王 釗，白銘波，惠雙琳，盧少帥

（1.陜西陜北礦業(yè)韓家灣煤炭有限公司，陜西榆林 719315；2.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西榆林 719315）

韓家灣煤礦上部煤層已陸續(xù)回采完畢，正進(jìn)行下部煤層的回采。由于其多層煤間距離較小，且煤層具有一類自燃傾向性，屬易自燃淺埋近距離煤層開(kāi)采。地表以風(fēng)沙地貌和黃土溝壑為主，采空區(qū)塌陷后易與上覆地表風(fēng)積沙層貫通[1-3]。由于煤層埋藏淺且與下部煤層間距離較小，當(dāng)下煤層回采后，在采動(dòng)應(yīng)力的影響下，地表沙土層將發(fā)生二次沉降，上部遺留煤柱將隨著下煤層的回采逐步失穩(wěn)，使得上下煤層采空區(qū)相互貫通，重復(fù)開(kāi)采后采空區(qū)上覆巖層形成多次垮落，上下煤層間采空區(qū)覆巖形成的大范圍的采動(dòng)裂縫，從而在各煤層采空區(qū)內(nèi)形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道，導(dǎo)致采空區(qū)出現(xiàn)浮煤自燃、復(fù)燃等現(xiàn)象，造成工作面氣體異常[4-6]，影響工作面安全生產(chǎn)和煤自燃預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)[7-9]。為此，以韓家灣煤礦淺埋近距離煤層群開(kāi)采為工程背景，分析工作面開(kāi)采后煤層自燃、絕氧減溫、供風(fēng)復(fù)燃過(guò)程中氣體形成規(guī)律，劃分采空區(qū)殘煤自燃發(fā)火范圍，為工作面采空區(qū)煤層自燃發(fā)火災(zāi)害預(yù)防提供依據(jù)。

1 工程概況

韓家灣煤礦主要開(kāi)采2-2、3-1與4-2煤層，其中2-2煤層已開(kāi)采完畢，煤層厚度平均4.28 m，3-1煤層目前開(kāi)采213108 工作面，煤層最大厚度為3.1 m，平均厚度為2.7 m，兩煤層距離平均為35.93 m；4-2煤層平均厚度為1.92 m，距離3-1煤層厚度平均為35.93 m。

213108 工作面北側(cè)部為213107 回采工作面，西側(cè)部為3-1煤層?xùn)|翼回風(fēng)巷，南側(cè)部為新設(shè)計(jì)的213109 工作面，東側(cè)部為井田范圍邊界。該工作面長(zhǎng)度為260 m，面積623 545 m2，采用綜采一次采全高傾斜長(zhǎng)壁采煤法。

213108的工作面分別在回風(fēng)輔運(yùn)順槽、繞道上分別施工了2個(gè)調(diào)整風(fēng)門。在輔運(yùn)斜聯(lián)巷、膠運(yùn)順槽、回風(fēng)順槽開(kāi)口以里50 m 處構(gòu)筑防火門，在輔運(yùn)順槽、膠運(yùn)順槽、回風(fēng)順槽距開(kāi)口1 000 m 處構(gòu)筑防火門。3-1煤層主要煤類為CY41，灰分、硫分的變化比較小，煤層開(kāi)采傾斜度為1～3°，平均采高2.7 m，截深0.8 m。

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

通過(guò)埋管抽氣技術(shù)可以觀察采空區(qū)的空氣含量情況，此次對(duì)采空區(qū)范圍內(nèi)的空氣成分可以通過(guò)填料槽進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)定的區(qū)域一般距工作面200 m 以內(nèi)，每邊間隔50 m 設(shè)置一次測(cè)點(diǎn)，在采空區(qū)范圍內(nèi)的進(jìn)回風(fēng)側(cè)各3個(gè)測(cè)點(diǎn)，通過(guò)上下順溝同步觀察。待空氣含量降到5%以下，觀測(cè)便完成。

在工作面的二順槽處沿底板靠近煤壁鋪設(shè)單芯束管，束管在敷設(shè)過(guò)程中采用了3″鋼管作防護(hù)套管，以觀測(cè)采空區(qū)面積及真實(shí)氣體分布情況，避免采空區(qū)積水而阻塞束管，并方便束管安裝。在進(jìn)回風(fēng)側(cè)煤柱壁處預(yù)埋工作的時(shí)候，束管進(jìn)風(fēng)口距基底高程約為1.5 m以上，并固定在煤壁錨上以免打滑。測(cè)點(diǎn)具體布局如圖1。

圖1 213108工作面采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)點(diǎn)布置

2.2 煤自燃“三帶”分布監(jiān)測(cè)結(jié)果

采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分主要依據(jù)是采空區(qū)遺煤厚度、氧濃度、漏風(fēng)強(qiáng)度的分布。由監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，在采空區(qū)內(nèi)部浮煤較多的地方或遺留較厚的地方，開(kāi)采過(guò)程中受采動(dòng)影響，煤體垮落，易產(chǎn)生自然松散狀，并殘留于順槽內(nèi)。隨著工作面的推移，這些殘煤留入采空區(qū)深處，在長(zhǎng)期的漏風(fēng)條件下極易達(dá)到煤層自燃條件，進(jìn)而引發(fā)煤自燃發(fā)火[10]。

由于采空區(qū)浮煤厚度劃分的復(fù)雜性以及采空區(qū)的封閉性問(wèn)題，目前尚無(wú)準(zhǔn)確計(jì)算浮煤厚度的辦法。以往預(yù)報(bào)煤層自燃的方法中，浮煤厚度的計(jì)算主要采用間接計(jì)算法。根據(jù)測(cè)量煤層厚度，并結(jié)合日常推進(jìn)效率、工作面距離、出煤量等，推算出采空區(qū)的浮煤數(shù)量。然后再通過(guò)觀察，找出浮煤散布變化規(guī)律。

213108 的工作面平均采高2.7 m。工作面回采率大于97%，采空區(qū)內(nèi)空隙度為30%，而通過(guò)觀察工作面回采過(guò)程中殘煤厚度和工作面回采率，可以推斷出采空區(qū)的浮煤厚度和寬度。

進(jìn)回風(fēng)順槽及兩端頭支架處浮煤層厚范圍：

（3.1-2.7）/（1-30%）＝0.57 m

采區(qū)中部位置浮煤厚度：

（3.1-2.7）×（1-97%）/（1-30%）＝0.017 m

根據(jù)上式計(jì)算，即得213108 工作面采空區(qū)的浮煤厚度在等值線位置情況，如圖2。

圖2 213108工作面采空區(qū)浮煤厚度平面示意圖

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到了采空區(qū)下限氧含量與極限浮煤厚度，把上述參數(shù)在圖中進(jìn)行繪制，就可確定出采空區(qū)煤自燃三帶分布區(qū)域，如圖3。

圖3 213108工作面采空區(qū)煤自燃三帶范圍

由圖3 可知，在213108 工作面內(nèi)采空區(qū)散熱帶分布范圍一般在采空區(qū)內(nèi)距工作面60～90 m以內(nèi)，在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)口側(cè)由于漏風(fēng)相對(duì)很多，散熱帶覆蓋范圍相對(duì)較深，回風(fēng)巷側(cè)由于漏風(fēng)相對(duì)較少，散熱帶覆蓋范圍較淺。氧化升溫帶在距工作面120～140 m 之上的采空區(qū)面積深部最大。在回風(fēng)巷側(cè)，氧化升溫帶的深度相對(duì)較淺，大約為120 m，進(jìn)風(fēng)口順槽氧化升溫帶深度則相對(duì)較深，可達(dá)140 m。采空區(qū)后120～140 m 之外則為窒息帶。

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

根據(jù)213108 工作面實(shí)際生產(chǎn)條件，采用FLUENT 數(shù)值軟件建立數(shù)值計(jì)算模型，模擬研究采空區(qū)距工作面不同位置處各點(diǎn)的氧氣含量變化關(guān)系，如圖4。

圖4 采空區(qū)三帶數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果

由圖4 可知，隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)深度也逐步增加，采空區(qū)內(nèi)的各測(cè)點(diǎn)氧氣含量也呈現(xiàn)降低態(tài)勢(shì)。距離工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)小于92 m 時(shí)，采空區(qū)內(nèi)各測(cè)點(diǎn)的氧氣含量基本上保持在15%以下，距離工作面大于92 m 時(shí)，采空區(qū)氧濃度的降低速率逐漸增大，采空區(qū)距工作面140 m 以外時(shí)，采空區(qū)氧氣含量能夠降低至7%以下。但在此期間，由于采取了向采空區(qū)注入氮?dú)獾脑?，使得采空區(qū)氧含量大幅下降，采空區(qū)距回風(fēng)巷口60 m 內(nèi)時(shí)，采空區(qū)氧含量已降低至15%，同時(shí)隨著采空區(qū)距離工作面距離的增大，采空區(qū)內(nèi)氧含量降低速率逐漸增大。

綜上所述，由于213108 工作面采空區(qū)氧氣含量在進(jìn)、回風(fēng)口兩端分布相當(dāng)大，從進(jìn)風(fēng)側(cè)逐漸向回風(fēng)側(cè)遞減。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。因此，可以劃分出韓家灣煤礦213108 工作面采空區(qū)煤自燃三帶分布范圍見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)“三帶”劃分/m

4 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)劃分

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，依據(jù)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判別原則，采空區(qū)內(nèi)煤自然燃燒危險(xiǎn)區(qū)域必須同時(shí)符合熱透風(fēng)率、浮煤層數(shù)、氧含量、放熱強(qiáng)度等要求。

根據(jù)采空區(qū)實(shí)測(cè)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)定空氣、煤體溫度、漏風(fēng)強(qiáng)度及不同溫度下浮煤的氧化放熱強(qiáng)度等參數(shù)，運(yùn)用極限參數(shù)公式[11]可計(jì)算不同浮煤厚度、煤溫及距離的三維極限值（最小浮煤厚度hmin、最低氧氣濃度Cmin、最大漏風(fēng)強(qiáng)度）。根據(jù)計(jì)算出的三維值取其某一溫度的極大值可得：

基于上述計(jì)算得到綜采面采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域范圍劃分如圖5。

由圖5 并結(jié)合213108 工作面采空區(qū)氣體溫度場(chǎng)分布特點(diǎn)和煤自燃“三帶”觀察結(jié)果，213108 工作面正?；夭蛇^(guò)程中的采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)范圍較小，主要分布在采空區(qū)兩順槽以及煤厚大于0.4 m 的區(qū)域，需要重點(diǎn)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

圖5 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域示意圖

5 結(jié)論

（1）現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)明確了采空區(qū)煤自燃三帶分布規(guī)律。213108 工作面采空區(qū)距工作面60～90 m以內(nèi)為散熱帶，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶范圍較深，回風(fēng)巷側(cè)散熱帶范圍較淺。距工作面120～140 m 以內(nèi)為氧化升溫帶，回風(fēng)機(jī)側(cè)，窒息帶的深度大約為120 m，進(jìn)風(fēng)口順槽窒息帶的深度達(dá)140 m以外。

（2）數(shù)值模擬分析了采空區(qū)面積內(nèi)的空氣含量分配及布局變化規(guī)律，掌握了采空區(qū)漏風(fēng)隨工作面推進(jìn)的關(guān)系，同時(shí)驗(yàn)證了數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分的準(zhǔn)確性。

（3）劃分了韓家灣煤礦213108 工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性范圍：采空區(qū)兩側(cè)順槽以及遺煤厚度大于0.4 m的區(qū)域。