采空区煤自燃防控技术创新对综放面临时停采的影响研究

摘 要：綜放开采工艺下采空区遗煤自燃危险性突出，在工作面需要临时停采时采空区煤自燃防控显的尤为重要。以王洼二矿115032综放面为工程背景，通过实验得到煤自燃极限参数，结合现场采空区浮煤厚度、氧气浓度和漏风强度的分布，确定煤自燃危险区域分布，最终制定出综放面临时停采防火措施。结果表明，115032综放面煤最短自然发火期为22 d，得到了极限浮煤厚度、下限氧浓度及上限漏风强度的变化规律，浮煤厚度在40 ℃时出现极大值，浮煤厚度为0.35 m，温度在40 ℃时，下限氧浓度值为25.42%，上限漏风强度为负值，此时煤是不会发生蓄热自燃；明确了综放面采空区煤自燃“三带”范围，散热带距工作面3～18 m以内，窒息带距工作面73～105 m以上，氧化升温带位于散热带及窒息带之间；当工作面临时停采时，结合采空区煤自燃危险区域，在临时封闭前、临时封闭期间及临时封闭后采取了针对性的防火措施。现场实践结果表明，115032综放面回风巷、上隅角与采空区氧气浓度均保持较低浓度，临时密闭的防火措施取得很好效果，为相似工作面采空区煤自燃防控提供理论、实验与技术借鉴。

关键词：综放开采；煤自燃；三带；临时停采；防火

中图分类号：TD 752.2 文献标识码：A 文章编号：1672-7312（2023）03-0349-07

The Influence of Technology Innovation of Coal Spontaneous Combustion Prevention and Control on Stoppage of Fully Mechanized Caving in Goaf

MA Teng1，2

（1.School of Safety Science and Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China；

2.Post-Doctoral Research Center of Mining Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：The risk of spontaneous combustion of coal in goaf is prominent under fully mechanized caving mining technology.The prevention and control of spontaneous combustion of coal in goaf is particularly important when the working face needs temporary stoping.Based on the engineering background of 115032 fully mechanized caving face of Wangwa No.2 Mine，the limit parameters of coal spontaneous combustion are obtained by experiments.Combined with the distribution of floating coal thickness，oxygen concentration and air leakage intensity in the goaf，the distribution of coal spontaneous combustion danger area is determined，and finally the temporary stop-mining fire prevention measures are worked out.The results show that the minimum spontaneous ignition period of 115032 fully mechanized caving face coal is 22 days，and the variation rules of ultimate floating coal thickness，lower limit oxygen concentration and upper limit air leakage intensity are obtained.The maximum value of floating coal thickness occurs at 40 ℃.When the thickness of float coal is 0.35 m and the temperature is 40 ℃，the lower limit oxygen concentration value is 25.42% and the upper limit air leakage intensity is negative，the coal will not generate heat storage spontaneous combustion.“Three zones” of spontaneous combustion of coal in fully mechanized caving face are defined.The dispersion zone is within 3～18 m from the working face，the asphyxiation zone is above 73～105 m from the working face，and the oxidation heating zone is between the dispersion zone and the asphyxiation zone.When the working face stops mining temporarily，the targeted fire prevention measures are taken in each stage of temporary closure according to the coal spontaneous combustion danger area in the goaf.The field results show that the oxygen concentration in the air return roadway，upper corner and goaf of 115032 fully mechanized caving face maintains a low concentration.The temporary closed fire prevention measures have achieved good results，providing theoretical，experimental and technical reference for the prevention and control of spontaneous combustion of coal in similar working face.

Key words：fully mechanized caving mining；coal spontaneous combustion；three zones；temporary stoppage；fire prevention.

0 引言

我国能源资源禀赋特点为富煤、贫油与少气，安全可靠的能源供应事关我国现代化建设全局，在短期内煤炭仍然为我国主导能源和重要战略材料[1-2]。我国90%以上开采煤层自燃倾向性均为易自燃或自燃，煤自燃火灾严重威胁井下煤炭的安全开采与工人的生命健康[3-4]。煤矿开采方式是影响煤炭自燃的主要因素之一，其中综放开采煤自燃危险性尤为突出[5]。煤层选择综放开采时，两巷顶煤放出率较低，采空区两道留有较大遗煤量。同时，综放开采加剧了采空区的漏风，为采空区遗煤提供了持续供氧环境，遗煤自燃危险性增加，严重威胁工作面安全高效生产[6-8]。国家矿山安全监察局为深入贯彻习近平总书记关于安全生产和应急管理的重要论述，2021年印发最新的《煤矿防灭火细则》，规定在开采容易自燃和自燃煤层时，必须制定防治采空区自然发火的技术措施。

掌握采空区自燃危险区域分布规律是煤自燃防控的前提，准确判定工作面开采过程中采空区自燃“三带”分布特征对井下煤自然发火预防至关重要[9-12]。诸多学者在采空区煤自燃危险区域进行了大量研究，主要依据采氧浓度、漏风风速及温度上升速率，将采空区自燃“三带”分为自燃带、氧化升温带与窒息带。李宗翔等将采空区氧浓度扩散方程进行计算求解，阐明氧浓度空间分布规律，得到了采空区煤自燃氧化升温带范围[13]。曹镜清等现场布置束管及温度检测装置，通过每天检测采空区一氧化碳、氧气及温度数据，结合氧气浓度及升温速率曲线，划分了采空区煤自燃“三带”[14]。徐宇等基于连续性方程、动量方程、能量方程和浓度方程建立采空区多物理场耦合模型，分析了采空区氧气和瓦斯浓度分布规律，得到了采空区复合致灾隐患区域[15]。物理相似模拟在一定程度上能够还原井下采空区实际条件，基于大型煤自然发火实验平台能够较为真实地反映煤自燃发火过程，为采空区确定煤自燃危险区域提供新途径。

为此，以王洼二矿115032综放工作面为研究对象，采用大型煤自然发火实验台得到煤自燃极限参数，结合现场观测数据，划出综放面采空区煤自燃危险区域，并应用综合防灭火技术对综放面临时停采期间煤自燃进行防治，以期为综放工艺下采空区煤自燃灾害防控提供理论指导。

1 工作面概况及研究方法

1.1 工作面概况

王洼二矿5号煤层为特厚煤层，上分层115031面为综采方法，采高为3.3 m，在支架掩护梁下铺设双层机织经纬网做下分层115032工作面的假顶。下分层115032面采用放顶煤采煤方法，采高为3.3 m，放2.2 m，工作面南北走向长1 460 m，东西倾斜长189 m，工作面在0～1 000 m为西东倾向，煤层倾角为5°～28°，由于受F7断层影响造成工作面1 000～1 460 m范围内煤层倾向发生变化，由倾向西东变为倾向东西，倾角为5°～12°，采用U型后退式通风。以王洼二矿下分层115032综放面为研究背景，其空间分布如图1所示。

1.2 大型煤自然发火实验

通过“XK-Ⅶ”大型煤自然发火实验台，将王洼二矿115032综放面的煤樣进行实验。炉内共布置了131个热敏电阻测温探头和40个气体采样点，测点位置分布采用笛卡尔坐标系，以炉体中轴线为原点，东南西北为径向，每隔0.2 m进行布置。采集综放面2.0 t块煤，将煤样进行密封处理并运抵实验室。通过鄂式破碎机进行破碎块煤，然后将破碎煤样装入实验炉，先通入干空气，最后开始进行模拟煤自燃实验。

1.3 现场数据采集

现场在进﹑回风侧各布置3个观测点间隔为35 m，观测束管外侧用2寸钢管作为保护措施，为了防止采空区积水与煤体垮落堵塞挤压探头，对探头处抬高1.5 m。随着工作面回采，每日采用负压抽气泵抽气注入球形气囊，并将气囊在地面气相色谱检测分析，同时记录工作面日推进度。

2 结果及讨论

2.1 煤自然发火极限参数

王洼二矿115032综放面煤在实验炉内煤温从28.3  ℃开始升温，经过一段时间氧化后，煤温升到170 ℃时实验停止，实验得到王洼二矿综放面煤样的最短自然发火期为20 d，按照矿井实际25 ℃来计算混合煤样的实际最短自然发火期为22 d。在实验过程中，煤自燃受到浮煤厚度、氧浓度及漏风强度因素的制约，井下采空区需要满足煤自燃极限参数，才会出现煤自然发火现象。

2.1.1 极限浮煤厚度

当堆积浮煤的厚度低于某个值时，其浮煤自身产生的热量刚好都被散失，该值就是最小浮煤厚度。在采空区现场，最小浮煤厚度主要受浮煤放热强度、漏风强度和煤岩温度3个因素的影响，而现场这3个条件均为定值，所以最小浮煤厚度为一个确定值，计算见式（1）[16]。

式中：hmin为最小浮煤厚度，m；Tc为煤体温度，℃；Ty为岩体温度，℃；q（Tc）为煤温为Tc时的煤体放热强度，J·s-1·cm-3。

根据实验测算出的数据代入公式（1），得到不同温度、漏风强度下30～170 ℃时的115032综放面煤的最小浮煤厚度值如图2所示。

由图2可知，随着115032综放面煤的漏风强度逐渐增大时，煤样产生的热量被风量带走，煤达不到蓄热条件。若要蓄热自燃就要求极限浮煤厚度相应增大，而综放面煤的浮煤厚度在40 ℃时出现了极大值，表明115032综放面煤温超过40 ℃后，随着遗煤温度升高，最小浮煤厚度逐渐减小。

2.1.2 下限氧浓度

氧气是煤自燃一个重要的因素，一般氧气浓度越大，煤氧复合反应越强烈，放热强度也相应变大，当氧气浓度低于某个极值时，松散煤体与氧气反应产生的热量等于煤体散发的热量时，这个值就被称为下限氧浓度。在现场采空区实际情况下，影响下限氧浓度的参数均为定值，所以现场采空区浮煤的下限氧浓度为一个确定值，见式（2）[16]。

式中：Cmin为下限氧浓度，%；C0为新鲜分流中氧的浓度，C0=21%。根据实验测算出的结果代入式（2），可得出煤体温度为30～170 ℃时115032综放面煤的下限氧浓度值如图3所示。

从图3中可知，当115032综放面煤的浮煤逐渐增厚时，浮煤更易于蓄热，所需氧气浓度就变小。煤样的浮煤厚度在0.35 m，浮煤温度在40 ℃时候，下限氧浓度值为25.42%，高于空气中21%的氧浓度，遗煤不具备自燃条件。但煤温超过40 ℃时，随着煤温升高，下限氧浓度值逐渐降低。

2.1.3 上限漏风强度

对于固定厚度的松散煤体，当漏风强度达到某个极值时，其浮煤自身产生的热量刚都被风流散失，这个值称为上限漏风强度。在现场采空区实际情况下，影响上限漏风强度的参数为定值，所以现场采空区浮煤的下限氧浓度为一个确定值，计算式见式（3）[16]。

根据实验测算出的结果代入式（3），可得出煤体温度为30～170 ℃时115032综放面煤的上限漏风强度值如图4所示。

从图4中可知，随着115032综放面煤样的浮煤逐渐增厚，上限漏风强度成增加趋势。煤样的浮煤厚度为0.35 m，煤温30 ℃及40 ℃时，上限漏风强度出现负值，表明煤的复合反应产生的热量全都被风流散失，浮煤不会发生蓄热升温而发生自燃。115032综放面煤温在40 ℃时，上限漏风强度值最小。

2.2 现场数据观测结果

2.2.1 工作面浮煤厚度分布

采空区松散煤体堆积到一定浮煤厚度，在合适的漏风强度时，采空区遗煤有充足的氧气供应，同时没有带走过多的热量，达到蓄热环境，引发煤自然发火。115032综放面采空区浮煤分布复杂，不能准确测量到具体浮煤厚度，只能通过间接推算出浮煤分布情况。通过测试煤层顶煤厚度，每天推进速度、工作面长度及出煤量，计算出115032综放面采空区浮煤量。115032综放面采空区浮煤厚度分布如图5所示。

2.2.2 采空区氧气浓度分布

根据115032綜放面进、回风巷的气体及推进速度数据，绘制出115032综放面采空区O2与CO浓度的变化情况如图6所示。

由图6可知，随着115032综放工作面回采，进、回风巷束管观测点埋入采空区的深度不断加深，观测到的O2浓度整体呈现不断下降趋势，CO浓度变化趋势为先上升后下降。在进风侧的束管观测点进入采空区30 m时，O2浓度为18%，CO浓度开始缓慢增加，当监测点进入采空区75 m时，CO浓度达到峰值，随后开始下降，当测点氧气浓度低于4%时，进风侧停止观测。在回风侧的观测点进去采空区20m时，O2浓度从21%降至18%，随着检测点进入采空区42 m时，CO浓度从逐渐上升转为下降，在氧气浓度为4%时，停止了气体观测。从进、回风侧O2及CO浓度变化规律，可知115032综放面采空区遗煤自燃区域程度不同。

2.2.3 采空区漏风强度分布规律

采用氧气浓度测算法反推漏风强度，当松散煤体内漏风强度恒定不变时，可求出漏风强度与氧浓度关系[16]。

从图8可以看出，115032综放面采空区散热带的分布范围在采空区内距离工作面3～18 m，在采空区进风侧处由于漏风相对较大，散热带范围相对较深，回风侧由于漏风较少，散热带较浅。窒息带在距离工作面73～105 m以上的采空区深部，在回风侧窒息带的深度相对较浅，约为73 m，在进风顺槽窒息带的深度相对较深，可达105 m左右。氧化升温带位于散热带及窒息带之间，即煤自燃危险区域。

3 综放面临时停采煤自燃防火技术

在回采遇到断层、设备故障或其他特殊原因，工作面需要临时停采时，需要做好防治临时停采期间煤自然发火。针对115032综放面采空区煤自燃分布规律，采取的具体防治措施如下。

3.1 临时封闭前

根据115032综放面采空区煤自燃“三带”分布情况，在工作面停采前20 m时，开始进行临时封闭前煤自燃预防措施。首先，在回风巷上隅角处铺设注浆管路，在进风巷隅角处铺设注浆和注氮管路，分别将注氮和注浆管路出口抬高1 m，并进行加固与保护。然后，在回风巷上隅角铺设束管观测管路，采用钢管保护束管且抬高距离地面2 m，防治采空区水或者浆液影响束管数据采集。最后，在进、回侧隅角距离注氮、注浆及观测口1 m的位置，分别采用黄土沙袋进行构筑隔离带，隔离带高低紧接顶板及底板，左右紧靠煤柱及支架侧帮，起到防治浆液外溢及漏风作用。临时密闭前的防火施工布置如图9所示。

3.2 临时封闭期间

当工作面停采时，进行临时封闭期间的防灭火措施。首先在上、下隅角处构筑隔离带，实施方法及材料与临时封闭前的隔离带相同，起到堵漏风作用，同时在上隅角及回风巷布置观测束管。其次在进风巷距离工作面100 m处，巷道顶底板结构稳定、无片帮及漏顶等现象，采用沙袋、砖块等不燃性材料构筑密闭墙。再次在下巷密闭墙构筑完成后，开启局部通风机，计算得到该巷道通风最低风量不低于225 m3/min。从次，在回风巷距离工作面100 m处，采用进风巷相同的方法构筑一道密闭墙。最后通过预埋的注浆与注氮管，进行注浆及注氮降低采空区氧气浓度。黄泥稠化胶体配比为黄泥与水的比例为1∶1～1∶4，浆液中悬浮剂的添加量为1‰～5‰（质量比），压注黄泥稠化胶体量为400～500 m3。氮气纯度不小于98%，连续压注24  h。施工布置如图10所示。

3.3 临时封闭后

针对115032综放面采空区遗煤易自燃的情况，需加强对临时密闭内指标气体浓度进行实时观测。因此，安排专班人员每天对3条预埋束管观测点进行气体观测，制作各类指标气体随时间变化的动态图，一旦发现异常，开始加强气体观测频率，及时开启防火措施，达到抑制采空区遗煤自燃的目的。

3.4 临时密闭防火效果

在临时密闭期间，对115032综放面回风巷、上隅角与采空区3个位置的气体成分及浓度进行色谱分析，均未检测到CO、C2H4和C2H6指标性气体，但得到了O2浓度随时间变化规律，如图11所示。

由图11可知，对115032综放面进行临时停采防火措施后，回风巷、上隅角与采空区内氧气浓度先下降明显，后均保持在一定较低浓度，整体呈现下降趋势，说明115032综放面实施防火措施后，封闭区域内均未出现漏风，氧气浓度逐渐被氮气稀释，最终致使氧气浓度保持在一个较低水平，预防了采空区遗煤自燃。结果表明，115032综放面临时停采防火措施取得了很好的效果，具有较高的工程借鉴意义。

4 结论

1）115032综放面煤最短自然发火期为22 d，掌握了其极限浮煤厚度、下限氧浓度及上限漏风强度的变化规律。浮煤厚度在40 ℃時出现极大值，浮煤厚度为0.35 m，温度在40 ℃时，下限氧浓度值为25.42%，上限漏风强度为负值，此时煤是不会发生蓄热自燃。

2）115032综放面散热带在采空区内距离工作面3～18 m，窒息带在距离工作面73～105 m以上的采空区深部，散热带及窒息带中间范围为氧化升温带，即煤自燃危险区域。受漏风影响，采空区散热带、煤自燃危险区域及窒息带均为进风测较深，回风侧较浅。

3）针对综放面临时停采时，结合采空区煤自燃危险区域，在临时封闭前、临时封闭期间及临时封闭后采取了针对性的防火措施。分析115032综放面回风巷、上隅角与采空区3个位置的气体浓度，得到临时密闭防火取得很好的效果，具有较高的工程借鉴价值。

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（责任编辑：张江）

收稿日期：2023-02-16

基金项目：国家自然科学基金青年项目（52204238）；陕西省自然科学基础研究计划青年项目（2022JQ-446）；陕西省教育厅青年创新团队科研计划项目（22JP046）

作者简介：马腾（1990—），男，陕西榆林人，博士，讲师，主要从事煤火灾害防控方面的研究工作。