浅埋煤层采空区自燃“三带”分布及划分研究

肖正江(山不拉煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 100083)

0 引言

煤矿自燃灾害是影响安全生产的自然灾害之一。煤矿自燃火灾的主要爆发场所为采空区，一旦火灾发生，会直接危及矿井安全及其持续生产，还可能导致煤炭资源的巨大损失与“冻结”。为防治此类灾害，需明确自燃“三带”的分布及划分，从而提出针对性的防治措施。

目前对于采空区自燃“三带”的划分研究，主要基于现场实测和数值仿真分析两种方法的相互验证，对遗煤情况、氧气浓度与漏风强度分布规律进行探究，并得出工作面的安全推采速度。

基于现场实测与仿真分析相结合的方法，王帅等[1]利用气相色谱分析仪分析采空区各组分气体浓度，得出自燃“三带”氧气浓度规律。杨富强等[2]采用束管监测FLUENT仿真采空区流场“三带”范围及工作面推采速度。杨夺等[3]建立采空区多孔介质二维稳定渗流物理与数学计算模型，确定了“三带”划分范围。宋博等[4]利用 SF6示踪法检测采空区地表漏风通道和风速，研究了地表漏风对自燃“三带”分布的影响。智国军等[5]通过数值模拟与实测发现：采空区自然发火是其氧浓度场、煤岩固体温度场、气体温度场及流场等耦合作用的结果。王耀强[6]将采空区分为5部分，研究了浅埋深倾斜工作面推采安全速度，同时发现煤层倾角主要通过影响采空区孔隙率分布进而影响采空区自燃“三带”分布。刘玉良[7]根据采空区自燃带范围及浮煤最短自燃发火期得出了工作面的最小推采速度，并提出了正常回采时期与危险时期的救治措施。

本文基于中煤山不拉煤矿36203综采工作面的生产技术现状，结合FLUENT与实测氧浓度与漏风强度方法，对采空区进行了自燃“三带”分布及划分研究，以取得最小推采度从而保证工程的安全进行，研究成果对浅埋煤层安全开采具有重要指导意义。

1 工作面概况

中煤山不拉煤矿36203综采工作面东部临近F3断层，南部为未开采的36204综采工作面，西部为三盘区6-2煤盘区大巷，北部为已回采的36202综采工作面，上部为35102采空区，下部7-1煤层未开采，工作面长度200 m。

工作面地表位于袁家梁一带，地面标高+1 245～+1 340 m，工作面地表大范围均为荒山荒坡，煤层埋藏相对较深，开采对地表影响不大。

中煤山不拉煤矿三盘区6-2煤赋存于延安组第一岩段(J1-2y1)中下部，煤层赋存范围是属全区可采的稳定煤层。钻孔资料显示：6-2煤与上部5-1煤层之间相距57～63 m，与下部7-1煤层间距27.73～38.27 m，平均33 m。根据36203两顺槽及切眼掘进揭露情况显示，工作面煤层为单斜构造，向西北倾斜，倾角约为1°～3°，煤层厚度平均2.86 m，含夹泥岩0～1层，平均厚度0.06 m，平均煤厚2.8 m，煤层稳定。

矿井采用抽出式通风方法，36203工作面为沿空留巷工作面，使用Y型通风，即工作面辅运顺槽进风，沿空巷道和回风顺槽回风。工作面一般正常风量为700 m3/min。

2 采空区三带现场实测

2.1 测试方法

(1)测点布置

现观测采空区气体浓度分布采用埋管抽气法，即同时在回风和进风侧向采空区埋设束管，从束管内抽取气样分析其成分。如图1所示，束管采样点沿工作面方向每隔30 m铺设一个，共布置6个点，工作面回风侧采空区沿巷帮每间隔100 m设一个测点。从测点进入采空区开始，每天1次采样分析，直至采空区深部距工作面350 m停止。

图1 工作面采空区三带观测测点布置图

(2)探头布置

采空区采用埋设束管进行抽气分析的方法分析气体成分。因测点较多，采用7芯束管进行气样采集，使用束管的每一个分支管对每个测点进行采样，并采用预埋束管外套钢管的方法进行保护。埋设束管时将进气口抬高至距离底板大约0.5 m的位置，能够有效防止束管被采空区积水堵塞。

总管采用ϕ76 mm钢管保护，分支管采用4分管保护。束管前端使用过滤式束管采样器，以防采样时粉尘被吸入束管。

在束管抽气口处标记编号，有助于区分不同测点。束管支管直径为8 mm，每个测点的气样由每根束管运管采集。为防止被采煤设备压坏，需尽量将束管总管路贴近煤壁，采样头固定在离煤层底样50 mm的位置。布置方式具体如图2所示。

图2 埋管观测探头布置图

2.2 工作面推采及遗煤情况分析

36203工作面于2021年3月16日开始埋管，同月18日开始观测，截至2021年5月27日。36203工作面在自燃“三带”观测期间共向前推采380 m。从4月1日至5月27日的推采情况来看，观测期内推采速度为4～7 m/d，平均5.5 m/d。

36203工作面煤层有2.8 m有益厚度，平均采高距离为2.8 m，可考虑30%为采空区内部空隙率，采空区平均浮煤厚度可由前后观测的工作面顶煤厚度以及工作面回采率计算出。工作面回采率可达到98%左右，工作面遗煤约2 800×(1-98%)÷30%=18.7 cm。

2.3 采空区氧浓度及漏风强度分布规律

如图3所示，采空区内各点氧浓度随深度增加与工作面推采呈下降趋势。氧浓度在进风侧采空区100 m处已经下降到18%，由此可见采空区浮煤存在一定程度的氧化。但进风侧和回风测氧浓度随着埋深增加保持在16%～17%之间，可能是煤矿埋深较浅、漏风偏大所致，也可能是在煤柱侧锚网支护的作用下，巷道很长一段距离内顶板垮落不严实或无法垮落，导致采空区内部存在较大孔隙率，使新鲜空气进入到采空区内部，进而造成采空区内部氧浓度一直维持在较高水平。

图3 采空区回风侧测点氧浓度随埋深变化曲线

2.4 采空区漏风强度分布规律

漏风强度可由氧气浓度测算法根据实际测定的氧浓度分布反推出。假定漏风流仅沿一维流动，当松散煤体内漏风强度处在恒定不变的条件时，可推导出漏风强度与氧浓度之间关系为：

由36203工作面煤样自燃性实验测试得出，煤样在30.2 ℃下所对应的耗氧速度为288.01×10-11，利用由测试得出的采空区氧浓度分布规律，结合式(1)可推算出回风侧的采空区漏风强度分布如图4所示。

图4 回风巷侧采空区内漏风强度

3 采空区危险区仿真分析

为了模拟无法直接观测的采空区内部渗流场、气体浓度等，利用ANSYS FLUENT19.0数值模拟软件进行建模，模型边界条件由现场实测得出的数据来确定，再定义出采空区各参数，从而进行模拟。

工作面回风侧距离工作面350 m以里，气体浓度趋于稳定，故模拟区域深度确定为400 m。工作面漏风裂隙带高度按5 倍采高计，渗流区域高度为15 m。

因此，模拟的区域为一个400 m×200 m×20 m的长方体，工作面两端压差按30 Pa计算，工作面氧浓度为21%，如图5所示，其为在以上建立的模型上模拟得出的采空区氧浓度分布图。

图5 距煤层底板0.5 m处氧浓度分布图

由图5可知，中煤集团山不拉煤矿36203工作面采空区氧浓度在回风侧距工作面60 m处氧浓度为19%左右，80 m处氧浓度降为18%左右，150 m的采空区内氧气浓度降至16%左右，同样的氧浓度在回风侧并在之后的300 m的采空区内氧气浓度在15%左右，300 m左右降至5%左右。这一模拟结果与现实情况基本一致，可作为预测采空区氧浓度变化的依据。

4 36203采空区自燃三带划分

采空区遗煤氧化需要满足三个条件：一是足够的浮煤厚度积聚、氧化产生的热量；二是足够的氧气浓度促使浮煤不断氧化升温；三是源源不断的较小风流，以免风流带走热量。由山不拉煤矿36203煤层的实验测试和理论分析可知：

(1)根据内蒙古安科安全生产检测检验有限公司2017年编制的《煤尘爆炸性、煤自燃倾向性检验报告》，矿井最短自然发火期为34天。山不拉煤矿现开采6-2中煤层实际自然发火期约为40天，为易自燃煤层。

(2)80 ℃左右为临界温度，110 ℃左右为干裂温度。当煤温小于临界温度值，增加缓慢；超过临界温度值小于裂解温度值，增速加快；大于裂解温度后，增速激增。

(3)50 ℃左右为下限氧浓度最大值，当氧气浓度低于此温度的下限值，无法引起浮煤自燃。当浮煤厚度为1.0 m时，下限氧浓度值为7%(体积分数)，会随浮煤厚度减小而激增，其下限氧浓度远高于正常氧浓度，浮煤不会自燃。下限氧浓度在不同浮煤厚度时的取值如表1所示。

(4)53.4 ℃左右为上限漏风强度最小值，当此温度的上限漏风强度低于实际漏风强度，浮煤便不会自燃。

(5)53.4 ℃左右为极限浮煤厚度最大值，当此温度的极限浮煤厚度大于实际浮煤厚度，浮煤就不自燃。

在同一个图上绘制由实验得到的不同浮煤厚度时的采空区上限漏风强度、下限氧浓度和极限浮煤厚度等参数的变化规律，即可以判断出采空区煤自燃三带分布范围，根据实际情况和模拟结果划分采空区三带。

根据划分采空区三带可以发现，漏风情况在36203工作面采空区内相对较大，且采空区受漏风影响可能会出现塌落不均匀的现象。散热带范围相对较深，距离工作面0～35 m之间的分布范围为工作面回风侧采空区散热带，由于工作面进风侧是沿空留巷，整个进风侧均为散热带。在距离工作面35～290 m范围为回风侧采空区氧化升温带，因为进风侧漏风较大且遗煤量少，故而不存在氧化升温带，详情如表1所示。

表1 采空区三带划分结果表

5 工作面最小推采速度

36203工作面氧化升温带最大深度出现在工作面回风侧，氧化升温带的最大宽度为Lmax=290－35=255 m。

由实验和现场数据可知，采空区浮煤最短自然发火期为τmin=40 d，根据Vmin=Lmax/τmin×k可计算出采空区可能发生自燃的极限推采速度约为5.2 m/d。其中k为氧浓度影响系数，k取1.24；k=C0/C，其中C0取21%，为新鲜空气中的氧浓度，现场实际平均氧浓度C为16.9%。

所以正常条件下，采煤工作面推采速度大于5.2 m/d时，采空区不会发生浮煤自燃；当推采速度小于5.2 m/d时，煤层存在自燃风险，应采取必要的防灭火措施。因为综采面日平均推进速度大于采空区自燃的安全推进度，为5.5 m/d左右，因此在正常开采条件下，不会引起浮煤自然燃烧。

6 结语

以山不拉煤矿36203综采面为分析对象，通过在采空区铺设束管、采集气体进行研究，能够明确采空区的煤自燃规律及特点，为制定煤自燃防治技术方案提供基础。文章的主要研究成果如下：

(1)掌握了采空区煤自燃三带分布规律及危险区域。

36203工作面散热带的分布范围在回风侧采空区距离工作面0～35 m以里，受漏风以及采空区塌落不均匀的影响，其进风侧散热带较宽。回风侧窒息带在距离工作面290 m以上的采空区深部。

(2)因为采空区遗煤含量较少，且沿空留巷有较大的侧漏风，所以工作面进风侧无氧化升温带。工作面回风侧的侧空区为易发生自燃的区域。

(3)计算得出了工作面最小安全推进速度。

以综采面散热带到采空区窒息带的最大距离(即氧化升温带最大宽度)Lmax=250 m和采空区浮煤最短自然发火期40 d为依据，计算得出该矿工作面的最小安全推进速度为5.2 m/d。如果推进速度小于5.2 m/d，必须加强监测，同时采取防火措施。而36203综采面日平均推进速度为5.5 m/d左右，大于采空区自燃的安全推进度，因此正常开采条件下不会引起浮煤自燃。