華勝煤礦3203 工作面采空區(qū)氧化帶寬度與供風(fēng)量的關(guān)系研究

何溢聰

（山西蒲縣華勝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041206）

煤自燃容易引發(fā)瓦斯或者煤塵爆炸，威脅作業(yè)人員生命安全和企業(yè)安全生產(chǎn)[1]。采煤過程中產(chǎn)生的采空區(qū)內(nèi)部容易遺留煤炭，當(dāng)供氧、蓄熱等條件合適時，遺煤很可能發(fā)生氧化自燃，因此需準(zhǔn)確測定出采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，以調(diào)整工作面供風(fēng)情況或推進速度，降低自燃危險性。本文通過實測華勝礦3203 采煤工作面供風(fēng)量與采空區(qū)耗氧速度等關(guān)系，劃分三帶分布，保障礦井安全生產(chǎn)。

1 3203 回采工作面概況

華勝煤業(yè)位于山西省蒲縣縣城東部20 km，年產(chǎn)煤量90 萬t，開采深度從+1370 m 至+1010 m 標(biāo)高。3203 回采工作面采用后退式采煤，走向長壁綜采一次采全高采煤工藝，頂板全部冒落。北部為未采的3202 工作面煤體，如圖1。工作面所在的3 號煤層煤體密度為1.35 t/m3，硬度為2～3，裂隙發(fā)育，條帶狀結(jié)構(gòu)。煤層平均厚度為1.7 m，含一層平均0.8 m 厚的夾矸，煤層穩(wěn)定，對回采無影響[2]。煤層走向176°左右，傾向86°左右，傾角為1°～10°，平均傾角為5.5°。3 煤層的煤種是氣煤，硫分為0.91%，發(fā)熱量為27.44 MJ/kg（不含頂、底矸和夾矸）。工業(yè)分析結(jié)果見表1。

圖1 工作面布置圖

表1 工業(yè)分析結(jié)果 （單位：%）

2 采空區(qū)自燃“三帶”分析

按漏風(fēng)強度和遺煤自燃可能性可以將采空區(qū)劃分成三帶，即散熱帶、自燃帶和窒息帶[3]。散熱帶從位置上來看最接近工作面。雖然散熱帶內(nèi)部也有煤炭，但其與空氣接觸的時間比較短，氧化速度很慢，產(chǎn)生的熱量相對較少。同時，由于這部分煤體堆積空隙多比較松散，因此熱量不容易積聚，不會發(fā)生自燃現(xiàn)象。自燃帶與工作面距離相對較遠，碎煤塊堆積空隙較小，漏風(fēng)強度不高，可以為煤炭氧化提供充足的氧氣，同時氧化后產(chǎn)生的熱量散失較小，因此熱量長時間積聚后容易發(fā)生煤炭自燃。窒息帶與工作面距離最遠，煤塊被冒落巖石緊密壓實，供風(fēng)量不足，氧氣含量很少，因此氧化速度非常慢，而且煤氧化后產(chǎn)生的氣體進一步稀釋了氧氣濃度，所以無法達到自燃條件。采空區(qū)的“三帶”隨工作面的推進向前移動，滿足下列條件時，處于“三帶”中的遺煤即可能發(fā)生自然發(fā)火[4]：

式中 ：W為采空區(qū)內(nèi)部氧化自燃區(qū)域與工作面之間的最遠距離，m；vf為工作面每月推進速度，m；ts為煤層的自然發(fā)火期，月。

2.1 上限風(fēng)量與下限氧濃度和耗氧速度

采空區(qū)遺煤自燃需要同時符合三個條件才可能發(fā)生：煤處在自熱氧化狀態(tài)；有良好的蓄熱條件；有充足的氧含量能夠保證遺煤持續(xù)氧化?？梢钥闯觯z煤自燃情況主要受后兩個條件控制，其中，蓄熱條件可以通過采空區(qū)內(nèi)部風(fēng)速分布來確定。

散熱帶和氧化帶的劃分通常以氧化熱能否積聚為界限，在該界線上的風(fēng)速稱為上限風(fēng)速：

式中：v（O2，T）為耗氧速率；H（T）為煤的表面反應(yīng)熱；q（T，O2）為煤的總發(fā)熱量，隨溫度和環(huán)境氧濃度改變。

假定井下采空區(qū)環(huán)境溫度為25 ℃，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)3203 工作面上限風(fēng)量為0.288 m3/m2·min，下限氧濃度為14.96%，耗氧速度為8.16×10-2mol/m2·min（此時氧濃度為21.9%）。

2.2 工作面供風(fēng)量與漏風(fēng)量的關(guān)系

采空區(qū)與工作面的距離越遠，頂板垮落造成的壓力越大，遺煤空隙率（f）越小，最終趨于定值，此處受工作面風(fēng)壓的影響也趨近于定值。采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)量和工作面供風(fēng)量以及內(nèi)部巖石、遺煤空隙率有關(guān)[5]：

式中：ΔQl為采空區(qū)漏風(fēng)量；k（f，Q）為與工作面供風(fēng)量、采空區(qū)漏風(fēng)管理方式和冒落巖石的空隙率相關(guān)的函數(shù)；L為工作面長度。對空隙率f=0.353 的采空區(qū)，A=0.005 1，B=42.68，工作面風(fēng)阻R=0.011 6 N·s2·m-8，實測上下端口在工作面風(fēng)量為2500 m3/min 時的壓差為20 Pa。在不同工作面供風(fēng)量情況下，按式（4）計算的工作面漏風(fēng)量以及現(xiàn)場實測漏風(fēng)量見表2。

表2 3203 工作面供風(fēng)量與漏風(fēng)量關(guān)系

2.3 工作面供風(fēng)量與采空區(qū)氧化帶寬度的關(guān)系

當(dāng)采空區(qū)溫度近似為均勻分布時，內(nèi)部耗氧速度線性相關(guān)于氧濃度線性，采空區(qū)氧化帶寬度和采面供風(fēng)量關(guān)系為：

式中：[O2]1為上限風(fēng)速流線處的氧濃度，mol·m-3；[O2]0為測定耗氧速度v0時的氧濃度，mol·m-3； [O2]min為 實 驗 測 定 的 下 限 氧 濃 度，mol·m-3；Z為工作面采高，m。通過實測，華勝煤礦3203 綜采面煤樣在氧濃度為21.9%時的耗氧速度8.16×10-2mol/m2·min，上限風(fēng)速流線處的氧濃度以18%為準(zhǔn)，按式（4）和式（5）計算得到氧化帶寬度和現(xiàn)場實測的寬度如表3 所示，與供風(fēng)量的關(guān)系如圖2 所示。q為工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)量，m3/min；k為回歸系數(shù)，其值反映采空區(qū)多孔骨架孔隙介質(zhì)特征，本算例k=21.08。采空區(qū)氧化自燃帶寬度與漏風(fēng)量的回歸結(jié)果如圖3。

圖2 采空區(qū)氧化帶寬度與供風(fēng)量的關(guān)系曲線

圖3 采空區(qū)氧化帶寬度與漏風(fēng)量關(guān)系

表3 3203 綜采面不同供風(fēng)量下的散熱帶及氧化帶寬度理論計算結(jié)果

由圖2 可以看出，氧化帶增長速度高于散熱帶，且氧化帶和散熱帶距工作面距離在供風(fēng)量2200 m3/min 以內(nèi)與供風(fēng)量線性相關(guān)。在工作面供風(fēng)量為2500 m3/min 時，氧化帶距工作面距離為98.0 m，寬度為53.9 m。因此應(yīng)該在采空區(qū)設(shè)置擋風(fēng)墻，以減少工作面向采空區(qū)漏風(fēng)。

3203 工作面為單U 型通風(fēng)，取工作面傾斜長200 m，采空區(qū)走向長500 m，通過給定工作面向采空區(qū)漏風(fēng)量q不同賦值，進行多次模擬計算，將模擬結(jié)果進行回歸分析得出采空區(qū)氧化自燃帶寬度與漏風(fēng)量符合下式：

式中：b為采空區(qū)可能自燃氧化自燃帶寬度，m；

3 結(jié)論

通過對采空區(qū)遺煤自燃“三帶”特性的分析，確定了以工作面供風(fēng)風(fēng)速和采空區(qū)內(nèi)部不同區(qū)域的氧氣濃度來劃分采空區(qū)煤炭的氧化自熱區(qū)域的寬度和范圍。結(jié)合華勝礦3203 回采工作面采空區(qū)遺煤自燃發(fā)展和工作面供風(fēng)相關(guān)性較強，供風(fēng)量小于2200 m3/min 時氧化帶和散熱帶距工作面距離隨供風(fēng)量線性增加。當(dāng)工作面供風(fēng)量繼續(xù)增大時，向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)強度同時增加，導(dǎo)致氧化自燃帶寬度變大。