃具有重要意义。

1 矿井及工作面概况

山西灵石华苑煤业有限公司位于灵石县两渡镇景家沟附近，设计生产能力0.90 Mt/a，矿井服务年限14.1 a。矿井首采区布置在二采区，采用9#煤层和10#煤层工作面联合开采，外错垂直布置。工作面联合开采巷道布置平面图见图1。

图1 工作面联合开采巷道布置平面示意图

9201工作面和10201工作面均为首采面，9201工作面平均采高1.12 m，工作面长150 m；10201工作面平均采高4.2 m，工作面长170 m。10201工作面位在9201工作面正下方，外错10 m布置。两个工作面层间距为5.28 m，前后错距设计为78 m，在实际生产过程中结合支护等因素，目前暂控制在30～40 m之间。9#煤层和10#煤层均属自燃煤层，含硫高，存在自然发火危险，其中9#煤层为薄煤层开采，回采率高，采空区遗煤少，不易发生自燃，而10#煤层为厚煤层，采空区遗煤相对较多，自燃危险性较大，同时由于9#、10#煤层为近距离煤层联合开采，9#与10#煤层采空区相互连通，存在漏风通道，且9#煤层保护煤柱会丢入到10#煤层采空区，增加了采空区遗煤自燃危险性。

2 近距离煤层联合开采采空区自然发火规律

近距离煤层采空区是由上下煤层采空区和夹矸共同组成的复杂松散体，其松散体物理化学作用复杂，空气渗流场呈非稳态变化，从而使得近距离煤层采空区自然发火过程十分复杂。华苑煤业9#、10#煤层为近距离煤层联合开采，外错垂直布置，在开采过程中具有以下特点和规律。

(1)近距离煤层工作面采空区遗煤在空间上，具有分层分布的特点。9#煤层采用长壁式薄煤层综采采煤方法，煤层薄、回采率高，采空区基本没有遗煤，但其保护煤柱在10#煤层的采空区范围内，易破坏或丢入到10#煤层采空区；10#煤层为厚煤层，采用长壁式厚煤层一次采全高综采采煤方法，采空区存在一定量的遗煤，因此，近距离煤层采空区呈现“10#层遗煤-矸石-9#层保护煤柱”分布，采空区“三带”分布在高度上存在一定的差异。

(2)9#煤层为薄煤层开采，采空区发火几率低，但其保护煤柱在本煤层开采期间经历初次氧化，在10#煤层开采过程中处在下部煤层的冒落裂隙带内，易再次被漏风氧化，从而导致其保护煤柱发火危险性增加。

(3)10#煤层采空区中部发火率低，周边发火几率高，采空区周边主要包括开切眼、巷道和停采线，即“两道两线”，在其附近由于老顶及部分直接顶呈悬臂梁结构，该结构与煤壁、底板形成冒落三角区，其密实性差，且不易压实，冒落三角区沿采空区四周连通，成为采空区内部漏风的主要通道；另外，9#煤层保护煤柱可能丢入到冒落三角区内，加大了采空区松散浮煤，从而使得10#煤层采空区周边的发火几率高，中部自然发火几率低。

(4)9#煤层停采线附近自然发火危险性较大。停采线周围遗留大量松散煤体，工作面停采撤架、封闭周期较长，其氧化升温时间长，因此停采线附近自然发火危险性较大。另外，上层煤停采密闭后，在下分层的继续开采过程中，其停采线两端风压差最大，漏风作用时间长，且为固定地点漏风，因此，上煤层停采线附近自燃危险性最大。

3 联合开采采空区漏风规律研究

根据现场漏风测定的需要，结合现场巷道布置的具体实际，在现场调查基础上制定了能位测定测试方案。根据9201工作面和10201工作面布置条件，共选择测点9个，沿预先选定的测定线路采用逐点测定法测定，具体布置显示如图1所示。此时9201工作面剩余推进长度约620 m，在剩余推进长度约290 m处施工1条探巷，且已贯通；10201工作面剩余推进长度约665 m，错距约45 m。其中进风巷10201工作面滞后9201工作面约42 m，回风巷10201工作面滞后9201工作面约47 m。利用上述仪器对9个测点的绝对静压、温度、相对湿度、密度、风速、风量等进行测算，取井底车场为位能基准面，测算结果如表1所示。

表1 测点参数测定结果

依据测定结果，以井底车场1#测点作为基准，可计算得到各测点相对1#测点能位值。根据计算结果，可以得出9201工作面进风口、进风隅角、回风隅角、回风口的压能均高于10201工作面各对应点的压能，同时根据工作面进回风量发现，9201工作面回风量比进风量少了31 m3/min，而10201工作面回风量比进风量多了55 m3/min，因此，华苑煤业近距离煤业开采过程中如果存在漏风，则主要由9#煤层采空区流向10#煤层采空区。

4 示踪气体测定漏风技术

4.1 第一次释放

根据前面能位测定可知，华苑煤业近距离煤层开采过程中如果存在漏风，则主要由9#煤层采空区流向10#煤层采空区，因此，在9#煤层进风隅角瞬时释放SF6气体，在10#煤层进风隅角、10#煤层回风隅角和10#煤层束管监测点接收。第一次释放SF6测定测点布置如图2所示。释放地点为9201工作面进风隅角处，此时距开切眼620 m；接收地点为10201工作面进风隅角、回风隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采样点(此时埋入采空区深度分别约74 m、56 m、38 m、20 m和2 m)。释放量为5 kg；释放10 min后进行取样，之后每隔10 min取样1次，共15次；风流中气样使用吸气球采样，束管气样使用专用抽气泵采样，并用球胆存储。采样球使用前在地面进行了3次换气冲洗，使球胆中完全不含有SF6，并进行气密性试验。井下采样时直接取样，并立即用弹簧夹子和绳封闭气嘴，以防漏气。取样完成后立即送实验室进行气样分析。

图2 第一次释放SF6测定测点布置图

通过本次SF6瞬时释放和接收测试结果可知，在7个SF6接收点中仅10#煤层回风隅角接收到了在9#煤层进风隅角释放的SF6气体，但其出现的浓度较低，且仅在释放后80～90 min期间出现，漏风风速约2.5 m/min，说明9#煤层采空区与10#煤层采空区之间由于压差较小，采空区压实条件较好，从9#煤层流向10#煤层采空区的漏风通道不畅通，漏风量很小，因此，9#煤层采空区漏风对10#煤层采空区自燃影响不大。

4.2 第二次释放

为了测试10#煤层工作面采空区漏风状况，在10201工作面进风隅角释放SF6气体，在工作面回风侧布置的束管监测点采集气样分析，判断本煤层采空区的漏风范围及漏风通道，为研究10#煤层采空区漏风规律提供依据。为减少第一次SF6释放试验的影响，间隔3 d，待第一次释放的SF6基本排除完后进行第二次试验。第二次释放SF6测定测点布置如图3所示。释放地点为10201工作面进风隅角处，此时距开切眼652 m；接收地点为10201工作面回风隅角、束管1#、2#、3#、4#、5#采样点(此时埋入采空区深度分别约79 m、61 m、43 m、25 m和7 m)。释放量为10 kg；在释放10 min后开始采样，之后每隔10 min取样1次，共12次。

图3 第二次释放SF6测定测点布置图

根据示踪气体的峰值浓度到达采样点时刻计算风速，漏风轨迹简化为直线考虑，则第二次释放各测点的SF6气体浓度随时间变化曲线如图4所示，瞬时释放SF6测定结果见表2。

由图4和表2可知，由于10#煤层顶板冒落性较好，1#和2#束管采样点在释放110 min后检测到SF6气体，但其浓度极小，说明该处漏风通道不畅；3#、4#和5#束管采样点SF6气体浓度较高，说明该处漏风通道较好，漏风风速在1.65～2.67 m/min；而在工作面回风隅角SF6气体浓度最高，且在第一次采样就检测到，说明释放的SF6气体主要沿工作面及工作面采空区后部未压实区域流动，该区域也是工作面漏风供氧区域，即工作面自燃危险区域。10201工作面采空区漏风线路如图5所示。

图4 第二次释放各测点的SF6气体浓度随时间变化曲线

表2 瞬时释放SF6测定结果

5 结论

(1)通过能位测定，9201工作面压能均高于10201工作面各对应点的压能，华苑煤业近距离煤层开采过程中采空区沟通时如果存在漏风，则主要由9#煤层采空区流向10#煤层采空区。

(2)通过在9201工作面进风隅角瞬时释放SF6示踪气体，在9201工作面进风隅角、回风隅角、1#～5#束管采样点接收测试结果可知，在7个SF6接收点中仅10#煤层回风隅角接收到了在9#煤层进风隅角释放的SF6气体，但其出现的浓度较低，且仅在释放后80～90 min期间出现，漏风风速约2.5 m/min。表明采空区压实条件较好，从9#煤层流向10#煤层采空区的漏风通道不畅通，漏风量很小。因此，9#煤层采空区漏风对10#煤层采空区自燃影响不大。

图5 10201工作面采空区漏风示意图

(3)通过在10201工作面进风隅角瞬时释放SF6示踪气体，在10201工作面回风隅角、1#～5#束管采样点接收测试结果可知，在工作面采空区61 m前范围内由于冒落的岩石未完全压实，漏风通道较好，是煤自燃的危险区域。10201工作面部分风流沿工作面后方未压实区流动，建议生产过程中在工作面上下隅角加设挡风帘，以减少向采空区的漏风。