王庄煤业3801工作面采空区自燃三带划分研究

李会兵

(山西长治王庄煤业有限责任公司，山西 长治 046000)

矿井火灾长期作为矿井五大灾害之一，严重威胁着我国煤炭安全开采。在矿井火灾中，超过60%是由于采空区遗留煤炭自燃引发的，尤其对于大采高工作面回采，工作面断面整体增大，需要风量增加，采空区漏风量随之增多，加之工作面遗煤进入采空区，为煤自燃创造了良好的条件，也给矿井防灭火工作带来了极大困难[1-3]。探测采空区煤自燃“三带”(散热带、自燃带、窒息带)的分布范围、有针对性的采区防灭火措施，防治采空区遗煤自燃，对于矿井安全开采具有重要意义[4-5]。本文以王庄煤业3号煤层3801工作面采空区遗煤自燃防治为背景，通过现场实测、实验研究、数值模拟相结合的方法，准确划分了采空区煤自燃“三带”，研究结果为矿井3号煤层防灭火工作提供了科学依据。

1 工程概况

山西长治王庄煤业有限责任公司隶属于长治市长治县，生产规模240万t/a，井田面积16.690 2 km2，矿井采用斜井开拓，采用主通风机全负压抽出式通风方式。3号煤层为不易自燃煤层，自燃倾向性等级为III级，具有爆炸危险性。矿井绝对瓦斯涌出量为11.01 m3/min，相对瓦斯涌出量为2.6 m3/t，矿井瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。

3801综采工作面位于矿井3号煤层，煤层倾角1～6°，煤层平均厚度5.07 m，走向长度838.20 m，倾向长度242.17 m，工作面配风量1 884 m3/min。工作面直接顶为泥岩、砂质泥岩，平均厚度5.20 m，属中等稳定顶板。老顶为细粒砂岩或中粒砂岩，平均厚度5.30 m，致密坚硬，属坚硬岩石。直接底板为泥岩、砂质泥岩，平均厚度 2.63 m，属软弱-中硬岩石。

2 “三带”划分依据

采空区氧气含量能够直接反应煤氧化的情况，本次“三带”划分主要以采空区氧气含量为主，一氧化碳、二氧化碳等其他气体含量为辅。本次试验工作面氧气含量指标定为：通风散热带O2含量≥18.0%，在通风散热带内，由于采空区漏风严重，造成采空区内含氧量增加，遗煤氧化加剧，氧化生成的热量被漏风带走，导致热量不易集聚，整体温度较低，遗煤不易自燃，定为通风散热带；自燃带O2含量10%～18.0%，该区域采空区漏风依然严重，氧气浓度较大，然而由于遗煤氧化生成的热量不易被漏风带走，更容易氧化自燃，因此定为自燃带；窒息带O2含量≤10%，该区域采空区漏风量小，含氧量较低，遗煤氧化生成的热量少，遗煤自燃的可能性小，因此定为窒息带。

3 现场监测分析

3.1 现场监测方案

现场监测点布置如图1所示：在采空区进、回风侧埋设取样头布置测点1、2，取样管路采用束管，束管的外部采用D50 mm钢管作为保护管，避免顶板来压或端头支架压力对束管造成压断或破坏。束管的前端布置如图2所示：取样头为2寸保护圆柱形钢管，将钢管上端封严，并将取样头钻上无数的小孔，以便气体进入取样头，将束管单管伸入取样头并用封泥将进口封严。束管单管从取样头出来后从采空区进风侧和回风侧的两趟钢管中穿出。随着工作面的推进，束管埋管逐渐伸入采空区内，人工间断地采样监测采空区束管测点的O2含量，以此划分采空区三带范围。

图1 现场监测点布置

图2 气体取样管的设置及保护(mm)

观测期间要确认整个束管及接点处无泄漏，每天采1次样，每次采样完后尽快分析；每个束管进行气体采样之前，应将束管内的空气排空，以保证气样来自采空区之内；每次采样时，应详细记录工作面的生产情况，包括回采距离、采空区冒落、瓦斯涌出等。

3.2 现场监测数据分析

现场对3801工作面进回风两条巷道采空区O2含量进行了监测，监测结果如表1及图3、图4所示。由图表可以看出，在进风侧采空区内氧气含量随采空区深度延伸不断降低。采空区5 m处，氧气含量20.22%，采空区20 m处，氧气含量18.45%，直到深入采空区125 m处，氧气含量下降到了9.38%。在回风侧采空区内氧气含量同样随采空区深度延伸不断降低。采空区5 m处，氧气含量19.16%，采空区10 m处，氧气含量17.92%，直到深入采空区60 m处，氧气含量下降到了9.64%。

表1 两巷道采空区氧气浓度变化

图3 进风侧采空区O2含量随采空区深度变化

图4 回风侧采空区O2含量随采空区深度变化

由于工作面监测是在上小隅角吊挂挡风帘、导风帘，风量畅通，三角区无悬顶的情况下监测的数据，因此得到3801工作面采空区三带分布范围：在进风侧由支架切顶线向采空区小于20 m为通风散热带，在支架切顶线向采空区方向20～125 m为自燃带，向采空区大于125 m为窒息带。在回风侧由支架切顶线向采空区小于10 m为通风散热带，在支架切顶线向采空区方向10～60 m为自燃带，向采空区大于60 m为窒息带，如图5所示。采空区散热带和自燃带总长为125 m，该区域内氧气充足，温度适宜，为采空区遗煤自燃创造了良好的条件，应当提前制定采空区防灭火措施，防治采空区遗煤自燃。

图5 采空区三带分布范围

4 工作面最小安全推进度

根据工作面最小安全推进度计算公式：

式中:L为散热带和自燃带总长度，m;T为最短自然发火期，d。

根据现场监测数据，3801工作面采空区散热带和自燃带总长为125 m，3号煤层最短自然发火期为113 d，因此该工作面生产过程中最小安全推进度为1.1 m/d。当工作面生产推进度大于1.1 m/d时，采空区遗煤自燃发火的概率较小，加强现场管理，预防为主；当工作面生产推进度小于1.1 m/d时，采空区遗煤自燃发火的概率较大，应该及时关注遗煤自燃情况，采取对应的防灭火措施。然而根据矿井生产实际情况，只要保证工作面正常生产不发生长时间停产现象，采空区遗煤基本不会发生自燃，日常应该以预防为主、治理为辅进行采空区遗煤自燃管理。

5 结 语

1) 3801工作面采空区进风侧自燃三带分别为：散热带：0～20 m，自燃带：20～125 m，窒息带为大于125 m。

2) 3801工作面回风侧采空区自燃三带分别为：散热带：0～10 m，自燃带：10～60 m，窒息带为大于60 m。

3) 根据自燃“三带”分布范围，得出3801工作面最小安全推进度为1.1 m/d,在目前的开采条件和推进速度条件下，采空区遗煤不会自燃，不需要采取主动防灭火措施。