赵鸿亮（1973—），男，工程师，045100山西省阳泉市盂县。
划分技术研究
赵鸿亮（山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业有限公司）
摘要煤矿开采过程中的煤层自燃是影响工作面安全开采的重要因素之一，即使在自燃倾向性很小的煤层，也会因为开采深度、开采方式、埋藏条件等因素，存在较大几率的煤层自燃危险。以盂县恒泰皇后煤业15105工作面为研究对象，进行采空区煤自燃三带现场观测，分析不同推进处遗煤自燃情况随时间、气体的变化规律，从而对煤自燃三带进行划分，确定出采空区遗煤自燃危险区域。 关键词采空区自燃三带氧浓度漏风DOI ：10.3969/j.issn.1674-6082.2021.02.056
Research on Three Zones Division Technology of Spontaneous Combustion in Goaf of
15105Working Face of Huanghou Coal Industry
ZHAO Hongliang （Yuxian Hengtai Huanghou Coal Industry Co.，Ltd.，Shanxi Coal Transportation and Marketing Group ）Abstract
The spontaneous combustion of coal seams in the process of coal mining is one of the im⁃
portant factors that affect the safe mining of working faces.Even in coal seams with a small tendency to spon⁃taneous combustion ，there is a greater probability of spontaneous combustion risk due to factors such as mining depth ，mining methods ，and burial conditions.Taking the 15105working face of Huanghou Coal In⁃dustry as the research object ，conduct on -site observation of the "three zones"of coal spontaneous combus⁃tion in the goaf.Analyze the changing laws of spontaneous combustion at different degrees of advancement with time and gas ，so as to divide the "three zones"of coal spontaneous combustion ，and determine the
risk area of spontaneous coal spontaneous combustion in the goaf.
Keywords
goaf ，spontaneous combustion zone ，oxygen concentration ，air leakage
总第622期2021年2月第2期
现
代矿业
MODERN MINING
拖鞋生产设备Serial No.622Feburary .2021
山西煤炭运销集团盂县恒泰皇后煤业15105工作面采空区顶板的不易跨落，导致工作面大量风流穿越采空区，为遗留浮煤和冒空松动顶煤的自燃氧化提供了良好条件［1］，一旦发生自燃火灾，后果十分严重。因此，开展该采空区自燃三带划分技术研究，确定采空区煤自燃危险区域，用来指导矿井的防灭火工作，保证工作面安全生产。
1
工程概况
1.1
工作面基本情况
15105工作面所处水平为810m，位于15#煤层井
田中部，标高为790~820m。工作面倾向长150m，走向长876m，面积为131400m 2。15105综放工作面位于15#煤层西南部，东部为轨道下山，南部为本矿未采
煤田，距井田边界100m，西面为阳煤兴峪煤业。北部回风顺槽与15101回采工作面采空区相邻，上方对应有9#煤层采空区。
15105工作面布置有进风顺槽、回风顺槽、高抽巷和低位抽放巷4条巷道，工作面共安装支架101架。15105工作面进、回风顺槽及切割巷沿15#煤层底板掘进；高抽巷沿12#煤层顶板掘进，距15#煤层顶板约54m；本煤层低位抽放巷沿15#煤层顶板掘进，与回风顺槽内错15m；进风、回风、高抽巷大致沿煤层的走向布置，工作面切割巷沿煤层倾斜布置。1.2
煤层情况
煤层厚度最大为8.41m，最小为6.3m，平均厚7.51m。工作面总体位于单斜构造上，北高南低，倾角为3°~5°。15#煤层属石炭系太原组煤层，为稳定煤层，结构复杂，含0~3层夹矸，有时有0.5m 的砂质泥
210
现代矿业2021年2月第2期
总第622期岩伪顶。顶板为K2石灰岩，裂隙发育，中夹3层砂质泥岩，底板为灰黑砂质泥岩，富含植物化石。煤体硬度系数为1~1.5，密度为1.4t/m 3，全井田可采。煤层多以亮煤为主，暗煤次之，夹有镜煤条带和少量丝炭，属优质贫煤。工作面内还存在预测断层F1、F2、F3、F4及预测地质异常体A1、A2。其中，预测断层F1、F2、F3、F4断距小于1/2煤厚，局部可能增大，不排除煤层破碎的影响，周围瓦斯含量不确定，对回采有一定影响。
2研究方法
通过现场调研，采用两顺槽预埋管路的方法，使
用束管监测系统进行气体采集，气体成分分析使用气相谱分析仪进行。通过计算采空区煤自燃极限参数，根据煤自燃三带划分条件，划分出煤自燃三带范围。2.1
测点分布
在距工作面200m 左右进行采空区气体成分范围测定，间距20m 设一个测点，保持采空区内部回风侧有3个测点、进风侧1个测点，上下顺槽进行同时观测［2-5］，日常测点随工作面推进向前移动。待各个测点均进入采空区150m 后或氧气浓度降至5%左右时结束观测。
外用2寸钢管对观测束管进行保护，束管采用单芯管铺设。各测点均需每天组织专人利用手动抽气泵
进行抽气检测，取气后送往地面谱站进行谱分析
［6-8］
。测点具体分布如图1所示。为了防止采空
区积水堵塞束管，进回风两侧的管路距底板的高度为1m。各测点在不取气时用塑料袋密封好，放置在隐蔽地点，加以保护
［9-11］
。
2.2观测探头布置方法
束管在铺设期间，针对束管采用2寸钢管作为保
护套管，为了便于区分不同监测测点，束管必须进行标记区分，束管内径8mm，使用过滤式探头安设在束管端头。每根束管负责一个监测点的气样，每个取气头抬高1m 以上。整个管路需要尽量贴近煤壁，探头必须固定在煤壁下方，防止采煤过程中倒下［12-15］，如图2
所示。
测试过程中掌握实际开采时采空区浮煤分布规律，掌握采空区氧气、甲烷、CO 等气体浓度的分布规律，同时记录工作面日推进速度、日回采率、顶板跨落情况、工作面供风量［15-16］。
3
现场观测结果及分析
3.1
采空区浮煤分布状况
15105工作面放顶煤开采，平均采高2.6m，放顶三相混合步进电机
4m。工作面中部回采率在93％左右，15#煤层厚度为6.3~8.41m。根据现场观察，15105工作面在监测区段的15#煤层未放顶回收厚度大致为0.91m 左右，计算浮煤厚度时取0.91m，采空区内部空隙率可根据经验定为30％。根据2019年11月份前后观测的工作面顶煤厚度以及工作面的回采率推断出采空区平均浮煤厚度及宽度，采空区中部范围内的浮煤厚度为1.18m。两顺槽的遗煤厚度计算结果为3.67m。3.2
工作面推进情况
现场观测从2020年5月5日至2020年6月20日，工作面总共推进117m，采空区观测结束，每日推进距离平均为2.4m/d 左右。3.3采空区不同气体浓度及漏风强度分布规律3.3.1
采空区不同气体浓度分布
按照既定方案，埋管及测点布置完成后，从2020年5月5号开始对1#和4#测点进行取气分析，6月20号完成现场观测。根据每天的气体观测数据，得出进、回风侧氧气浓度随埋深的变化趋势如图3、图
4所示。
由图3可知，进风侧测点的氧气浓度随着埋深的增加而逐渐降低，且下降速度有一个从平缓下降到快速下降的趋势。由图4可知，选取的1#、2#、3#测点的氧浓度变化规律也是随着埋深的增加而逐渐降低；与进风侧不同的是氧浓度下降速度随着埋深的增加并没有明显的加快，而是较为平稳地下降。这是因
211
赵鸿亮：皇后煤业15105工作面采空区自燃三带划分技术研究2021年2月第2期
为回风侧的漏风强度较进风侧有所降低。
对比图3与图4，回风侧氧气浓度下降速度较进风侧快一些。以进风侧4#
测点与回风侧1#
测点作比较，4#
测点在埋深51m 时氧气浓度为18.98%，而1#
测点在相同埋深时的氧气浓度为18.09%；4#
测点在埋深105m 时氧气浓度14.13%，而1#
测点在相同埋深时的氧气浓度为13.24%。造成这种情况的原因是回风侧的漏风强度低于进风侧，使得
回风侧浮煤与氧气发生复合氧化反应的时间增加，同时新鲜空气从进风侧到回风侧经历了一定程度的消耗。3.3.2工作面采空区漏风强度分布规律
通过实际测定的氧浓度分布反推漏风强度
［17-18］
。假定漏风流仅沿一维流动，当松散煤体内漏
风强度恒定不变时，可求出漏风强度与氧浓度关系
Q ˉ()-χi =V 0O (x i +1-x i )C 0O ln
C i
O
C i +1
O ，（1）式中，C 0O 为新鲜风流氧浓度，取9.375×106mol/cm 3
；
V 0
O (T )为实验测定煤温为T 、
氧浓度为21%时的耗氧速率，mol/cm 3；Q ˉ()-χi 为采空区x
ˉi 处的漏风强度，cm 3/（s ·cm 2）；
x i +1、x i 分别为采空区两点距工作面的距离，m。
根据皇后煤业15105工作面煤层煤样自燃性实验测试，煤样在34.8℃下所对应的耗氧速度为3.766033×10-10mol/（s ·cm 3），利用已测得的采空区氧浓度分布规律，结合式（1）可推算出进、回风侧的采空区漏风强度，其与推进距离关系如图5、图6
所示。
由图5和图6可知，15105工作面进、回风侧漏风强度随工作面推进不断降低，在距工作面75m 范围内，漏风强度变化最大，漏风强度在第一个测点达到最大值，之后不断下降，最后趋于平缓。在采空区深度相同位置，进风侧漏风强度普遍明显高于回风侧的漏风强度，这与之前分析的现场氧浓度随埋深变化情况相同，再次表明了进风侧漏风量大于回风侧。
4皇后煤业15105采空区三带划分
采空区中的遗煤自燃必须具有一定厚度的浮
煤，浮煤氧化产生的热量得以积聚；要有足够的氧气浓度，以使浮煤产生足够的氧化热，用来提供煤体升温所需热能；漏风强度不宜过大，以免产生的热量被风流带走。根据15#煤层的实验测试结果和理论分析得知：
（1）在起始温度为20℃时，煤层实验最短自然发火期为94d，以矿井实际温度20℃为起始温度，则煤层最短自然发火期为94d。
（2）下限氧浓度在50℃左右，只要氧气浓度低于此温度的下限氧浓度，浮煤就不会自燃。浮煤厚度小于0.418m 时，下限氧浓度值大于21%（体积分数），浮煤不会自燃。浮煤厚度增加，下限氧浓度值迅速降低。
按照皇后煤业15105工作面的实际情况，以推进速度为2.4m/d 来计算，推进长度达到184m，需推进77d，由煤自然发火实验数据可知，此时煤样温度升至60℃，当采空区浮煤厚度为1.18m 时，下限氧浓度为4.26%，当氧浓度低于此值时，浮煤不会自燃，故采用漏风强度0.014cm 3/（s ·cm 2）及下限氧浓度4.26%作为划分皇后煤业15105工作面采空区煤自燃三带的界限，以此提高三带划分的可靠性，以便采取预防措施，更好地预防采空区遗煤自燃。根据现场4个测点氧浓度观测结果及其趋势线划出的采空区三带分布如图7所示。
5结论
（1）确定了皇后煤业15105采空区随着埋深的增加，氧浓度不断下降，工作面进、回风侧漏风强度随工作面推进不断降低，在距工作面125m 范围内，
漏
212
风强度变化最大，之后不断下降，最后趋于平缓。漏风强度在采空区进风侧最高，中部次之，在回风侧最低。漏风强度从进风侧经采空区中部至回风侧不断递减。
（2）参考15#煤层自然发火实验数据，结合现场观测结果确定了采空区自燃三带的分布范围。
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（收稿日期2020-08-05）
［1］［2］［3］［4］叠片系数
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