煤峪口矿综采工作面采空区自燃“三带”分布研究

谢承莹 杨建武 陈玉龙

（1.晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037041；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030000）

在我国现存的资源构架中，煤炭资源仍占据着主要地位。随着煤炭的持续高效开采，煤自燃仍是煤矿急需解决的问题[1-2]。煤峪口矿C3-5#煤层工作面回采过程中，氧气通过采动裂缝进入采空区，遗煤蓄热氧化，采空区经常存在CO 气体浓度较高的现象，这对工作面开采来说是十分严重的安全隐患[3]。矿井虽然采取了注氮等防灭火措施，由于对工作面采空区自燃危险区域缺乏判断，因此，措施针对性不强，收效甚微。通过对C3-5#煤层工作面采空区自燃“三带”进行研究，可以判定采空区自燃危险区域，即可针对采空区自燃危险区域采取防灭火措施，消除自然发火隐患，保障工作面的安全开采。

1 矿井概况

煤峪口矿C3-5#煤层8101 综采工作面位于井田中部。东部为实煤区，南部为盘区巷道，西部为瓦抽硐室，北部为矿界。上覆为煤峪口矿侏罗系14#层404 盘区8402～8412 采空区，层间距约为145 m，共计8 个采空区。C3-5#煤层8101 工作面走向长926.2 m，倾向长152 m，煤层厚度为9.1～36.3 m，平均厚度为17.4 m。8101 工作面采用走向长壁后退式综合机械式低位放顶煤采煤方法，采高为3.8 m，平均采放比为1:3.58，已通过可行性论证。

2 采空区“三带”现场观测

2.1 测点布置

现场采用在进、回风巷道布置束管的方式，观测采空区两侧各点氧浓度分布情况。分别在8101回采工作面进、回风巷各预先埋设一趟取气管路，进风侧埋设3 个测点，回风侧埋设3 个测点，测点间距为40 m，上隅角安设1 处测点随采随移。束管采样点布置图如图1。采空区埋设束管外包钢丝缠绕保护套管，以保护束管不被破坏。每天进行取样化验分析，并安排专人巡检管路，用球胆（气囊）对各个采样点取气，送至色谱站分析测定。

图1 8101 工作面采空区采样点布置示意图（m）

2.2 采空区氧气浓度分布规律

8101 综放工作面束管监测系统对采空区自燃“三带”观测时间为：2021 年10 月2 日至2022 年2 月6 日，共历时124 d。对进风顺槽和回风顺槽各测点数据进行分析整理，采空区自燃“三带”划分数据采用进、回风顺槽两侧采空区1#测点处的数据。利用Origin 分别作出采空区内部进、回风两侧1#测点随工作面推进氧气浓度变化的趋势图，如图2、图3。

图2 回风侧采空区1#测点氧气浓度变化趋势

图3 进风侧采空区1#测点氧气浓度变化趋势

以氧浓度18%和7%作为自燃“三带”分界线[4]。由图2 和图3 分析可得，8101 综采工作面采空区回风侧在距离工作面33.5 m 的位置，氧气体积分数下降到18%左右。随着工作面不断向前推进，回风侧采空区内氧气浓度虽然出现轻微波动，但总体上呈现不断减小的趋势，在测点距离工作面150 m 的位置，氧气浓度下降到7%左右；在采空区进风侧，在距离工作面47.5 m 的位置，氧气体积分数下降到18%左右。随着工作面不断推进，氧气体积分数在距离工作面166 m 的位置下降到7%左右。

因此，从监测数据可以看出，回风侧的散热带范围为距工作面0～33.5 m 左右，氧化带的范围为距工作面33.5～150 m 左右，之后为窒息带；进风顺槽侧的散热带范围为距工作面0～47.5 m 左右，氧化带的范围为距工作面47.5～166 m 左右，之后为窒息带。采空区“三带”划分表见表1。

表1 采空区“三带”划分 m

3 采空区自燃“三带”数值模拟

3.1 物理模型建立及边界条件

根据工作面概况，采空区物理模型可以由2101进风巷、5101 回风巷、顶抽巷、综采工作面和采空区五部分组成，煤峪口U+I 型通风采空区物理模型如图4，采空区模型参数见表2。

表2 采空区模型参数 m

图4 8101 综采工作面采空区物理模型

使用ICEM 功能划分网格，在划分网格过程中，工作面以及巷道网格步距1 m，采空区网格步距3 m，共计网格单元906 843 个，网格质量使用倾斜度（Skewness）查看，Maxiumcellskewness 为0.711 59，由此可以判断网格质量较好，符合运算条件[5]。

将工作面、进风巷和回风巷均设置为流体区域，将采空区设置为多孔介质区域。采用C 语言编写自定义函数，并加载到采空区多孔介质区域中。模型边界条件设置见表3，其中Velocity-inlet 中速度的负值表示速度出口，正值为速度入口。

表3 模型边界条件

3.2 数值模拟结果及分析

采用Fluent 数值模拟软件，计算煤峪口矿8101综采工作面采空区的O2分布，绘制出距底板2 m水平位置（z=2 m）O2体积分数云图，如图5 所示。

图5 距底板2 m 氧气浓度分布云图

分析图5 可知，在U+I 型通风方式下，采空区氧气浓度同样呈“U”形分布，这是由于采空区“O”型圈碎胀理论[6]造成的。沿工作面方向，采空区内的氧浓度与距进、回风侧的距离呈正相关，即距两侧距离越小氧浓度越大、距工作面中部距离越小氧浓度越小；采空区内隅角处氧浓度最大为20.87%。沿采空区深度方向，采空区内的氧浓度与距工作面的距离呈负相关，即距工作面距离越大氧浓度越小，致使采空区深部形成了一个低氧浓度区域。采空区自燃“三带”见表4。

表4 采空区自燃“三带”分布 m

3.3 综合结果分析

综合观测数据与数值模拟结果可知，模拟出的采空区自燃“三带”分布范围与现场监测结果基本一致，验证了数值模拟结果的可靠性。当工作面推进速度缓慢时，将为采空区遗煤与漏入的空气之间进行氧化反应提供充分时间，易自然发火[7]。因此，在工作面回采过程中，为了防止采空区自燃事故，应该减小氧化带的宽度，并确定恰当的工作面最小安全推进度。

4 工作面最小安全推进速度

在工作面回采过程中，为了防止煤自燃的最低安全回采速度称为工作面最小安全推进度，其计算公式如下[8]：

式中：Vf为工作面最小安全推进速度，m/d；LS为采空区中氧化带的宽度，m；T为煤层最短自然发火期，d；K为氧气浓度实验值与氧气浓度实际值的比值，本次取K=21%/12.5%=1.68。

煤峪口矿C3-5#煤层最短自然发火期为82 d，采空区自燃“三带”中氧化带最大宽度为118.5 m。经过上式计算得出8101 综放工作面最小推进速度约为0.86 m/d。8101 综放工作面平均日推进速度约1.5 m/d，即大于工作面最小推进度。因此，在此开采条件下，理论上采空区遗煤自燃的可能性较小。

5 结论

1）确定了8101 工作面采空区自燃“三带”范围，分别为，散热带：进风侧0～47.5 m，回风侧0～33.5 m；氧化带：进风侧47.5～166 m，回风侧33.5～150 m；窒息带：进风侧＞166 m，回风侧＞150 m。

2）煤峪口矿8101 综采工作面采空区煤自燃“三带”数值模拟结果与现场实测范围结果相吻合，两种方法互相佐证，提高了结果的准确性。

3）结合“三带”划分结果和工作面最小推进度来看，工作面最小推进度应为0.86 m/d，而8101综放工作面平均日推进度约为1.5 m/d，略大于最小推进度。结合工作面日常防灭火管理条件，建议加快工作面的推进度，再辅以其他防灭火措施，对采空区进行惰化处理，减少采空区氧化带的宽度，可保证工作面的安全开采。