韩家湾矿213108工作面采空区煤自燃危险区域划分

王 钊，白铭波，惠双琳，卢少帅

（1.陕西陕北矿业韩家湾煤炭有限公司，陕西榆林 719315；2.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西榆林 719315）

韩家湾煤矿上部煤层已陆续回采完毕，正进行下部煤层的回采。由于其多层煤间距离较小，且煤层具有一类自燃倾向性，属易自燃浅埋近距离煤层开采。地表以风沙地貌和黄土沟壑为主，采空区塌陷后易与上覆地表风积沙层贯通[1-3]。由于煤层埋藏浅且与下部煤层间距离较小，当下煤层回采后，在采动应力的影响下，地表沙土层将发生二次沉降，上部遗留煤柱将随着下煤层的回采逐步失稳，使得上下煤层采空区相互贯通，重复开采后采空区上覆岩层形成多次垮落，上下煤层间采空区覆岩形成的大范围的采动裂缝，从而在各煤层采空区内形成复杂的漏风通道，导致采空区出现浮煤自燃、复燃等现象，造成工作面气体异常[4-6]，影响工作面安全生产和煤自燃预测预报[7-9]。为此，以韩家湾煤矿浅埋近距离煤层群开采为工程背景，分析工作面开采后煤层自燃、绝氧减温、供风复燃过程中气体形成规律，划分采空区残煤自燃发火范围，为工作面采空区煤层自燃发火灾害预防提供依据。

1 工程概况

韩家湾煤矿主要开采2-2、3-1与4-2煤层，其中2-2煤层已开采完毕，煤层厚度平均4.28 m，3-1煤层目前开采213108 工作面，煤层最大厚度为3.1 m，平均厚度为2.7 m，两煤层距离平均为35.93 m；4-2煤层平均厚度为1.92 m，距离3-1煤层厚度平均为35.93 m。

213108 工作面北侧部为213107 回采工作面，西侧部为3-1煤层东翼回风巷，南侧部为新设计的213109 工作面，东侧部为井田范围边界。该工作面长度为260 m，面积623 545 m2，采用综采一次采全高倾斜长壁采煤法。

213108的工作面分别在回风辅运顺槽、绕道上分别施工了2个调整风门。在辅运斜联巷、胶运顺槽、回风顺槽开口以里50 m 处构筑防火门，在辅运顺槽、胶运顺槽、回风顺槽距开口1 000 m 处构筑防火门。3-1煤层主要煤类为CY41，灰分、硫分的变化比较小，煤层开采倾斜度为1～3°，平均采高2.7 m，截深0.8 m。

2 采空区自燃“三带”现场实测

2.1 测点布置

通过埋管抽气技术可以观察采空区的空气含量情况，此次对采空区范围内的空气成分可以通过填料槽进行检测，测定的区域一般距工作面200 m 以内，每边间隔50 m 设置一次测点，在采空区范围内的进回风侧各3个测点，通过上下顺沟同步观察。待空气含量降到5%以下，观测便完成。

在工作面的二顺槽处沿底板靠近煤壁铺设单芯束管，束管在敷设过程中采用了3″钢管作防护套管，以观测采空区面积及真实气体分布情况，避免采空区积水而阻塞束管，并方便束管安装。在进回风侧煤柱壁处预埋工作的时候，束管进风口距基底高程约为1.5 m以上，并固定在煤壁锚上以免打滑。测点具体布局如图1。

图1 213108工作面采空区自燃“三带”测点布置

2.2 煤自燃“三带”分布监测结果

采空区煤自燃“三带”划分主要依据是采空区遗煤厚度、氧浓度、漏风强度的分布。由监测结果可知，在采空区内部浮煤较多的地方或遗留较厚的地方，开采过程中受采动影响，煤体垮落，易产生自然松散状，并残留于顺槽内。随着工作面的推移，这些残煤留入采空区深处，在长期的漏风条件下极易达到煤层自燃条件，进而引发煤自燃发火[10]。

由于采空区浮煤厚度划分的复杂性以及采空区的封闭性问题，目前尚无准确计算浮煤厚度的办法。以往预报煤层自燃的方法中，浮煤厚度的计算主要采用间接计算法。根据测量煤层厚度，并结合日常推进效率、工作面距离、出煤量等，推算出采空区的浮煤数量。然后再通过观察，找出浮煤散布变化规律。

213108 的工作面平均采高2.7 m。工作面回采率大于97%，采空区内空隙度为30%，而通过观察工作面回采过程中残煤厚度和工作面回采率，可以推断出采空区的浮煤厚度和宽度。

进回风顺槽及两端头支架处浮煤层厚范围：

（3.1-2.7）/（1-30%）＝0.57 m

采区中部位置浮煤厚度：

（3.1-2.7）×（1-97%）/（1-30%）＝0.017 m

根据上式计算，即得213108 工作面采空区的浮煤厚度在等值线位置情况，如图2。

图2 213108工作面采空区浮煤厚度平面示意图

通过现场实测得到了采空区下限氧含量与极限浮煤厚度，把上述参数在图中进行绘制，就可确定出采空区煤自燃三带分布区域，如图3。

图3 213108工作面采空区煤自燃三带范围

由图3 可知，在213108 工作面内采空区散热带分布范围一般在采空区内距工作面60～90 m以内，在采空区进风口侧由于漏风相对很多，散热带覆盖范围相对较深，回风巷侧由于漏风相对较少，散热带覆盖范围较浅。氧化升温带在距工作面120～140 m 之上的采空区面积深部最大。在回风巷侧，氧化升温带的深度相对较浅，大约为120 m，进风口顺槽氧化升温带深度则相对较深，可达140 m。采空区后120～140 m 之外则为窒息带。

3 采空区自燃“三带”数值模拟

根据213108 工作面实际生产条件，采用FLUENT 数值软件建立数值计算模型，模拟研究采空区距工作面不同位置处各点的氧气含量变化关系，如图4。

图4 采空区三带数值模拟计算结果

由图4 可知，随着工作面的推进，采空区深度也逐步增加，采空区内的各测点氧气含量也呈现降低态势。距离工作面进风侧小于92 m 时，采空区内各测点的氧气含量基本上保持在15%以下，距离工作面大于92 m 时，采空区氧浓度的降低速率逐渐增大，采空区距工作面140 m 以外时，采空区氧气含量能够降低至7%以下。但在此期间，由于采取了向采空区注入氮气的原因，使得采空区氧含量大幅下降，采空区距回风巷口60 m 内时，采空区氧含量已降低至15%，同时随着采空区距离工作面距离的增大，采空区内氧含量降低速率逐渐增大。

综上所述，由于213108 工作面采空区氧气含量在进、回风口两端分布相当大，从进风侧逐渐向回风侧递减。数值模拟结果与现场实测结果基本一致。因此，可以划分出韩家湾煤矿213108 工作面采空区煤自燃三带分布范围见表1。

表1 采空区“三带”划分/m

4 采空区煤自燃危险区划分

结合现场实测和数值模拟计算结果，依据采空区煤自燃危险区域判别原则，采空区内煤自然燃烧危险区域必须同时符合热透风率、浮煤层数、氧含量、放热强度等要求。

根据采空区实测及实验室测定空气、煤体温度、漏风强度及不同温度下浮煤的氧化放热强度等参数，运用极限参数公式[11]可计算不同浮煤厚度、煤温及距离的三维极限值（最小浮煤厚度hmin、最低氧气浓度Cmin、最大漏风强度）。根据计算出的三维值取其某一温度的极大值可得：

基于上述计算得到综采面采空区危险区域范围划分如图5。

由图5 并结合213108 工作面采空区气体温度场分布特点和煤自燃“三带”观察结果，213108 工作面正常回采过程中的采空区煤自燃危险区范围较小，主要分布在采空区两顺槽以及煤厚大于0.4 m 的区域，需要重点加强监测。

图5 采空区煤自燃危险区域示意图

5 结论

（1）现场实测明确了采空区煤自燃三带分布规律。213108 工作面采空区距工作面60～90 m以内为散热带，进风巷侧散热带范围较深，回风巷侧散热带范围较浅。距工作面120～140 m 以内为氧化升温带，回风机侧，窒息带的深度大约为120 m，进风口顺槽窒息带的深度达140 m以外。

（2）数值模拟分析了采空区面积内的空气含量分配及布局变化规律，掌握了采空区漏风随工作面推进的关系，同时验证了数值模拟与现场实测采空区煤自燃“三带”划分的准确性。

（3）划分了韩家湾煤矿213108 工作面采空区煤自燃危险性范围：采空区两侧顺槽以及遗煤厚度大于0.4 m的区域。