华胜煤矿3203 工作面采空区氧化带宽度与供风量的关系研究

何溢聪

（山西蒲县华胜煤业有限公司，山西 临汾 041206）

煤自燃容易引发瓦斯或者煤尘爆炸，威胁作业人员生命安全和企业安全生产[1]。采煤过程中产生的采空区内部容易遗留煤炭，当供氧、蓄热等条件合适时，遗煤很可能发生氧化自燃，因此需准确测定出采空区自燃“三带”分布范围，以调整工作面供风情况或推进速度，降低自燃危险性。本文通过实测华胜矿3203 采煤工作面供风量与采空区耗氧速度等关系，划分三带分布，保障矿井安全生产。

1 3203 回采工作面概况

华胜煤业位于山西省蒲县县城东部20 km，年产煤量90 万t，开采深度从+1370 m 至+1010 m 标高。3203 回采工作面采用后退式采煤，走向长壁综采一次采全高采煤工艺，顶板全部冒落。北部为未采的3202 工作面煤体，如图1。工作面所在的3 号煤层煤体密度为1.35 t/m3，硬度为2～3，裂隙发育，条带状结构。煤层平均厚度为1.7 m，含一层平均0.8 m 厚的夹矸，煤层稳定，对回采无影响[2]。煤层走向176°左右，倾向86°左右，倾角为1°～10°，平均倾角为5.5°。3 煤层的煤种是气煤，硫分为0.91%，发热量为27.44 MJ/kg（不含顶、底矸和夹矸）。工业分析结果见表1。

图1 工作面布置图

表1 工业分析结果 （单位：%）

2 采空区自燃“三带”分析

按漏风强度和遗煤自燃可能性可以将采空区划分成三带，即散热带、自燃带和窒息带[3]。散热带从位置上来看最接近工作面。虽然散热带内部也有煤炭，但其与空气接触的时间比较短，氧化速度很慢，产生的热量相对较少。同时，由于这部分煤体堆积空隙多比较松散，因此热量不容易积聚，不会发生自燃现象。自燃带与工作面距离相对较远，碎煤块堆积空隙较小，漏风强度不高，可以为煤炭氧化提供充足的氧气，同时氧化后产生的热量散失较小，因此热量长时间积聚后容易发生煤炭自燃。窒息带与工作面距离最远，煤块被冒落岩石紧密压实，供风量不足，氧气含量很少，因此氧化速度非常慢，而且煤氧化后产生的气体进一步稀释了氧气浓度，所以无法达到自燃条件。采空区的“三带”随工作面的推进向前移动，满足下列条件时，处于“三带”中的遗煤即可能发生自然发火[4]：

式中 ：W为采空区内部氧化自燃区域与工作面之间的最远距离，m；vf为工作面每月推进速度，m；ts为煤层的自然发火期，月。

2.1 上限风量与下限氧浓度和耗氧速度

采空区遗煤自燃需要同时符合三个条件才可能发生：煤处在自热氧化状态；有良好的蓄热条件；有充足的氧含量能够保证遗煤持续氧化。可以看出，遗煤自燃情况主要受后两个条件控制，其中，蓄热条件可以通过采空区内部风速分布来确定。

散热带和氧化带的划分通常以氧化热能否积聚为界限，在该界线上的风速称为上限风速：

式中：v（O2，T）为耗氧速率；H（T）为煤的表面反应热；q（T，O2）为煤的总发热量，随温度和环境氧浓度改变。

假定井下采空区环境温度为25 ℃，经计算发现3203 工作面上限风量为0.288 m3/m2·min，下限氧浓度为14.96%，耗氧速度为8.16×10-2mol/m2·min（此时氧浓度为21.9%）。

2.2 工作面供风量与漏风量的关系

采空区与工作面的距离越远，顶板垮落造成的压力越大，遗煤空隙率（f）越小，最终趋于定值，此处受工作面风压的影响也趋近于定值。采空区内漏风量和工作面供风量以及内部岩石、遗煤空隙率有关[5]：

式中：ΔQl为采空区漏风量；k（f，Q）为与工作面供风量、采空区漏风管理方式和冒落岩石的空隙率相关的函数；L为工作面长度。对空隙率f=0.353 的采空区，A=0.005 1，B=42.68，工作面风阻R=0.011 6 N·s2·m-8，实测上下端口在工作面风量为2500 m3/min 时的压差为20 Pa。在不同工作面供风量情况下，按式（4）计算的工作面漏风量以及现场实测漏风量见表2。

表2 3203 工作面供风量与漏风量关系

2.3 工作面供风量与采空区氧化带宽度的关系

当采空区温度近似为均匀分布时，内部耗氧速度线性相关于氧浓度线性，采空区氧化带宽度和采面供风量关系为：

式中：[O2]1为上限风速流线处的氧浓度，mol·m-3；[O2]0为测定耗氧速度v0时的氧浓度，mol·m-3； [O2]min为 实 验 测 定 的 下 限 氧 浓 度，mol·m-3；Z为工作面采高，m。通过实测，华胜煤矿3203 综采面煤样在氧浓度为21.9%时的耗氧速度8.16×10-2mol/m2·min，上限风速流线处的氧浓度以18%为准，按式（4）和式（5）计算得到氧化带宽度和现场实测的宽度如表3 所示，与供风量的关系如图2 所示。q为工作面向采空区的漏风量，m3/min；k为回归系数，其值反映采空区多孔骨架孔隙介质特征，本算例k=21.08。采空区氧化自燃带宽度与漏风量的回归结果如图3。

图2 采空区氧化带宽度与供风量的关系曲线

图3 采空区氧化带宽度与漏风量关系

表3 3203 综采面不同供风量下的散热带及氧化带宽度理论计算结果

由图2 可以看出，氧化带增长速度高于散热带，且氧化带和散热带距工作面距离在供风量2200 m3/min 以内与供风量线性相关。在工作面供风量为2500 m3/min 时，氧化带距工作面距离为98.0 m，宽度为53.9 m。因此应该在采空区设置挡风墙，以减少工作面向采空区漏风。

3203 工作面为单U 型通风，取工作面倾斜长200 m，采空区走向长500 m，通过给定工作面向采空区漏风量q不同赋值，进行多次模拟计算，将模拟结果进行回归分析得出采空区氧化自燃带宽度与漏风量符合下式：

式中：b为采空区可能自燃氧化自燃带宽度，m；

3 结论

通过对采空区遗煤自燃“三带”特性的分析，确定了以工作面供风风速和采空区内部不同区域的氧气浓度来划分采空区煤炭的氧化自热区域的宽度和范围。结合华胜矿3203 回采工作面采空区遗煤自燃发展和工作面供风相关性较强，供风量小于2200 m3/min 时氧化带和散热带距工作面距离随供风量线性增加。当工作面供风量继续增大时，向采空区内部漏风强度同时增加，导致氧化自燃带宽度变大。