煤层群开采自燃“三带”分布规律及防灭火技术研究

宋亚新，王 帅，陈 凯，黄 云，于明生，李 刚

(1.国能包头能源有限责任公司 李家壕煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017000；2.辽宁工程技术大学 矿业学院，辽宁 阜新 123000)

近距离煤层群开采中采空区层间裂隙导通，增加了采空区气体流动的复杂性，增加了采空区煤自燃防治的难度[1]。采空区自燃“三带”分布是防治采空区自然发火的基础[2-4]。国内外众多专家、学者针对采空区自燃“三带”展开大量研究，给定了划分依据[5-7]。邸志乾等[8]以风速为划分标准，得到放顶煤综采采空区“三带”分布的形态及范围；张辛亥等[9]以抽放工程为背景，提出了采空区渗流、氧化和扩散的数学模型，对抽放条件下自燃“三带”进行划分；余明高等[10]利用Matlab对采空区自燃“三带”展开分析，得出采空区危险区域范围；杨永良等[11]分析了顶板冒落规律与采空区自燃规律之间的相互关系；桂小红等[12]对综放工作面Y型通风方式下的自燃“三带”进行划分；雷焱云[13]采用数值模拟的方法对自燃“三带”进行划分；宋万新[14]给出了自燃“三带”划分的氧气浓度指标；刘忠全等[15]分析了采空区注氮对自燃“三带”分布范围的影响。刘清洲等[16]分析了浅埋煤层采动裂缝对采空区漏风的影响。曹朕源等[17]开展了综放面停采撤面期间的防灭火技术研究，形成了以注氮降氧惰化和胶体隔离堵漏的防灭火技术体系。众多专家、学者对采空区自燃“三带”及采空区火灾防治技术开展研究，对预防煤矿采空区自然发火具有重要意义[18-20]。然而，现有的采空区自燃“三带”划分成果大多以单一煤层为工程背景开展，针对近距离煤层群综采工作面采空区自燃“三带”范围的研究较少。为此，论文选取李家壕煤矿31114综采工作面为工程背景，采用现场监测和数值模拟相结合的方法，针对近距离煤层群综采工作面采空区自燃“三带”开展研究，同时利用Fluent软件对上邻近层采空区遗留煤柱区域的氧浓度分布规律进行模拟，最终给出煤层群开采条件下的防灭火措施。

1 工程概况

李家壕煤矿主采煤层为2-2煤和3-1煤，为易自燃煤层，煤层间距为30m。目前正在回采3-1煤，上方2-2煤已回采完毕，均为近水平煤层。当前3-1煤回采工作面为31114工作面，该工作面采高为5m，采用一次采全高，但部分区域留顶煤仍然有遗煤存在。对应上方为22中114工作面，该工作面采高为3m，煤层空间分布关系如图1所示。31114工作面在回采过程中，顶板岩层垮落导通至上方采空区，且上方采空区遗留有20m宽的煤柱。31114工作面及22中114工作面采空区均具有发火危险。

图1 煤层空间分布关系

2 本煤层采空区自燃“三带”现场观测

本次测试依据氧浓度指标进行划分，通过埋设束管对采空区内的气体成分、浓度进行观测。测点选取在31114综采工作面，其上方对应22中114工作面采空区，共布置测点6个，回风巷、进风巷各3个，各测点间距均为30m，回风巷测点沿回风巷外帮布置，随着工作面推进向前延伸束管并取气。运输巷测点布置在主运巷，观测孔穿过联络巷密闭墙，取气点布置在辅运巷。

回风巷与运输巷三个测点均布置1根束管，采用多芯束管在不同接头分支路，如图2所示。在三通内用黄土填实，保证气密性，探头外设置铁罩保护；三个测点中间用三通连接。

图2 各测点埋管观测探头布置

3 采空区自燃“三带”观测数据分析

3.1 自燃“三带”划定指标

氧气浓度是煤炭自燃发生的必要条件，依据前人研究成果在氧化升温带与散热带氧浓度临界指标选取时多以氧浓度18%为临界值，在氧化升温带与窒息带氧浓度临界指标选取时多以10%、8%、7%为临界值，为确定氧化升温带与窒息带氧浓度临界指标，选取3-1煤层煤样在实验室开展氧化升温测试，结果表明当氧浓度低于7%时，CO增率出现拐点，如图3所示，氧化进程受到抑制。因此本方案中选取18%与7%氧气浓度作为临界指标对31114综采工作面采空自燃“三带”进行划分。

图3 煤样CO浓度增率与煤温关系曲线

3.2 采空区回风巷氧气浓度数据分析

随着工作面的不断推进，各测点逐步进入采空区，对回风巷中3个测点处每天的氧气浓度进行监测记录，绘制氧气浓度与工作面推进距离关系，如图4所示。

图4 回风巷氧气浓度随工作面推进距离变化曲线

由图4可知，1号测点在工作面推过测点15m开始监测测点氧气浓度时已经在18%以下，未监测到散热带与氧化升温带界限。之后随着工作面继续推进，当工作面推过测点27m时，1号测点氧气浓度首次下降至7%，表明1号测点测得的氧化升温带与窒息带界限位于工作面后方27m。2号测点工作面推过测点6.3m后，测点氧气浓度即下降至18%以下，随着工作面进一步推进，当推过测点35m后，测点氧浓度降至7%以下，表明2号测点测得散热带与氧化升温带界限为工作面后方6.3m处，氧化升温带与窒息带界限为工作面后方35m处。3号测点在工作面推过测点2.2m后，测点氧气浓度即下降至18%以下，随着工作面进一步推进，当推过测点29m后，测点氧浓度降至7%以下，表明3号测点测得的散热带与氧化升温带界限为工作面后方2.2m处，氧化升温带与窒息带界限为工作面后方29m处。充分考虑防灭火安全问题，最终确定回风侧散热带为工作面后方0～2.2m，氧化升温带为工作面后方2.2～35m，窒息带为工作面后方大于35m的范围。

3.3 采空区运输巷氧气浓度数据分析

运输巷氧气浓度随工作面推进变化曲线如图5所示。工作面推过该测点34.4m后，氧气浓度开始缓慢下降，当推进至63m时，氧气浓度降至18.0%，当推进至131m时，氧气浓度下降至7%。最终确定散热带为工作面后方0～63m，氧化升温带为工作面后方63～131m，工作面后方大于131m范围为窒息带。

图5 运输巷氧气浓度随工作面推进距离变化曲线

4 采空区自燃“三带”划分

4.1 31114工作面采空区自燃“三带”

根据运输巷和回风巷中的观测数据，按照氧气浓度指标划分李家壕煤矿31114综采工作面自燃“三带”，如图6所示。回风侧散热带0～2.2m，氧化升温带2.2～35m，窒息带大于35m；进风侧散热带0～63m，氧化升温带63～131m，窒息带大于131m；李家壕煤矿31114综采面采空区回风侧氧化升温带宽度为32.8m，进风侧氧化升温带宽度为68m。

图6 31114综采工作面采空区自燃“三带”划分结果

4.2 工作面安全推进速度确定

根据自燃“三带”中散热带、氧化升温带的最大宽度可以判定回采工作面的最低推进速度，保证合理的工作面推进速度，使采空区内的遗煤在其自然发火期内甩入窒息带。工作面安全推进速度按照式(1)计算：

vz≥L/tm

(1)

式中，vz为工作面不含停产检修时间的日平均推进速度，m/d；L为采空区氧化升温带与工作面的最大距离，m；tm为煤层最短自然发火期，d。

李家壕煤矿煤层自然发火期为33d，31114工作面氧化升温带与工作面最大距离为131m，计算得到最小日推进速度为3.97m/d；当前李家壕煤矿3-1煤日推进度约为10m/d，能够满足安全生产要求。

5 邻近采空区遗留煤柱发火防治技术

煤层群开采条件下，除了考虑本煤层发火威胁外还要考虑邻近采空区遗煤自燃的威胁。当前31114工作面采用一次采全高，在保证推进度的条件下能够保证本煤层安全回采。现阶段主要威胁为22中114工作面的回风巷遗留煤柱，在31114工作面开采结束后，该煤柱落入到工作面上方裂隙带范围内，易发生漏风氧化自燃，因此需要对该煤柱位置氧浓度分布情况进行分析。

5.1 采空区数值模拟模型建立

利用Fluent软件对采空区遗留煤柱区域氧气浓度进行模拟研究，模拟以31114工作面、上部22中114工作面采空区及其上方岩层为研究对象，31114工作面斜长为300m，两巷宽度为5.2m，高为3.8m，采空区走向长度选取为250m，两工作面层间距选取为30m。渗透率通过已开展的煤层群开采相似材料模拟实验得到[21]，通过实验图片中裂隙面积定量识别，得到裂隙演化规律及分布规律，基于裂隙面积计算得到渗透率分布规律，编写程序对模型渗透率进行赋值。边界条件设置中，由于煤层近水平，进回风巷标高相同，巷道断面相同，因此只考虑静压，地表相对气压设为0Pa，进风口相对静压-1200Pa，回风巷为自由出口，进风入口风速为1.2m/s。地表整体看作一个进风入口，设置为均布压力入口，其余壁面全部为“wall”。

5.2 采场氧浓度分布规律模拟

对上邻近层采空区内氧浓度分布进行研究，确定上邻近采空区在未采取防灭火措施时的自燃危险区域分布，以便与采取防灭火措施后其内部自燃危险区域的分布进行比较，确定合理有效的综合防灭火措施，模拟结果如图7所示。

图7 采空区遗留煤柱区域氧浓度分布

模拟结果表明，由于层间裂隙的存在，使得上部氧浓度分布较为复杂，并未像单一煤层开采时采空区氧浓度在工作面后方呈依次递减规律分布，氧浓度在进风一侧较高，在回风一侧相对较低，与现场观测数据基本保持一致，模拟结果能较真实的反映采空区实际情况。由于底部进风隅角通过顶板裂隙向上部采空区漏风，使上部遗留煤柱所在位置部分区域处于高浓度氧气区，增加了该区域自然发火的危险性；而该区域为工作面至采空区后方50m范围，因此对于上覆采空区遗留煤柱的重点防控区域为工作面后方50m范围内。

为验证数值模拟的准确性，选取疏放水孔作为观测孔，内部下入束管在工作面推进超过疏放水孔30m的范围内对上方采空区开展取气观测，取气孔布置如图8所示。观测结果表明，2-2煤采空区区域氧浓度为8%～9%之间，与模拟结果相近。

图8 上覆采空区氧浓度分布规律观测

5.3 综合防灭火措施

通过数值计算分析可以得到，当前采空区漏风通道为本煤层工作面漏风及本煤层工作面通过顶板裂隙向上覆采空区煤柱漏风，最终漏风流由上覆采空区流回上隅角。因此可以通过密闭回风隅角、进风侧注氮、遗留煤柱注浆相结合的综合措施进行防治。其中，地面封堵属于日常火灾管理措施，回风隅角密闭和进风侧工作面后方20m处注氮属于主要火灾预防措施，注浆为火灾发生处理措施，一旦监测发现有火灾标志性气体时，向遗留煤柱区域进行黄泥注浆，重点注浆区域为工作面后方50m范围内，并配合注入惰性气体，进行火灾扑灭。对地面封堵、回风隅角密闭、进风侧注氮结合下遗留煤柱氧浓度分布进行了模拟，地面封堵通过将模型地表漏风压力入口封闭得到，回风隅角构筑挡墙通过在模型回风隅角建立宽5m、高3.2m、厚度为1m的密封挡墙几何模型得到，注氮模拟通过在进风侧采空区后方20m设置氮气入口得到，结合矿井当前防灭火设计设置注氮量为500m3/h，三种手段在模型中共同实施得到氧浓度分布结果如图9所示。

图9 综合防灭火措施遗留煤柱区域氧浓度分布

通过模拟结果看出，在采取综合防灭火措施后，上覆采空区全部区域氧浓度下降，氧浓度均降至7%以下，同时在生产中对本煤层及上覆采空区进行取气监测，未发现火灾标志性气体及CO浓度持续升高的情况，因此该综合防灭火措施是可行的。

6 结 论

1)获取了煤层群开采本煤层采空区自燃“三带”的分布范围，回风侧范围：散热带为0～2.2m；氧化升温带为2.2～35m；窒息带大于35m；进风侧范围：散热带为0～63m；氧化升温带为63～131m；窒息带大于131m；31114综采面采空区回风侧氧化升温带宽度为32.8m，进风侧氧化升温带宽度为68m。

2)依据氧化升温带分布范围，获取了工作面最小日推进度，31114综采工作面最小日推进度为3.97m/d，当前李家壕煤矿3-1煤日推进度约为10m/d，能够满足安全生产要求。

3)利用Fluent软件模拟得到了煤层群开采上覆采空区氧浓度分布规律，氧浓度分布相互交错，遗留煤柱氧浓度大于7%区域为工作面后方50m范围。

4)提出综合防灭火措施，对于上方遗留煤柱，可以采用地面封堵、回风隅角密闭、进风侧注氮、遗留煤柱位置注浆相结合的综合防灭火技术。