李璐璐

（晉能控股煤業(yè)集團晉城煤炭事業(yè)部陽城晉圣固隆煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048100）

0 引 言

煤自燃一直是威脅煤礦安全高效開采的重點問題[1,2]。隨著煤層的開采，在采動應力擾動下，覆巖垮落后裂隙導通地表及井下煤柱及密閉存在裂隙，導致煤自燃給工作面安全開采帶來安全隱患[3,4]，分析厚煤層綜放工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布特征及其防治方法對于指導礦山煤自燃防治及其安全回采意義重大[5,6]。在這方面研究中，趙建波等[7]對山西金暉瑞隆煤礦8115 采煤工作面采空區(qū)自燃“三帶”進行了測定與劃分，推算了工作面極限推進速度為每月8.7 m；楊富強等[8]采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律進行研究，指出O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度的增加呈顯著下降趨勢，確定工作面最小推進速度為4.08 m/d；尚瑋煒等[9]以O(shè)2濃度作為自燃“三帶”的劃分指標，獲得試驗工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，確定采空區(qū)內(nèi)高危險區(qū)域的范圍，并計算了工作面的最大停產(chǎn)整頓時間為7 d。綜合文獻分析，對于采空區(qū)自燃“三帶”的研究主要采用現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，并確定合理的推進速度，以此為依據(jù)提出有效的防治技術(shù)。針對固隆煤礦1301 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分析與防治需要，采用現(xiàn)場測定與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對采空區(qū)自燃“三帶”內(nèi)部特征進行了研究，并給出了針對性的采空區(qū)自燃防治方法，可為綜放工作面采空區(qū)煤自燃防治提供指導與借鑒。

1 工作面概況

固隆煤礦1301 工作面主采3 號煤層，工作面位于+620 m 水平，所處標高為+680～+705 m，推進長度739 m，傾斜長度166.5 m，煤層平均厚3.95 m，平均傾角5.5°。1301 工作面北部為寺頭斷層，切眼距離寺頭斷層設(shè)計留有30 m 保安煤柱，南部為一盤區(qū)軌道進風巷，東部距1302 工作面25 m，西部為1310工作面，現(xiàn)在正在掘進；工作面采用綜合機械化放頂煤開采工藝，煤層頂?shù)装迩闆r見表1。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r

根據(jù)現(xiàn)場實測，工作面絕對瓦斯絕對涌出量為2.49 m3/min，煤層自燃傾向性等級為Ⅲ級，采用“U”型通風，實際需風量為860 m3/min。確定詳細直觀的自燃氧化帶的形狀和寬度，特別是采空區(qū)中的氧氣和流場隨著工作面推移的變化情況，對于工作面安全回采至關(guān)重要。

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場測定

2.1 現(xiàn)場測定方法

采空區(qū)自燃“三帶”主要包括散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶，主要以采空區(qū)氧含量的分布情況進行測定劃分。將O2含量≥18.0%定為散熱帶；O2含量10%～18.0%定為氧化帶；將O2含量≤10%定為窒息帶。研究在工作面兩側(cè)巷道共布置2 條抽氣管路，管路布置情況如圖1 所示。通過現(xiàn)場氣體抽測與分析，確定采空區(qū)自燃“三帶”。

圖1 束管及抽氣點位置圖

2.2 測定結(jié)果分析

1301 工作面進風巷道與回風巷道采空內(nèi)氧氣含量測定結(jié)果如圖2 所示?？梢钥闯觯S著工作面推進距離延長，進風側(cè)與回風側(cè)氧氣含量整體呈現(xiàn)降低發(fā)展特征。對于進風側(cè)而言，位于采空區(qū)內(nèi)24 m時，監(jiān)測氧氣含量為18.1%，位于采空區(qū)內(nèi)126 m時，監(jiān)測氧氣含量為9.72%，可以看出工作面距采空區(qū)0～24 m 為散熱帶，24～126 m 為氧化帶，超過126 m 為窒息帶；對于回風側(cè)而言，位于采空區(qū)內(nèi)10.5 m 時，監(jiān)測氧氣含量為17.9%，位于采空區(qū)內(nèi)60 m 時，監(jiān)測氧氣含量為9.86%，可以看出工作面距采空區(qū)0～10.5 m 為散熱帶，10.5～60 m 為氧化升溫帶，采空區(qū)以里超過60 m 為窒息帶。綜合分析，對于工作面進風側(cè)與回風側(cè)，采空區(qū)自燃三帶分布范圍不同，其中進風側(cè)三帶范圍更大，特別是氧化升溫帶達102 m，需引起足夠重視。

圖2 采空區(qū)氧氣含量測定結(jié)果

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬分析

3.1 流速劃分下采空區(qū)氧化升溫帶

1301 工作面采用“U 型”通風，為“一進一回”通風方式，通過模擬可得U 型通風壓力及流線分布情況如圖3 所示。采空區(qū)通風壓力分布沿采空區(qū)走向中軸線呈對稱分布特征，進風側(cè)風壓明顯大于回風側(cè)。在漏風壓力驅(qū)動下采空區(qū)漏風跡線經(jīng)進風巷流經(jīng)采空區(qū)再有回風巷流出。

圖3 U 型通風壓力及流線分布圖

U 型通風下工作面風速分布情況如圖4 所示?？梢钥闯觯╋L風流在流經(jīng)工作面時仍保持著較高的流速，但在進回風隅角由于風流變向和漏風的影響，風速略有減小。

圖4 U 型通風工作面及采空區(qū)風速分布圖

為進一步分析采空區(qū)氧化帶升溫的位置，根據(jù)0.24 m/min 和0.1 m/min 對采空區(qū)自燃“三帶”進行劃分。以漏風風速為指標劃分的氧化升溫帶的分布范圍見圖5?？梢钥闯?，采空區(qū)氧化帶分布在采空區(qū)后方25～124 m 范圍內(nèi)，由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性，兩巷附近的漏風流速等值線較中部更加深入，氧化深度更大。在進風側(cè)，0.24 m/min的等值線可深入到采空區(qū)走向124 m 左右位置。

圖5 采空區(qū)自燃氧化帶的分布范圍

3.2 氧氣濃度劃分下采空區(qū)氧化升溫帶

采空區(qū)中部及兩側(cè)氧濃度變化情況如圖6 所示?？梢钥闯觯煽諈^(qū)的氧氣濃度分布呈現(xiàn)不均勻性分布特征，進風側(cè)的采空區(qū)氧化升溫帶寬度明顯高于回風側(cè)，這與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果基本一致，進風側(cè)采空區(qū)內(nèi)60 m 時氧氣濃度為18%，120 m 時氧氣濃度為10%；回風側(cè)采空區(qū)內(nèi)10 m 時氧氣濃度為10%；中部采空區(qū)氧化帶濃度10%～18% 的區(qū)間對應采空區(qū)20～70 m 位置。

圖6 采空區(qū)中部及進風側(cè)氧濃度變化

在分析采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律的基礎(chǔ)上，為清楚地了解采空區(qū)自燃氧化帶的分布形態(tài)，得到了以采空區(qū)氧氣濃度18%～10% 為劃分指標的采空區(qū)氧化帶分布如圖7 所示?？梢钥闯觯趸瘞挾仍诓煽諈^(qū)內(nèi)部由近風側(cè)向回風側(cè)整體表現(xiàn)為先快速增加后緩慢減小特征，進風側(cè)氧化帶寬度達65 m，中部氧化帶寬度達58 m，回風側(cè)氧化帶寬度達22 m。

圖7 采空區(qū)的氧化帶分布圖

綜合分析，結(jié)合漏風風速和氧氣濃度為指標劃分的氧化帶范圍，為了降低采空區(qū)煤自燃風險，取風速和氧氣濃度確定的氧化帶范圍的并集，最終確定氧化帶的范圍為22～130 m，與現(xiàn)場觀測結(jié)果具有較高的吻合度，證實了研究結(jié)果的可靠性。

4 采空區(qū)自燃防治方法

4.1 保證工作面安全推進速度

確定合理的工作面安全推進速度，對于采空區(qū)自燃防治具有重要的指導作用，根據(jù)前述研究獲得的采空區(qū)氧化帶范圍，工作面最小安全推進速度確定方法如下[10]：

式中：dmax為采空區(qū)最大氧化帶范圍，m；T為煤層平均自然發(fā)火期，d。

固隆煤礦3 號煤層平均自然發(fā)火期為100 d，采空區(qū)最大氧化帶范圍為130 m，帶入公式（1），可得，工作面最小安全推進速度為1.3 m/d。綜合分析，為保證工作面安全回采，其推進速度應不小于1.3 m/d，考慮現(xiàn)場作業(yè)條件及環(huán)境因素影響，最終確定工作面安全推進速度為2 m/d。

4.2 注氮防治

1301 工作面在推進過程中，要定期對工作面后方采空區(qū)內(nèi)CO 含量進行監(jiān)測，當CO 含量存在異常時，可將之前鋪設(shè)的疏放水孔加以利用，對采空區(qū)氧化升溫帶實施注氮，直到氧濃度降低到10%以下。1301 工作面制氮裝置位于輔運巷內(nèi)，采用2 條注氮管路循環(huán)注氮工序，注氮管口應保證高于巷道底板達300 mm，直至采空區(qū)內(nèi)氧濃度符合要求為止，為防止注氮管控被掉落矸石碰砸及堵孔，管口端部位置應高于巷道底板不小于300 mm，并架設(shè)木垛進行支撐保護?，F(xiàn)場工作面采空區(qū)實施注氮后，對采空區(qū)內(nèi)氧濃度進行了監(jiān)測，氧濃度為7.5%，注氮防治效果顯著。

4.3 堵漏防治

在1301 工作面推進過程中，還需時刻排查因開采擾動影響導致的采空區(qū)漏風情況，一旦出現(xiàn)氧含量異常要及時對裂隙進行封堵，實施過程中，可將封堵材料裝入絲袋內(nèi)，對工作面端頭及進回風側(cè)漏風處布設(shè)絲袋密閉，隨后對密閉區(qū)域再次進行噴漿封堵；同時還應對所留煤柱及原有密閉墻裂隙擴展情況進行定期排查，對于因裂隙存在導致的漏風點采用高分子材料進行充填，避免漏風情況的發(fā)生。

5 結(jié) 論

1）通過對1301 工作面進風巷道與回風巷道采空內(nèi)氧氣含量進行現(xiàn)場測定，確定進回風側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”范圍，其中進風側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”范圍更大，氧化升溫帶達102 m，需引起足夠重視。

2）通過數(shù)值模擬分析，采空區(qū)的氧氣濃度分布呈現(xiàn)不均勻性分布特征，采空區(qū)氧化升溫帶分布在采空區(qū)后方25～124 m 范圍內(nèi)，由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性，兩巷附近的漏風流速等值線較中部更加深入，氧化深度更大；取風速和氧氣濃度確定的氧化帶范圍的并集，最終確定氧化帶范圍為22～130 m。

3）針對1301 工作面采空區(qū)自燃防治需要，研究確定工作面合理安全推進速度為1.5 m/d，并提出了采空區(qū)漏風段注氮與堵漏相結(jié)合的煤自燃防治方法，消除了漏風隱患，保證了工作面安全回采。

4）現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模擬相結(jié)合方法，很好的彌補了現(xiàn)場觀測的缺陷，為采空區(qū)“三帶”劃分提供有利支持，有助于了解采空區(qū)自然發(fā)火早期的成長過程，為掌握整個采空區(qū)的自燃“三帶”分布特征及提出合理煤自燃防治方法提供了有力支撐。