馬龍飛

（山煤集團煤業(yè)管理有限公司，山西 太原 030006）

井下開采安全第一，在煤炭開采的過程中，瓦斯爆炸及火災(zāi)是井下開采的重大安全事故［1-2］。大多數(shù)煤層具有易燃性及自燃性，井下開采存在自然發(fā)火的隱患。因此，需進一步分析所開采煤層的物理化學(xué)性質(zhì)，掌握工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律［3-4］，全面系統(tǒng)地對工作面煤層自燃特性進行研究，最大可能避免安全事故的發(fā)生［5］。本文基于豹子溝煤業(yè)10101綜放工作面開采實踐，進一步探討采空區(qū)自燃“三帶”分布特征。

1 工程概況

豹子溝煤礦位于山西省蒲縣，礦井主水平劃分為四個采區(qū)，目前，礦井只在主水平10+11（9+10+11）號煤層布置一個綜采放頂煤工作面，工作面位于三條大巷的東翼，三條大巷名稱為軌道、運輸、回風(fēng)大巷。首采工作面布置在一采區(qū)三條大巷右翼。主斜井井筒設(shè)計長度667 m，副斜井井筒設(shè)計長度493 m，回風(fēng)立井井筒設(shè)計長度269 m。

豹子溝煤業(yè)布置的10101采煤工作面采用綜采放頂煤采煤工藝，開采下組9+10+11號煤，9+10+11號煤自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，含硫量較高。礦井開采過程如果采空區(qū)丟煤較多或開采推進度遲緩，則容易產(chǎn)生煤層自然發(fā)火火災(zāi)事故。為了掌握采煤工作面9+10+11號煤層自然發(fā)火規(guī)律，并有針對性的采取有效防治煤層自然發(fā)火的技術(shù)措施，以提升豹子溝煤業(yè)防滅火管理水平。

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

2.1 “三帶”定義

（1）散熱帶?；夭晒ぷ髅娌煽蘸?，頂板逐漸垮落，形成一定區(qū)域的垮落帶，這部分空隙較大，漏風(fēng)嚴重，此區(qū)域范圍內(nèi)浮煤產(chǎn)生的熱量基本被風(fēng)流帶走，不會出現(xiàn)自燃現(xiàn)象，稱為“散熱帶”。

（2）氧化自燃帶。隨著工作面的推進，原來的垮落區(qū)域逐漸被頂板上覆巖層壓實，此區(qū)域風(fēng)量較少，一方面風(fēng)量無法將浮煤產(chǎn)生的熱量帶走，另一方面漏風(fēng)還提供了足夠的氧氣供煤進行氧化。因此，這部分區(qū)域很有可能產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，稱為“氧化自燃帶”。

（3）窒息帶。工作面推移，再往里面的垮落區(qū)域已經(jīng)被壓實到一定程度，此區(qū)域漏風(fēng)量極少，浮煤處于窒息狀態(tài)，因此無法產(chǎn)生自燃現(xiàn)象，稱為“窒息帶”。

圖1 “三帶”分布

2.2 劃分指標

（1）根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速劃分。散熱帶的風(fēng)速：大于0.004 m/s；自燃帶的風(fēng)速：0.0016～0.004 m/s；窒息帶的風(fēng)速：小于0.0016 m/s。

（2）根據(jù)氧氣濃度劃分。散熱帶的氧氣濃度：大于18% ；自燃帶的氧氣濃度：7%～18%；窒息帶的氧氣濃度：小于7%。

3 “三帶”現(xiàn)場實測

3.1 采空區(qū)測點布置

在10101綜放工作面兩巷布置束管監(jiān)測點，間距20 m，隨著工作面的推進，監(jiān)測點依次經(jīng)過三帶，監(jiān)測采空區(qū)各項參數(shù)的變化，為三帶的劃分提供依據(jù)。

3.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分析

（1）由采空區(qū)氧濃度數(shù)據(jù)分析，1、2、3號監(jiān)測點位于進風(fēng)巷道內(nèi)，4、5、6號監(jiān)測點位于回風(fēng)巷道內(nèi)。可以分別得到兩巷監(jiān)測點氧氣濃度劃分的三帶范圍。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”

（2）由6個測點的采空區(qū)溫度變化曲線可知，散熱帶為工作面距采空區(qū)0～22.4 m范圍內(nèi)，氧化自燃帶為工作面距采空區(qū)22.4～67 m范圍內(nèi)；窒息帶為工作面距采空區(qū)67 m之后，與氧氣濃度劃分的三帶范圍基本一致。各監(jiān)測點溫度變化規(guī)律見圖2、圖3。

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圖2 進風(fēng)側(cè)各測點溫度變化規(guī)律

圖3 回風(fēng)側(cè)各測點溫度變化規(guī)律

4 “三帶”數(shù)值模擬

4.1 模型建立

根據(jù)豹子溝煤礦10101工作面具體地質(zhì)賦存條件，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件進行模擬進風(fēng)巷道、采空區(qū)、工作面、回風(fēng)巷道4個位置區(qū)域的參數(shù)變化。模型工作面長150 m，寬6 m；進風(fēng)巷道與回風(fēng)巷道寬4 m；采空區(qū)長260 m，寬150 m。模型網(wǎng)格劃分見圖6。并將進風(fēng)巷道作為入口邊界，采空區(qū)為出口自由邊界，根據(jù)具體工作面實測，選取進風(fēng)巷道氧氣濃度為20.9%，風(fēng)流溫度是18.6℃，礦井平均空氣密度ρ=1.225 kg/m3，工作面實際風(fēng)速是1.62 m/s；取松散系數(shù)設(shè)置為1.5，氣體的擴散系數(shù)D=2.88×10-5m3/s，空氣粘性系數(shù)=1.7894×10-5kg/ms。

圖4 模型網(wǎng)絡(luò)劃分

4.2 模擬結(jié)果分析

工作面配置風(fēng)量的多少，對采空區(qū)自燃“三帶”分布會有一定的影響，供風(fēng)量增加即具有增強采空區(qū)熱量散失的作用，同時也具有增加采空區(qū)遺煤供氧的作用，二者的綜合作用結(jié)果共同導(dǎo)致風(fēng)量對采空區(qū)自燃影響。

參考現(xiàn)場束管監(jiān)測部分的推進度及劃分結(jié)果，充分考慮在推進度較大情況下的采空區(qū)自燃三帶分布情況，見圖5～圖7，分別為風(fēng)量1000、1300、1600 m3/min的三帶分布情況。黑線為氧氣濃度為7%的等值線，紅線為風(fēng)量速度為0.004 m/s的等值線；綠線為采空區(qū)風(fēng)流線，藍箭頭表示流場方向。

圖5 風(fēng)量1000 m3/min

圖6 風(fēng)量1300 m3/min

圖7 風(fēng)量1600 m3/min

由圖可知，隨著風(fēng)量增大，氧濃度7%等值線也會向采空區(qū)深部移動，因此散熱帶的起始位置向采空區(qū)深部移動，在工作面風(fēng)量為1000～1600 m3/min達到穩(wěn)定時，最大氧化帶寬度為41.5～50 m。因此可以得到氧化自燃帶寬度隨著工作面供風(fēng)量的增加逐漸變寬。對比工作面實際供風(fēng)量下“三帶”分布的數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際監(jiān)測結(jié)果，發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果與實際監(jiān)測結(jié)果基本吻合，誤差在合理范圍內(nèi)，證明了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

綜合對比數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測得到的數(shù)據(jù)，分析確定了采空區(qū)“三帶”的范圍。認為10101綜放工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”的范圍（距工作面后溜子距離）：散熱帶小于27.2 m，氧化自燃帶27.2～74.5 m，窒息帶大于74.5 m。

工作面最小回采速度，見式（1）：

式中：Vi為工作面推進速度，m/d；LZ為氧化自燃帶寬度，m；Lb為散熱帶寬度，m；T為最短自然發(fā)火期，取81天；2為安全系數(shù)。

求得，10101綜放工作面最小推進速度為1.84米/天。

5 結(jié)語

根據(jù)豹子溝煤礦10101工作面的現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析及數(shù)值模擬結(jié)果，得出采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律；10101綜放工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃“三帶”的范圍（距工作面后溜子距離）為：散熱帶小于27.2 m，氧化自燃帶27.2～74.5 m，窒息帶大于74.5 m；結(jié)合煤層最短自然發(fā)火期，確定工作面的最小安全推進度為1.84米/天。