淺埋煤層采空區(qū)自燃“三帶”分布及劃分研究

肖正江(山不拉煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 100083)

0 引言

煤礦自燃災(zāi)害是影響安全生產(chǎn)的自然災(zāi)害之一。煤礦自燃火災(zāi)的主要爆發(fā)場所為采空區(qū)，一旦火災(zāi)發(fā)生，會直接危及礦井安全及其持續(xù)生產(chǎn)，還可能導(dǎo)致煤炭資源的巨大損失與“凍結(jié)”。為防治此類災(zāi)害，需明確自燃“三帶”的分布及劃分，從而提出針對性的防治措施。

目前對于采空區(qū)自燃“三帶”的劃分研究，主要基于現(xiàn)場實測和數(shù)值仿真分析兩種方法的相互驗證，對遺煤情況、氧氣濃度與漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律進(jìn)行探究，并得出工作面的安全推采速度。

基于現(xiàn)場實測與仿真分析相結(jié)合的方法，王帥等[1]利用氣相色譜分析儀分析采空區(qū)各組分氣體濃度，得出自燃“三帶”氧氣濃度規(guī)律。楊富強(qiáng)等[2]采用束管監(jiān)測FLUENT仿真采空區(qū)流場“三帶”范圍及工作面推采速度。楊奪等[3]建立采空區(qū)多孔介質(zhì)二維穩(wěn)定滲流物理與數(shù)學(xué)計算模型，確定了“三帶”劃分范圍。宋博等[4]利用 SF6示蹤法檢測采空區(qū)地表漏風(fēng)通道和風(fēng)速，研究了地表漏風(fēng)對自燃“三帶”分布的影響。智國軍等[5]通過數(shù)值模擬與實測發(fā)現(xiàn)：采空區(qū)自然發(fā)火是其氧濃度場、煤巖固體溫度場、氣體溫度場及流場等耦合作用的結(jié)果。王耀強(qiáng)[6]將采空區(qū)分為5部分，研究了淺埋深傾斜工作面推采安全速度，同時發(fā)現(xiàn)煤層傾角主要通過影響采空區(qū)孔隙率分布進(jìn)而影響采空區(qū)自燃“三帶”分布。劉玉良[7]根據(jù)采空區(qū)自燃帶范圍及浮煤最短自燃發(fā)火期得出了工作面的最小推采速度，并提出了正常回采時期與危險時期的救治措施。

本文基于中煤山不拉煤礦36203綜采工作面的生產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀，結(jié)合FLUENT與實測氧濃度與漏風(fēng)強(qiáng)度方法，對采空區(qū)進(jìn)行了自燃“三帶”分布及劃分研究，以取得最小推采度從而保證工程的安全進(jìn)行，研究成果對淺埋煤層安全開采具有重要指導(dǎo)意義。

1 工作面概況

中煤山不拉煤礦36203綜采工作面東部臨近F3斷層，南部為未開采的36204綜采工作面，西部為三盤區(qū)6-2煤盤區(qū)大巷，北部為已回采的36202綜采工作面，上部為35102采空區(qū)，下部7-1煤層未開采，工作面長度200 m。

工作面地表位于袁家梁一帶，地面標(biāo)高+1 245～+1 340 m，工作面地表大范圍均為荒山荒坡，煤層埋藏相對較深，開采對地表影響不大。

中煤山不拉煤礦三盤區(qū)6-2煤賦存于延安組第一巖段(J1-2y1)中下部，煤層賦存范圍是屬全區(qū)可采的穩(wěn)定煤層。鉆孔資料顯示：6-2煤與上部5-1煤層之間相距57～63 m，與下部7-1煤層間距27.73～38.27 m，平均33 m。根據(jù)36203兩順槽及切眼掘進(jìn)揭露情況顯示，工作面煤層為單斜構(gòu)造，向西北傾斜，傾角約為1°～3°，煤層厚度平均2.86 m，含夾泥巖0～1層，平均厚度0.06 m，平均煤厚2.8 m，煤層穩(wěn)定。

礦井采用抽出式通風(fēng)方法，36203工作面為沿空留巷工作面，使用Y型通風(fēng)，即工作面輔運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)，沿空巷道和回風(fēng)順槽回風(fēng)。工作面一般正常風(fēng)量為700 m3/min。

2 采空區(qū)三帶現(xiàn)場實測

2.1 測試方法

(1)測點(diǎn)布置

現(xiàn)觀測采空區(qū)氣體濃度分布采用埋管抽氣法，即同時在回風(fēng)和進(jìn)風(fēng)側(cè)向采空區(qū)埋設(shè)束管，從束管內(nèi)抽取氣樣分析其成分。如圖1所示，束管采樣點(diǎn)沿工作面方向每隔30 m鋪設(shè)一個，共布置6個點(diǎn)，工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)沿巷幫每間隔100 m設(shè)一個測點(diǎn)。從測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)開始，每天1次采樣分析，直至采空區(qū)深部距工作面350 m停止。

圖1 工作面采空區(qū)三帶觀測測點(diǎn)布置圖

(2)探頭布置

采空區(qū)采用埋設(shè)束管進(jìn)行抽氣分析的方法分析氣體成分。因測點(diǎn)較多，采用7芯束管進(jìn)行氣樣采集，使用束管的每一個分支管對每個測點(diǎn)進(jìn)行采樣，并采用預(yù)埋束管外套鋼管的方法進(jìn)行保護(hù)。埋設(shè)束管時將進(jìn)氣口抬高至距離底板大約0.5 m的位置，能夠有效防止束管被采空區(qū)積水堵塞。

總管采用?76 mm鋼管保護(hù)，分支管采用4分管保護(hù)。束管前端使用過濾式束管采樣器，以防采樣時粉塵被吸入束管。

在束管抽氣口處標(biāo)記編號，有助于區(qū)分不同測點(diǎn)。束管支管直徑為8 mm，每個測點(diǎn)的氣樣由每根束管運(yùn)管采集。為防止被采煤設(shè)備壓壞，需盡量將束管總管路貼近煤壁，采樣頭固定在離煤層底樣50 mm的位置。布置方式具體如圖2所示。

圖2 埋管觀測探頭布置圖

2.2 工作面推采及遺煤情況分析

36203工作面于2021年3月16日開始埋管，同月18日開始觀測，截至2021年5月27日。36203工作面在自燃“三帶”觀測期間共向前推采380 m。從4月1日至5月27日的推采情況來看，觀測期內(nèi)推采速度為4～7 m/d，平均5.5 m/d。

36203工作面煤層有2.8 m有益厚度，平均采高距離為2.8 m，可考慮30%為采空區(qū)內(nèi)部空隙率，采空區(qū)平均浮煤厚度可由前后觀測的工作面頂煤厚度以及工作面回采率計算出。工作面回采率可達(dá)到98%左右，工作面遺煤約2 800×(1-98%)÷30%=18.7 cm。

2.3 采空區(qū)氧濃度及漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

如圖3所示，采空區(qū)內(nèi)各點(diǎn)氧濃度隨深度增加與工作面推采呈下降趨勢。氧濃度在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)100 m處已經(jīng)下降到18%，由此可見采空區(qū)浮煤存在一定程度的氧化。但進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)測氧濃度隨著埋深增加保持在16%～17%之間，可能是煤礦埋深較淺、漏風(fēng)偏大所致，也可能是在煤柱側(cè)錨網(wǎng)支護(hù)的作用下，巷道很長一段距離內(nèi)頂板垮落不嚴(yán)實或無法垮落，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部存在較大孔隙率，使新鮮空氣進(jìn)入到采空區(qū)內(nèi)部，進(jìn)而造成采空區(qū)內(nèi)部氧濃度一直維持在較高水平。

圖3 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)測點(diǎn)氧濃度隨埋深變化曲線

2.4 采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布規(guī)律

漏風(fēng)強(qiáng)度可由氧氣濃度測算法根據(jù)實際測定的氧濃度分布反推出。假定漏風(fēng)流僅沿一維流動，當(dāng)松散煤體內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度處在恒定不變的條件時，可推導(dǎo)出漏風(fēng)強(qiáng)度與氧濃度之間關(guān)系為：

由36203工作面煤樣自燃性實驗測試得出，煤樣在30.2 ℃下所對應(yīng)的耗氧速度為288.01×10-11，利用由測試得出的采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，結(jié)合式(1)可推算出回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度分布如圖4所示。

圖4 回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度

3 采空區(qū)危險區(qū)仿真分析

為了模擬無法直接觀測的采空區(qū)內(nèi)部滲流場、氣體濃度等，利用ANSYS FLUENT19.0數(shù)值模擬軟件進(jìn)行建模，模型邊界條件由現(xiàn)場實測得出的數(shù)據(jù)來確定，再定義出采空區(qū)各參數(shù)，從而進(jìn)行模擬。

工作面回風(fēng)側(cè)距離工作面350 m以里，氣體濃度趨于穩(wěn)定，故模擬區(qū)域深度確定為400 m。工作面漏風(fēng)裂隙帶高度按5 倍采高計，滲流區(qū)域高度為15 m。

因此，模擬的區(qū)域為一個400 m×200 m×20 m的長方體，工作面兩端壓差按30 Pa計算，工作面氧濃度為21%，如圖5所示，其為在以上建立的模型上模擬得出的采空區(qū)氧濃度分布圖。

圖5 距煤層底板0.5 m處氧濃度分布圖

由圖5可知，中煤集團(tuán)山不拉煤礦36203工作面采空區(qū)氧濃度在回風(fēng)側(cè)距工作面60 m處氧濃度為19%左右，80 m處氧濃度降為18%左右，150 m的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度降至16%左右，同樣的氧濃度在回風(fēng)側(cè)并在之后的300 m的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度在15%左右，300 m左右降至5%左右。這一模擬結(jié)果與現(xiàn)實情況基本一致，可作為預(yù)測采空區(qū)氧濃度變化的依據(jù)。

4 36203采空區(qū)自燃三帶劃分

采空區(qū)遺煤氧化需要滿足三個條件：一是足夠的浮煤厚度積聚、氧化產(chǎn)生的熱量；二是足夠的氧氣濃度促使浮煤不斷氧化升溫；三是源源不斷的較小風(fēng)流，以免風(fēng)流帶走熱量。由山不拉煤礦36203煤層的實驗測試和理論分析可知：

(1)根據(jù)內(nèi)蒙古安科安全生產(chǎn)檢測檢驗有限公司2017年編制的《煤塵爆炸性、煤自燃傾向性檢驗報告》，礦井最短自然發(fā)火期為34天。山不拉煤礦現(xiàn)開采6-2中煤層實際自然發(fā)火期約為40天，為易自燃煤層。

(2)80 ℃左右為臨界溫度，110 ℃左右為干裂溫度。當(dāng)煤溫小于臨界溫度值，增加緩慢；超過臨界溫度值小于裂解溫度值，增速加快；大于裂解溫度后，增速激增。

(3)50 ℃左右為下限氧濃度最大值，當(dāng)氧氣濃度低于此溫度的下限值，無法引起浮煤自燃。當(dāng)浮煤厚度為1.0 m時，下限氧濃度值為7%(體積分?jǐn)?shù))，會隨浮煤厚度減小而激增，其下限氧濃度遠(yuǎn)高于正常氧濃度，浮煤不會自燃。下限氧濃度在不同浮煤厚度時的取值如表1所示。

(4)53.4 ℃左右為上限漏風(fēng)強(qiáng)度最小值，當(dāng)此溫度的上限漏風(fēng)強(qiáng)度低于實際漏風(fēng)強(qiáng)度，浮煤便不會自燃。

(5)53.4 ℃左右為極限浮煤厚度最大值，當(dāng)此溫度的極限浮煤厚度大于實際浮煤厚度，浮煤就不自燃。

在同一個圖上繪制由實驗得到的不同浮煤厚度時的采空區(qū)上限漏風(fēng)強(qiáng)度、下限氧濃度和極限浮煤厚度等參數(shù)的變化規(guī)律，即可以判斷出采空區(qū)煤自燃三帶分布范圍，根據(jù)實際情況和模擬結(jié)果劃分采空區(qū)三帶。

根據(jù)劃分采空區(qū)三帶可以發(fā)現(xiàn)，漏風(fēng)情況在36203工作面采空區(qū)內(nèi)相對較大，且采空區(qū)受漏風(fēng)影響可能會出現(xiàn)塌落不均勻的現(xiàn)象。散熱帶范圍相對較深，距離工作面0～35 m之間的分布范圍為工作面回風(fēng)側(cè)采空區(qū)散熱帶，由于工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)是沿空留巷，整個進(jìn)風(fēng)側(cè)均為散熱帶。在距離工作面35～290 m范圍為回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化升溫帶，因為進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)較大且遺煤量少，故而不存在氧化升溫帶，詳情如表1所示。

表1 采空區(qū)三帶劃分結(jié)果表

5 工作面最小推采速度

36203工作面氧化升溫帶最大深度出現(xiàn)在工作面回風(fēng)側(cè)，氧化升溫帶的最大寬度為Lmax=290－35=255 m。

由實驗和現(xiàn)場數(shù)據(jù)可知，采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期為τmin=40 d，根據(jù)Vmin=Lmax/τmin×k可計算出采空區(qū)可能發(fā)生自燃的極限推采速度約為5.2 m/d。其中k為氧濃度影響系數(shù)，k取1.24；k=C0/C，其中C0取21%，為新鮮空氣中的氧濃度，現(xiàn)場實際平均氧濃度C為16.9%。

所以正常條件下，采煤工作面推采速度大于5.2 m/d時，采空區(qū)不會發(fā)生浮煤自燃；當(dāng)推采速度小于5.2 m/d時，煤層存在自燃風(fēng)險，應(yīng)采取必要的防滅火措施。因為綜采面日平均推進(jìn)速度大于采空區(qū)自燃的安全推進(jìn)度，為5.5 m/d左右，因此在正常開采條件下，不會引起浮煤自然燃燒。

6 結(jié)語

以山不拉煤礦36203綜采面為分析對象，通過在采空區(qū)鋪設(shè)束管、采集氣體進(jìn)行研究，能夠明確采空區(qū)的煤自燃規(guī)律及特點(diǎn)，為制定煤自燃防治技術(shù)方案提供基礎(chǔ)。文章的主要研究成果如下：

(1)掌握了采空區(qū)煤自燃三帶分布規(guī)律及危險區(qū)域。

36203工作面散熱帶的分布范圍在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)距離工作面0～35 m以里，受漏風(fēng)以及采空區(qū)塌落不均勻的影響，其進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶較寬。回風(fēng)側(cè)窒息帶在距離工作面290 m以上的采空區(qū)深部。

(2)因為采空區(qū)遺煤含量較少，且沿空留巷有較大的側(cè)漏風(fēng)，所以工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)無氧化升溫帶。工作面回風(fēng)側(cè)的側(cè)空區(qū)為易發(fā)生自燃的區(qū)域。

(3)計算得出了工作面最小安全推進(jìn)速度。

以綜采面散熱帶到采空區(qū)窒息帶的最大距離(即氧化升溫帶最大寬度)Lmax=250 m和采空區(qū)浮煤最短自然發(fā)火期40 d為依據(jù)，計算得出該礦工作面的最小安全推進(jìn)速度為5.2 m/d。如果推進(jìn)速度小于5.2 m/d，必須加強(qiáng)監(jiān)測，同時采取防火措施。而36203綜采面日平均推進(jìn)速度為5.5 m/d左右，大于采空區(qū)自燃的安全推進(jìn)度，因此正常開采條件下不會引起浮煤自燃。