浅埋藏特厚自燃煤层综放工作面采空区自燃立体“三带”观测

柳东明

（1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺113122）

综放开采因其效率高、成本低等优点，近年来得到广泛应用。但综放开采存在遗煤多、易发火、发火后难以控制的缺点，尤其是浅埋藏易燃煤层综放开采时自燃灾害问题尤为突出[1]。国内外相关学者对综放工作面采空区自然发火防治进行了研究。其中，赵亚杰研究得出了地表漏风影响下，浅埋特厚煤层综放工作面采空区漏风流场的分布规律、采空区气体分布规律以及采空区自燃“三带”的分布范围[2]；孙珍平对特厚煤层均压综放工作面采空区自燃“三带”进行了研究[3]。目前，大多数学者只针对传统的采空区水平自燃“三带”进行了相关研究，未考虑垂直方向是否也存在自燃“三带”。

东辰公司605 综放工作面所采6#煤层为特厚的自燃煤层，煤层埋藏浅，距地表最近距离仅为80 m，在采动影响下，工作面与地表存在不同程度的裂隙；本工作面由于采用综采放顶煤工艺，导致采空区遗煤量大，且浮煤呈立体分布，加大了工作面自然发火危险，对采空区防火工作提出了更高挑战。

1 工作面概况

东辰煤炭公司为1 座现代化大型矿井，矿井座落在内蒙古鄂尔多斯市，矿井生产能力为320 Mt/a。

605 工作面走向长1 131 m，倾斜长238 m，开采6#煤层。该煤层厚度为11～15.5 m，平均为13.6 m，煤种为长焰煤，自燃倾向性为II 类自燃煤层，最短自然发火期47 d。605 工作面井下标高为+1 044.2～+1 058.06 m，地面标高为+1 140～+1 240 m，煤层距地表最近距离约为80 m。工作面采用走向长壁式综采放顶煤采煤法，“U”型巷道布置，运、回风巷均沿煤层底板布置。工作面采用“U”型通风，风量为1 000 m3/min。605 工作面巷道布置平面图如图1。

图1 605 工作面巷道布置平面图Fig.1 The roadway layout plan of 605 working face

2 工作面煤层自然发火主要影响因素

1）根据实验室对本工作面所取煤样的测试分析结果，煤层自燃倾向性为Ⅱ类属自燃煤层，但吸氧量达到了0.69 cm3/g，接近Ⅰ类易自燃煤层吸氧量0.71 cm3/g 的数值。

2）煤种挥发分高，含氧量高，化学活性高，燃点低，自燃倾向性强。

3）煤层普氏系数f 为1～2，属中硬、软煤层，煤层易碎，易碎煤越多，其氧化性越强。

4）煤层赋存条件为浅埋藏特厚煤层，工作面漏风通道较发育。

5）采煤方法为比普通综采更易发火的综放开采。

6）掘进方式为极易引起煤层冒顶的沿厚煤层底部掘进，掘进期间会造成顶部煤体产生裂隙，具备自然氧化和蓄热条件。

3 采空区自燃立体“三带”

采空区氧含量分布最能反映采空区浮煤氧化状况，因此采空区自燃“三带”划分应以氧含量的分布为主，其它为辅。参考国内外按氧含量划分采空区自燃“三带”的标准[4-6]：氧气体积分数＞18%为“散热带”，18%＞氧气体积分数＞7%为“氧化带”，氧气体积分数＜7%为“窒息带”[7-8]。

3.1 采空区水平“三带”

3.1.1 进风侧束管监测数据

用地面束管监测系统连续监测采空区埋入的测点O2含量，以此划分采空区自燃“三带”范围。进风侧采空区O2体积分数变化如图2。

图2 进风侧采空区O2 体积分数变化示意图Fig.2 Schematic diagram of O2 concentration change in goaf at air inlet side

由图2 可得出，进风侧采空区氧气体积分数呈明显下降趋势，在采空区以里38 m 和170 m 处测得的氧含量分别为18%和7%，表明工作面采空区进风侧氧化带宽度为132 m。

3.1.2 回风侧束管监测数据

回风侧采空区O2体积分数变化如图3。

由图3 可以看出，回风侧采空区氧气体积分数也呈现显著下降趋势，在采空区以里30 m 和150 m处测得的氧含量分别为18%和7%，表明工作面采空区回风侧氧化带宽度为120 m。

图3 回风侧采空区O2 体积分数变化示意图Fig.3 Diagram of O2 concentration change in goaf at return air side

3.1.3 采空区水平“三带”观测结果

采空区自燃水平“三带”分布示意图如图4，工作面采空区自燃水平“三带”分布范围见表1。

图4 采空区自燃水平“三带”分布示意图Fig.4 Distribution diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf

表1 工作面采空区自燃水平“三带”分布范围Table 1 Distribution range of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf of working face

3.1.4 浅埋藏工作面采空区水平“三带”分布特点

为了比较浅埋藏煤层（煤层距地表垂高250 m以内）采空区水平“三带”与中、深埋藏煤层采空区“三带”的区别，将605 工作面浅埋藏煤层空区“三带”与其它煤矿中、深埋藏煤层采空区“三带”进行对比分析。影响采空区“三带”宽度的因素较多，为了科学的分析，需与工作面风量、长度、煤层厚度、采高和采煤方法大致相同的工作面进行比较。宁夏煤业集团乌兰煤矿5347 工作面长度210 m，煤厚10 m，距地表垂高350 m，采高3 m，风量为1 100 m3/min，工作面采用U 型通风，综采放顶煤开采，该工作面各项参数与605 工作面基本相同，仅煤层埋藏深度大于605 工作面200 m 左右，故将2 个工作面的采空区自燃水平“三带”进行比较。乌兰煤矿5347工作面采空区自然水平“三带”范围如图5。浅埋藏煤层与中、深埋藏煤层采空区自燃水平“三带”范围对比示意图如图6。

图5 乌兰煤矿5347 工作面采空区自燃水平“三带”分布示意图Fig.5 Distribution diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in gob of 5347 working face in Wulan Coal Mine

图6 浅埋藏煤层与中、深埋藏煤层采空区自燃水平“三带”范围对比示意图Fig.6 Comparison diagram of“three zones”of spontaneous combustion level in goaf of shallow coal seam and medium and deep coal seam

从图6 可看出，浅埋藏煤层采空区氧化带宽度比中、深埋藏煤层采空区氧化带宽度要宽25%左右，其原因为：浅埋藏煤层工作面尽管进行了井上、下堵漏风，但比中、深埋藏煤层采空区漏风还是要大，因此其氧化带范围自然要大得多。为此，对浅埋藏煤层工作面除了要进行井上下堵漏风外，还必须针对煤层的自然发火期科学注氮，加快推进度，才能有效防止采空区自然发火。

3.2 采空区垂直“三带”

根据近年来国内对工作面自然发火统计，工作面自然发火有60%是发生在液压支架上部，因此推断在采空区垂直空间也存在自燃“三带”，使支架上部浮煤氧化自燃[9-10]。为证实这一推断，需进行采空区垂直“三带”监测，为工作面防火提供依据。

3.2.1 垂直“三带”测定布置

分别在605 工作面运输巷、回风巷选择一段压力比较小的巷道，在巷道硬帮（面对工作面）掘1 个2.1 m×2.1 m×2.1 m 的钻场，在运输巷、回风巷钻场各施工5 个取气钻孔，运输巷钻场支架上部钻孔参数表见表2，回风巷钻场支架上部钻孔参数表见表3。当工作面推进到离钻场50 m 时开始将束管系统与束管单管相连，并记录取气数据，直到工作面推到钻场为止。由于支架尾梁后不容易打钻，为了测试支架后的气体含量，向支架尾梁后插入φ20 mm 钢管，钢管内穿入束管单管，再与束管系统相连。

表2 运输巷钻场支架上部钻孔参数表Table 2 Table of drilling parameters for the upper part of support in the drilling field of transportation roadway

表3 回风巷钻场支架上部钻孔参数表Table 3 Table of drilling parameters for upper part ofsupport in return air tunnel

3.2.2 垂直“三带”监测结果

运输巷侧支架上部钻孔O2体积分数变化示意图如图7。回风巷侧支架上部钻孔O2体积分数变化示意图如图8。采空区自燃垂直“三带”分布示意图如图9。

图7 运输巷侧支架上部钻孔O2 体积分数变化示意图Fig.7 Schematic diagram of O2 concentration in upper borehole of side support of transport roadway

图8 回风巷侧支架上部钻孔O2 体积分数变化示意图Fig.8 Schematic diagram of O2 concentration change in upper borehole of side support of return air lane

图9 采空区自燃垂直“三带”分布示意图Fig.9 Distribution diagram of vertical“three zones”of spontaneous combustion in goaf

由图7 可看出，运输巷侧距煤层底板52 m 以上高度的氧含量为6.9%，这个高度以上的空间为窒息带；距煤层底板6 m（支架上方3 m）的氧含量为18.0%，这个高度以下的空间为散热带，煤层不会氧化自燃；煤层底板以上6～52 m 空间的氧含量为18.0%～6.9%，这个空间为氧化带，垂高落差为46 m。

由图8 可看出，回风巷侧距煤层底板46 m 以上高度的氧含量为6.7%，这个高度以上的空间为窒息带；距煤层底板4 m（支架上方1 m）的氧含量为17.8%，这个高度以下的空间为散热带；煤层底板以上4～46 m 空间氧含量为17.8%～6.7%，此空间为氧化带，垂高落差为42 m。

4 结 论

1）605 浅埋藏特厚自燃煤层综放工作面采空区自燃“三带”呈立体状态分布，既存在传统的自燃水平“三带”，也存在垂直方向的自燃“三带”。

2）浅埋藏煤层采空区氧化带宽度比中、深埋藏煤层采空区氧化带宽度要宽25%左右。

3）通过对605 工作面采空区自燃“三带”观测，能较为准确地反映浅埋藏特厚自燃煤层综放工作面采空区遗煤氧化情况和自燃危险区域分布范围，提高了采空区自然发火预测预报的准确性，为采取科学、合理的防灭火技术措施提供理论依据。