浅埋深中厚煤层综采工作面采空区自燃“三带”划分及自燃防治技术研究

冯志刚

煤矿采空区中因回采不完全而遗留下的煤炭，在满足条件的前提下会发生自燃[1]，是威胁煤矿安全生产中的一大灾害[2]。作为矿井防灭火较为基础的采空区自燃“三带”划分部分，通过采空区铺设束管测点及温度测点，建立回采工作面采空区三维计算模型，准确划分工作面采空区“散热带”、“氧化升温带”、“窒息带”的宽度，明确采空区遗煤位于氧化自燃带的时间，计算合理推进度，提出可实行的工作面综合防灭火技术措施[3]。

1 概况

35106 综采工作面位于某煤矿5-2上煤层，北邻35105采空区，南邻35107备采工作面，西部为切眼，东邻三采区集中辅运巷，切眼向西为5-2上煤层与5-2煤层结合点，煤层埋深75.2 m～166.6 m，煤层厚度1.75 m～2.2 m，平均煤厚1.94 m，煤层倾角1°～3°。煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层。工作面设计宽度294.5 m，走向长2 803 m，采高2.1 m。

2 现场观测与数据分析

2.1 测点布置

在35106 综采工作面胶运顺槽和回风顺槽预埋2吋钢管各300 m，均布置3个测点，相邻测点之间间隔50 m，采样测温点距最近测点间距为150 m。工作面采空区自燃“三带”测点布置见图1。

图1 采空区测点布置示意图

预埋采样束管和温度传感器外套2吋钢管，各测点探头外套3吋钢管进行保护，每根束管抽取一个测点的气样，测温导线从2吋钢管内拉出，考虑片帮、采空区积水及顶板冒落对测点破坏的可能，对每个测点分别加工保护支管，高度1.5 m，温度传感器探头在保护支管内略高于束管进气口，防止抽取气样时高速气流对测定温度产生影响，采空区各监测探头内管线布置见图2。

图2 采空区监测探头内管线布置示意图

2.2 实测结果及分析

随着35106 综采工作面的推进，对每天的推进度、测点气体浓度变化和温度变化进行统计，自2016年6 月13 日至7 月19 日共历时37 天，工作面累计推进299.5 m，其中，工作面胶运顺槽1#测点和回风顺槽4#测点在进入采空区后，O2浓度和温度变化趋势明显，所以选择这两处测点数据作为本工作面采空区“三带”划分的依据。

（1）测点O2浓度变化分析

35106 综采工作面胶运顺槽1#测点进入采空区92.8m 左右时，O2浓度降至17.84%，随着工作面的推进，除部分区域受采空区漏风影响，O2浓度间歇上升以外，总体呈持续下降的趋势。当进入采空区241.5m左右时，O2浓度降至6.86%。

35106 综采工作面回风顺槽4#测点进入采空区69.8m 左右时，O2浓度降至17.83%，当进入采空区203.9 m左右时，O2浓度下降至6.58%。

两处测点O2浓度随埋入采空区深度的变化曲线，分别见图3、图4。

图3 胶运顺槽1#测点O2浓度变化图

图4 回风顺槽4#测点O2浓度变化图

（2）测点温度变化分析

35106综采工作面胶运顺槽1#测点、回风顺槽4#测点分别处于进、回风隅角时，回风顺槽4#测点温度略高于胶运顺槽1#测点的温度。随着测点逐渐深入采空区，测点温度整体呈先上升后下降的趋势，这是因为当测点进入氧化升温带后，风流不能带走煤氧复合反应产生的全部热量，此时热量得到集聚，测点温度呈上升的趋势；当测点进入窒息带后，氧气浓度下降到无法维持采空区遗煤氧化自燃持续发展的程度，此时测点温度整体呈下降的趋势。

两处测点温度随埋入采空区深度的变化曲线，分别见图5、图6。

图5 胶运顺槽1#测点温度变化图

图6 回风顺槽4#测点温度变化图

3 采空区漏风流场数值模拟

通过建立某煤矿35106 综采工作面采空区三维计算模型，依据现场实际，规范边界条件并精简计算模型，采用气体渗流方法进行计算求解，掌握采空区渗流速度场和氧浓度场的分布规律。

3.1 计算模型的建立及网格划分

建立35106 综采工作面采空区三维计算模型的网格划分标准是浮煤层网格步长划分为0.5 m，岩石层网格步长划分为1 m，设定工作面倾向方向X 轴，采空区高度方向为Y轴，工作面走向方向为Z轴。

3.2 边界条件设定

35106 综采工作面采空区气体渗流模型的边界条件，包括胶运顺槽、回风顺槽内风流的速度、气体浓度及其巷道断面参数等。（1）壁面上漏风强度Qˉ=0；（2）胶运顺槽边界设定为速度入口，距工作面前方10 m 处风速平均约为0.90 m/s，入口气体为标准空气；回风顺槽设定为自由出流。

3.3 数值模拟结果及分析

基于上述采空区计算模型的建立，运用ANSYS FLUENT 16.2 数值模拟了某煤矿35106 综采工作面采空区氧浓度场和渗流速度场的分布规律。

（1）采空区氧浓度场数值模拟

工作面采空区氧浓度场数值模拟结果，见图7。

图7 工作面距煤层底板1m平面上采空区氧浓度分布图

胶运顺槽侧在距工作面90 m 左右氧浓度大于18%，在90m 之后随着采空区深度的增加氧浓度迅速降低，当距工作面240 m 左右时氧浓度降至7%以下；回风顺槽侧在距工作面70 m 左右氧浓度大于18%，当距工作面200 m左右时氧浓度降至7%以下。

（2）采空区渗流速度场数值模拟

工作面采空区渗流速度场数值模拟结果，见图8。

图8 工作面距煤层底板1m平面上采空区渗流速度分布图

渗流速度在进、回风隅角较大，由于工作面采用抽出式通风方法，进、回风隅角漏风比较严重。

4 采空区自燃“三带”分布及安全推进速度

4.1 采空区自燃“三带”划分

根据35106 综采工作面采空区自燃“三带”现场观测数据，结合5-2上煤层自燃临界氧浓度指标测试结果，以氧气浓度7%～18%作为采空区自燃“三带”范围划分的依据。

35106综采工作面采空区自燃“三带”分布范围，见表1。

表1 采空区自燃“三带”分布范围

根据数据可以确定数值模拟结果与现场实测存在差异但范围接近，分析其原因是由于该工作面采空区受地表漏风影响。

35106 综采工作面采空区胶运顺槽侧氧化升温带较宽，为148.7 m；回风顺槽侧较窄，为134.1 m。

4.2 工作面安全推进速度

根据某煤矿5-2上煤层最短自然发火期（τ）和35106综采工作面采空区氧化带宽度（Lmax），可推算出最小安全推进速度：

工作面最小安全推进速度为4.65 m/d，当工作面推进速度大于4.65 m/d时，采空区没有自然发火的危险；若工作面连续超过32 天平均推进速度小于4.65 m/d时，采空区将有自然发火危险。

5 采空区自然发火防治措施

某煤矿5-2上煤属于Ⅰ类容易自燃煤层，工作面采空区均有遗煤自然发火的可能性，同时通过采用SF6示踪气体测漏风分析的数据计算出35106 综采工作面地表可能的漏风风速约为22 m/min～30 m/min。结合某煤矿现场实际，确定了以注浆为主，结合注氮、井上下堵漏等综合防治措施。

5.1 注浆灭火技术措施

预防性注浆能有效封堵漏风通道、惰化遗煤，且时效较长。注浆区域包括工作面切眼、回撤通道及两巷距切眼和回撤通道长各300 m、宽各6 m范围。

随着回采工作面推进向采空区埋设注浆管路进行注浆，以充填采空区空隙，覆盖采空区遗煤，防止采空区遗煤自燃。注浆步距确定为50 m，在工作面回采过程中，当推进速度大于工作面最小安全推进速度时，可不采取注浆防灭火措施。若出现自然发火征兆，及时向采空区注浆，直至自然发火征兆消除为止。采空区注浆重点区域见图9。

图9 采空区注浆重点区域示意图

5.2 注氮防灭火措施

采空区注入惰性气体后，可对采空区三维立体空间进行惰化，冲淡遗煤与氧气的接触，使煤体对氧气的吸附量降低，在很大程度上抑制或减缓遗煤的氧化速度，从而可预防采空区遗煤自然发火。

当本工作面采空区O2浓度大于7%时，可采用注氮防灭火措施。注氮位置应根据采空区自燃“三带”和漏风区域选择，将制氮机安装在工作面胶运顺槽内实施注氮，沿工作面进风侧采空区埋设注氮管路，注氮主管路选择φ 159 mm管径，采空区埋设管路选择φ 109 mm管径。

5.3 堵漏防灭火措施

对回采工作面地表的裂隙进行排查，重点对“两道两线”采动裂隙“O”形圈区域进行排查，及时回填地表裂隙，避免地表向采空区漏风。加强密闭的施工质量，严格按设计施工，对密闭及周围巷道围岩进行全面喷浆堵漏，防止漏风，同时还要监测密闭漏风情况，定期进行压差测定工作。

6 结论

（1）现场观测划分的采空区自燃“三带”分布范围与数值模拟结果基本一致，35106综采工作面氧化升温带范围为胶运顺槽侧92.8 m～241.5 m、回风顺槽侧69.8 m～203.9 m，最小安全推进速度为4.65 m/d；

（2）根据某煤矿现场实际，综合分析采空区自然发火影响因素，提出了以注浆为主、结合采空区注氮和井上下堵漏等综合防治措施，为工作面的安全、高效回采提供技术支持，并对同一煤层的类似工作面预防采空区自然发火具有指导意义。