趙鴻亮

（山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業(yè)有限公司）

山西煤炭運銷集團盂縣恒泰皇后煤業(yè)15105 工作面采空區(qū)頂板的不易跨落，導致工作面大量風流穿越采空區(qū)，為遺留浮煤和冒空松動頂煤的自燃氧化提供了良好條件［1］，一旦發(fā)生自燃火災，后果十分嚴重。因此，開展該采空區(qū)自燃三帶劃分技術研究，確定采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，用來指導礦井的防滅火工作，保證工作面安全生產。

1 工程概況

1.1 工作面基本情況

15105 工作面所處水平為810 m，位于15#煤層井田中部，標高為790～820 m。工作面傾向長150 m，走向長876 m，面積為131 400 m2。15105 綜放工作面位于15#煤層西南部，東部為軌道下山，南部為本礦未采煤田，距井田邊界100 m，西面為陽煤興峪煤業(yè)。北部回風順槽與15101回采工作面采空區(qū)相鄰，上方對應有9#煤層采空區(qū)。

15105 工作面布置有進風順槽、回風順槽、高抽巷和低位抽放巷4 條巷道，工作面共安裝支架101架。15105 工作面進、回風順槽及切割巷沿15#煤層底板掘進；高抽巷沿12#煤層頂板掘進，距15#煤層頂板約54 m；本煤層低位抽放巷沿15#煤層頂板掘進，與回風順槽內錯15 m；進風、回風、高抽巷大致沿煤層的走向布置，工作面切割巷沿煤層傾斜布置。

1.2 煤層情況

煤層厚度最大為8.41 m，最小為6.3 m，平均厚7.51 m。工作面總體位于單斜構造上，北高南低，傾角為3°～5°。15#煤層屬石炭系太原組煤層，為穩(wěn)定煤層，結構復雜，含0～3 層夾矸，有時有0.5 m 的砂質泥巖偽頂。頂板為K2 石灰?guī)r，裂隙發(fā)育，中夾3 層砂質泥巖，底板為灰黑色砂質泥巖，富含植物化石。煤體硬度系數為1～1.5，密度為1.4 t/m3，全井田可采。煤層多以亮煤為主，暗煤次之，夾有鏡煤條帶和少量絲炭，屬優(yōu)質貧煤。工作面內還存在預測斷層F1、F2、F3、F4 及預測地質異常體A1、A2。其中，預測斷層F1、F2、F3、F4斷距小于1/2煤厚，局部可能增大，不排除煤層破碎的影響，周圍瓦斯含量不確定，對回采有一定影響。

2 研究方法

通過現場調研，采用兩順槽預埋管路的方法，使用束管監(jiān)測系統(tǒng)進行氣體采集，氣體成分分析使用氣相色譜分析儀進行。通過計算采空區(qū)煤自燃極限參數，根據煤自燃三帶劃分條件，劃分出煤自燃三帶范圍。

2.1 測點分布

在距工作面200 m 左右進行采空區(qū)氣體成分范圍測定，間距20 m 設一個測點，保持采空區(qū)內部回風側有3 個測點、進風側1 個測點，上下順槽進行同時觀測［2-5］，日常測點隨工作面推進向前移動。待各個測點均進入采空區(qū)150 m 后或氧氣濃度降至5%左右時結束觀測。

外用2寸鋼管對觀測束管進行保護，束管采用單芯管鋪設。各測點均需每天組織專人利用手動抽氣泵進行抽氣檢測，取氣后送往地面色譜站進行色譜分析［6-8］。測點具體分布如圖1 所示。為了防止采空區(qū)積水堵塞束管，進回風兩側的管路距底板的高度為1m。各測點在不取氣時用塑料袋密封好，放置在隱蔽地點，加以保護［9-11］。

2.2 觀測探頭布置方法

束管在鋪設期間，針對束管采用2寸鋼管作為保護套管，為了便于區(qū)分不同監(jiān)測測點，束管必須進行標記區(qū)分，束管內徑8 mm，使用過濾式探頭安設在束管端頭。每根束管負責一個監(jiān)測點的氣樣，每個取氣頭抬高1 m 以上。整個管路需要盡量貼近煤壁，探頭必須固定在煤壁下方，防止采煤過程中倒下［12-15］，如圖2所示。

測試過程中掌握實際開采時采空區(qū)浮煤分布規(guī)律，掌握采空區(qū)氧氣、甲烷、CO 等氣體濃度的分布規(guī)律，同時記錄工作面日推進速度、日回采率、頂板跨落情況、工作面供風量［15-16］。

3 現場觀測結果及分析

3.1 采空區(qū)浮煤分布狀況

15105 工作面放頂煤開采，平均采高2.6 m，放頂4 m。工作面中部回采率在93%左右，15#煤層厚度為6.3～8.41 m。根據現場觀察，15105 工作面在監(jiān)測區(qū)段的15#煤層未放頂回收厚度大致為0.91 m 左右，計算浮煤厚度時取0.91 m，采空區(qū)內部空隙率可根據經驗定為30%。根據2019 年11 月份前后觀測的工作面頂煤厚度以及工作面的回采率推斷出采空區(qū)平均浮煤厚度及寬度，采空區(qū)中部范圍內的浮煤厚度為1.18 m。兩順槽的遺煤厚度計算結果為3.67 m。

3.2 工作面推進情況

現場觀測從2020 年5月5 日至2020 年6月20 日，工作面總共推進117 m，采空區(qū)觀測結束，每日推進距離平均為2.4 m/d左右。

3.3 采空區(qū)不同氣體濃度及漏風強度分布規(guī)律

3.3.1 采空區(qū)不同氣體濃度分布

按照既定方案，埋管及測點布置完成后，從2020年5月5號開始對1#和4#測點進行取氣分析，6月20號完成現場觀測。根據每天的氣體觀測數據，得出進、回風側氧氣濃度隨埋深的變化趨勢如圖3、圖4所示。

由圖3可知，進風側測點的氧氣濃度隨著埋深的增加而逐漸降低，且下降速度有一個從平緩下降到快速下降的趨勢。由圖4 可知，選取的1#、2#、3#測點的氧濃度變化規(guī)律也是隨著埋深的增加而逐漸降低；與進風側不同的是氧濃度下降速度隨著埋深的增加并沒有明顯的加快，而是較為平穩(wěn)地下降。這是因為回風側的漏風強度較進風側有所降低。

對比圖3 與圖4，回風側氧氣濃度下降速度較進風側快一些。以進風側4#測點與回風側1#測點作比較，4#測點在埋深51 m 時氧氣濃度為18.98%，而1#測點在相同埋深時的氧氣濃度為18.09%；4#測點在埋深105 m 時氧氣濃度14.13%，而1#測點在相同埋深時的氧氣濃度為13.24%。造成這種情況的原因是回風側的漏風強度低于進風側，使得回風側浮煤與氧氣發(fā)生復合氧化反應的時間增加，同時新鮮空氣從進風側到回風側經歷了一定程度的消耗。

3.3.2 工作面采空區(qū)漏風強度分布規(guī)律

通過實際測定的氧濃度分布反推漏風強度［17-18］。假定漏風流僅沿一維流動，當松散煤體內漏風強度恒定不變時，可求出漏風強度與氧濃度關系

根據皇后煤業(yè)15105 工作面煤層煤樣自燃性實驗測試，煤樣在34.8 ℃下所對應的耗氧速度為3.766 033×10-10mol/（s·cm3），利用已測得的采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，結合式（1）可推算出進、回風側的采空區(qū)漏風強度，其與推進距離關系如圖5、圖6所示。

由圖5和圖6可知，15105工作面進、回風側漏風強度隨工作面推進不斷降低，在距工作面75m 范圍內，漏風強度變化最大，漏風強度在第一個測點達到最大值，之后不斷下降，最后趨于平緩。在采空區(qū)深度相同位置，進風側漏風強度普遍明顯高于回風側的漏風強度，這與之前分析的現場氧濃度隨埋深變化情況相同，再次表明了進風側漏風量大于回風側。

4 皇后煤業(yè)15105采空區(qū)三帶劃分

采空區(qū)中的遺煤自燃必須具有一定厚度的浮煤，浮煤氧化產生的熱量得以積聚；要有足夠的氧氣濃度，以使浮煤產生足夠的氧化熱，用來提供煤體升溫所需熱能；漏風強度不宜過大，以免產生的熱量被風流帶走。根據15#煤層的實驗測試結果和理論分析得知：

（1）在起始溫度為20 ℃時，煤層實驗最短自然發(fā)火期為94 d，以礦井實際溫度20 ℃為起始溫度，則煤層最短自然發(fā)火期為94 d。

（2）下限氧濃度在50 ℃左右，只要氧氣濃度低于此溫度的下限氧濃度，浮煤就不會自燃。浮煤厚度小于0.418 m 時，下限氧濃度值大于21%（體積分數），浮煤不會自燃。浮煤厚度增加，下限氧濃度值迅速降低。

按照皇后煤業(yè)15105 工作面的實際情況，以推進速度為2.4 m/d 來計算，推進長度達到184 m，需推進77 d，由煤自然發(fā)火實驗數據可知，此時煤樣溫度升至60 ℃，當采空區(qū)浮煤厚度為1.18 m時，下限氧濃度為4.26%，當氧濃度低于此值時，浮煤不會自燃，故采用漏風強度0.014 cm3/（s·cm2）及下限氧濃度4.26%作為劃分皇后煤業(yè)15105 工作面采空區(qū)煤自燃三帶的界限，以此提高三帶劃分的可靠性，以便采取預防措施，更好地預防采空區(qū)遺煤自燃。根據現場4個測點氧濃度觀測結果及其趨勢線劃出的采空區(qū)三帶分布如圖7所示。

5 結 論

（1）確定了皇后煤業(yè)15105 采空區(qū)隨著埋深的增加，氧濃度不斷下降，工作面進、回風側漏風強度隨工作面推進不斷降低，在距工作面125 m 范圍內，漏風強度變化最大，之后不斷下降，最后趨于平緩。漏風強度在采空區(qū)進風側最高，中部次之，在回風側最低。漏風強度從進風側經采空區(qū)中部至回風側不斷遞減。

（2）參考15#煤層自然發(fā)火實驗數據，結合現場觀測結果確定了采空區(qū)自燃三帶的分布范圍。