（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司，山西 忻州 036000）

1 工程概況

山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)31102工作面開采3#煤層，位于總回風(fēng)下山巷道西南側(cè)，3#煤層平均厚度1.6m，平均傾角為13°，煤層層理分明，節(jié)理發(fā)育，構(gòu)造總體比較簡單；煤層頂板為泥巖和砂巖，底板為泥巖。工作面采用“U”型通風(fēng)方式，進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽回風(fēng)。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，3#煤層屬自燃煤層，自然發(fā)火期為70d，現(xiàn)為充分分析31102工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律，進(jìn)行現(xiàn)場測試與分析。

2 采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域分析

2.1 觀測方案

為測定、分析31102工作面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域，本項(xiàng)目擬通過在采空區(qū)內(nèi)埋管抽氣的方式，對采空區(qū)內(nèi)的指標(biāo)氣體的濃度變化進(jìn)行監(jiān)測，指標(biāo)氣體包括CO、O2、CH4、C2H6等[1]，本項(xiàng)目主要監(jiān)測CO2、CH4、C2H6氣體。

根據(jù)31102工作面的地質(zhì)條件，在進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽內(nèi)分別設(shè)置4個(gè)指標(biāo)氣體監(jiān)測點(diǎn)，測點(diǎn)間距為200m，當(dāng)工作面回采推進(jìn)至測點(diǎn)位置時(shí)，進(jìn)行監(jiān)測作業(yè)，隨著回采作業(yè)的進(jìn)行，監(jiān)測點(diǎn)會全部進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)，隨后進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測作業(yè)，指標(biāo)氣體監(jiān)測站的布置見圖1。除指標(biāo)氣體監(jiān)測站外，同時(shí)輔以人工取樣的方式進(jìn)行巷道其余地點(diǎn)指標(biāo)氣體的收集作業(yè)。

工作面回采期間，觀測分析作業(yè)內(nèi)容如下：①觀測參數(shù)：工作面的推進(jìn)速度、溫度、指標(biāo)氣體的濃度和供風(fēng)量等；②分析對象：31102工作面回采期間，采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)軌跡、浮煤的分布形態(tài)及一氧化碳和甲烷等氣體濃度的變化規(guī)律。

圖1 31102工作面指標(biāo)氣體監(jiān)測站布置

2.2 采空區(qū)溫度分析

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，能夠得出進(jìn)風(fēng)巷側(cè)與回風(fēng)巷側(cè)不同測點(diǎn)溫度的變化曲線，具體以進(jìn)風(fēng)巷側(cè)1#～3#、回風(fēng)巷側(cè)5#～7#測點(diǎn)進(jìn)行分析，見圖2。

圖2 采空區(qū)內(nèi)溫度分布曲線

分析圖2（a）可知：1#～3#測點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)0～20m的區(qū)域，溫度基本穩(wěn)定在22℃～25℃，且溫度呈現(xiàn)出紊亂分布的狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)的產(chǎn)熱速率小于散熱速率，故該區(qū)域范圍內(nèi)的煤體不存在自燃危險(xiǎn)；進(jìn)風(fēng)測采空區(qū)20～118m范圍，溫度均呈現(xiàn)出穩(wěn)步上升的趨勢，溫升速率基本穩(wěn)定在0.1～0.3℃/d，即確定該區(qū)域?yàn)楦邷匚ｋU(xiǎn)區(qū)域；隨著測點(diǎn)逐步進(jìn)入采空區(qū)深部，測點(diǎn)溫度波動逐漸減小，甚至出現(xiàn)不波動的情況，表明已經(jīng)進(jìn)入窒息帶。

分析圖2（b）可知，5#～7#測點(diǎn)數(shù)據(jù)顯示，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)0～23m的區(qū)域，溫度基本穩(wěn)定在22℃～25℃，且溫度呈現(xiàn)出紊亂分布的狀態(tài)，采空區(qū)內(nèi)的產(chǎn)熱速率小于散熱速率，故該區(qū)域范圍內(nèi)的煤體不存在自燃危險(xiǎn)；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)23～100m范圍，各測點(diǎn)的溫度均明顯升高，表明隨著測點(diǎn)進(jìn)入到采空區(qū)一定深度，采空區(qū)內(nèi)的浮煤氧化速度在逐漸加快，基于此可知，該區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)的高溫危險(xiǎn)區(qū)域，存在著一定的自燃風(fēng)險(xiǎn)；當(dāng)測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)120 m以上時(shí)，測點(diǎn)溫度基本呈現(xiàn)出穩(wěn)定的狀態(tài)，僅在很小的范圍內(nèi)產(chǎn)生波動，故該區(qū)域不存在自燃危險(xiǎn)。

2.3 采空區(qū)指標(biāo)氣體分析

根據(jù)31102工作面回采期間指標(biāo)氣體監(jiān)測站所得的監(jiān)測結(jié)果，能夠繪制出工作面回風(fēng)側(cè)指標(biāo)氣體與滯后工作面距離的關(guān)系曲線，見圖3。

圖3 工作面回采期間測點(diǎn)指標(biāo)氣體分布曲線

分析圖3可知，5#測點(diǎn)與6#測點(diǎn)在與工作面間距離大于40m時(shí)，開始監(jiān)測到C2H6氣體，可知在該區(qū)域采空區(qū)內(nèi)部的浮煤已經(jīng)進(jìn)入氧化階段；5#和6#測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)60～100m范圍時(shí)，CH4氣體濃度出現(xiàn)明顯下降的現(xiàn)象，由此可知，此區(qū)域采空區(qū)內(nèi)的浮煤已經(jīng)進(jìn)入到氧化加速和蔓延階段。

3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

3.1 劃分方法與步驟

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)不同深度處遺煤的氧化程度，能夠從采煤工作面往采空區(qū)深部劃分為三個(gè)區(qū)域，分別為：散熱帶、氧化帶和窒息帶，采空區(qū)的自燃“三帶” 會隨著工作面回采作業(yè)的進(jìn)行逐漸移動，“三帶”具體特征及劃分條件如下[2-3]：

（1）散熱帶：該帶的劃分條件為采空區(qū)內(nèi)的產(chǎn)熱量≤散熱量，有具體該條件的區(qū)域組成的采空區(qū)區(qū)域組成了散熱帶，該帶在采空區(qū)漏風(fēng)量充足提供氧氣的條件下，會持續(xù)進(jìn)行遺煤的氧化過程，進(jìn)而迅速的完成氧化反應(yīng)的放熱過程。

（2）氧化帶：該帶劃分標(biāo)準(zhǔn)為，在溫度一定下，所有采空區(qū)內(nèi)產(chǎn)熱量＞散熱量的點(diǎn)集組成的區(qū)域。

（3）窒息帶：該帶是在一定溫度時(shí)，蓄熱和遺煤的厚度滿足自燃的條件，但是由于缺少氧氣，進(jìn)而出現(xiàn)產(chǎn)生的熱量≤散發(fā)熱量的點(diǎn)集組成的區(qū)域組成了窒息帶。

在進(jìn)行綜采工作面采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分作業(yè)時(shí)，具體的劃分方法及步驟如下：

（1）根據(jù)綜采工作面及采空區(qū)特征，進(jìn)行采空區(qū)遺煤厚度等值線圖和區(qū)域圖的推算。

（2）對采空區(qū)的漏風(fēng)情況、CO濃度和氧氣濃度等指標(biāo)性氣體進(jìn)行長期監(jiān)測作業(yè)，基于觀測結(jié)果確定出采空區(qū)遺煤實(shí)際等值線趨勢圖。

（3）通過測量分析工作面中巖層溫度Tg、空氣溫度Ty，并對煤體的放熱強(qiáng)度q0(T)進(jìn)行測定，隨后求出浮煤厚度h、工作面距離x、煤體溫度Tm為自變量時(shí)，其對應(yīng)的極值，分別為hmin（最小浮煤厚度）、Cmin（最小氧濃度）、Qmax（最大漏風(fēng)強(qiáng)度），進(jìn)而確定固定溫度下采空區(qū)內(nèi)的極大值，見式（1）。

（4）根據(jù)上述分析得出的的采空區(qū)漏風(fēng)情況及指標(biāo)氣體的等值線圖，進(jìn)行總結(jié)分析，具體給出趨勢分布圖中滿足條件的范圍，進(jìn)而對采空區(qū)“自燃”三帶的范圍的可視化。

（5）根據(jù)趨勢圖中得出的氧化帶跨度Lx的點(diǎn)集，進(jìn)而能夠推算出氧化帶的最大寬度為Lmax，得出工作面極限推進(jìn)速度、采空區(qū)自燃危險(xiǎn)條件和氧化帶的臨界寬度表達(dá)式分別如下：

極限推進(jìn)速度：vmin=Lmax/τmin

自燃危險(xiǎn)條件：Lx>Lxmin

氧化帶臨界寬度：

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”范圍

為有效分析采空區(qū)內(nèi)自燃的條件，需要使得采空區(qū)內(nèi)散落的煤體達(dá)到一定的厚度h，同時(shí)能夠有充足的氧氣保障煤體氧化進(jìn)程，現(xiàn)結(jié)合31102工作面煤樣的試驗(yàn)測試分析結(jié)果，根據(jù)采空區(qū)自燃的相關(guān)理論[4]計(jì)算遺煤厚度與上限漏風(fēng)強(qiáng)度、下限氧氣濃度間的關(guān)系，見表1。

表1 浮煤厚度與上限漏風(fēng)強(qiáng)度和下限氧濃度的關(guān)系

根據(jù)采空區(qū)內(nèi)的氣體的監(jiān)測結(jié)果，得出采空區(qū)中部全部為散熱帶，兩道順槽壓裂產(chǎn)生的遺煤厚度大小為0.3～0.4m，按最大遺煤厚0.4 m計(jì)，采空區(qū)自燃的下限氧氣濃度可達(dá)7.12%，上限漏風(fēng)強(qiáng)度可達(dá)0.049 cm/s，通過分析、計(jì)算，得出31102工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布形態(tài)，見圖4。

圖4 采空區(qū)自燃“三帶”范圍曲線

分析圖4可知，隨著與工作面距離的增大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度均出現(xiàn)逐漸降低的趨勢，且漏風(fēng)強(qiáng)度降幅相對較快。曲線中下限氧濃度區(qū)域與上限漏風(fēng)強(qiáng)度重疊區(qū)域的橫坐標(biāo)即為采空區(qū)氧化升溫帶的寬度，從圖中能夠看出進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的區(qū)域?yàn)?0～108m，回風(fēng)側(cè)氧化帶區(qū)域?yàn)?0～84m范圍內(nèi)，基于上述可知，工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶和回風(fēng)側(cè)氧化帶的跨度分別為88 m和56m，綜合上述分析確定工作面最大氧化升溫帶的寬度為88 m。31102綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”的劃分范圍見表2。

由于31102工作面采用U型通風(fēng)方式，其進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)風(fēng)流較大，可燃?xì)怏w容易被稀釋，回風(fēng)側(cè)由于采空區(qū)的漏風(fēng)，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)的可燃?xì)怏w隨風(fēng)流被帶到回風(fēng)側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”的分布存在一定的差異，現(xiàn)具體劃分進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)三帶和回風(fēng)側(cè)采空區(qū)三帶分布，以準(zhǔn)確的劃分采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域，以指導(dǎo)采空區(qū)防滅火設(shè)計(jì)。

表2 31102工作面采空區(qū)自燃“三帶”的劃分

4 結(jié)語

根據(jù)31102工作面及其采空區(qū)的具體特征，通過在采空區(qū)內(nèi)埋管抽氣的方式進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)指標(biāo)氣體的監(jiān)測作業(yè)。根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，繪制采空區(qū)不同區(qū)域溫度和指標(biāo)氣體含量曲線，分析判定了采空區(qū)高溫危險(xiǎn)區(qū)域，劃分了31102采面采空區(qū)的自燃“三帶”，即31102采面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)和回風(fēng)側(cè)采空區(qū)散熱帶范圍分別為20 m和25m，氧化帶范圍分別為20～80 m和25～120m，窒息帶分別在＞80 m和＞120 m區(qū)域。