近距离煤层群“110工法”...采工作面煤自燃危险区域判定_陈振江.pdf

近距离煤层群“110 工法”开采工作面煤自燃危险区域判定陈振江1，陈子纬1，李张彤1，王 鸿1，赵海章2（1.华晋焦煤有限公司 沙曲 2 号煤矿，山西 吕梁 033000；2.兰州理工大学 石油化工学院，甘肃 兰州 730050）摘要：煤层自燃危险区域的精准判定能够指导防灭火方案的制定与实施，减少煤自燃灾害的发生，提高煤矿安全生产水平。针对沙曲二号煤矿近距离煤层群 5302 工作面“110 工法”开采特点及布置方式，分析了该工作面开采过程采空区煤自燃危险性。结合现场实际情况，设计了采空区“三带”的观测方案，对采空区遗煤厚度、氧气浓度及漏风强度进行了测算，判定了采空区煤自燃“三带”分布规律，研究结果可为该类煤矿的自燃灾害防治提供参考。关键词：突出矿井；采空区；煤自燃；危险区域判定；“110 工法”中图分类号：TD822文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0006-05Determination technology of spontaneous combustion risk zone at working faceof“110 method”mining in close coal seam group（CHEN Zhenjiang1,CHEN Ziwei1,LI Zhangtong1,WANG Hong1,ZHAO Haizhang2）（1.Shaqu No.2 Coal Mine,Huajin Coking Coal Co.,LTD.,Luliang033000i,China.2.School of Petrochemical Engineering,Lanzhou University of Technology,Lanzhou730050,China）Abstract:Accurate determination of coal seam spontaneous combustion danger area can guide the formulation and implementation of fireprevention and extinguishing scheme,reduce the occurrence of coal spontaneous combustion disaster and improve the level of coal mine safetyproduction.According to the mining characteristics and layout mode of“110 method”in 5302 working face of close-distance coal seam groupin Shaqu No.2 Coal Mine,the risk of coal spontaneous combustion in goaf during mining process of this working face is analyzed.Combinedwith the actual situation in the field,the observation scheme of three zones in goaf is designed,the thickness of residual coal,oxygenconcentration and air leakage intensity in goaf are calculated,and the distribution law of three zones of coal spontaneous combustion in goafis judged.The research results can provide reference for the prevention and control of spontaneous combustion disasters in this kind of coalmines.Key words:prominent mines；mining areas；coal spontaneous combustion；hazardous area determination；“110 method”0引言煤炭自燃是煤矿开采的“五大灾害”之一，会导致有害气体产生，诱发瓦斯/煤尘爆炸等热动力灾害，严重制约着煤矿安全生产 1-3。尤其是工作面煤炭采出后，在后方顶板垮落形成采空区，该区域存在大量的遗煤，容易发生自燃并引发火灾 4。为了防治采空区遗煤自燃灾害，需要对采空区自燃危险区域进行判定，针对不同区域采取相应的防灭火措施 5。因此，采空区自燃危险区域的判定与分析，是精准判定煤自燃防治工作实施区域的需要。采空区自燃危险区域划分一般为“三带”，即散热带、氧化升温带和窒息带。于敏 6 通过所测得氧气浓度，利用 FLUENT 软件对塔山煤矿某采空区进行了“三带”划分，研究发现合理选择工作面配风量、采空区注氮均可以有效减少氧化升温带的宽度。宋万新等人 7 提出了基于氧气体积分数的高瓦斯采空区自燃“三带”的划分标准，验证发现温度指标法和氧气体积分数指标法划分的“三带”范围一致。王雨 8 等人针对大倾角负煤柱开采工作面，设计了采空区“三带”观测方案，测算出后部采空区氧浓度、遗煤厚度及漏风强度等，判定了采空区自燃危险区域的范围。柳东明 9 采用预埋束管取气样分析，发现浅埋藏特厚自燃煤层采空区在水平方向及垂直方向均存在“三带”。同时，还有很多专家学者研究了采空区氧气浓度、漏风强度、放热/散热量、水分、遗煤厚度、温度等因素对采空区“三带”划分的影响 10-14。结合前人研究，本文以山西沙曲二号煤矿近距离煤层群 5302 综采工作面为研究对象，结合“110 工法”开采工艺 15，对采空区的自燃区危险区域进行了分析与判断，研究结果对近距离煤层群“110 工法”采空区自燃危险区域判定具有一定的借鉴意义。1工作面概况沙曲二号煤矿位于山西柳林县，其 5 号煤层具有煤与瓦斯突出危险性，自燃倾向性等级为类，属于自燃煤层，最短自然发火期为 84 d。如图 1 所示，在 5302 工作面上部存在 3、4 号煤层，从开切眼向外2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷6DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.007沿工作面走向 0515 m 范围，3、4 号煤层合并，且距离 5 号煤层间距约为 5 m；上覆采空区中部位置沿工作面倾向方向遗留宽 30 m 的煤柱；距 5302 开切眼 545 m 至停采线的上覆采空区只遗留厚度约为1.1 m 的 3 号煤层。35 号层煤属于典型的近距离煤层群。5302 工作面整体为单斜构造，煤层倾向SW，倾角 315，平均为 6。工作面设计走向长度 1 081 m，工作面切眼长 236 m/194 m，采高2.8 m 左右，采用“110 工法”回采工艺及倾斜长壁后退式综合机械化采煤法，一次采全高，全部垮落法管理顶板，采用“110 工法”在胶带巷侧设置挡矸墙保留巷道，作为下一个工作面回采巷道。图 15302 工作面上覆煤层情况5302 综采工作面布置如图 2 所示，采用两进一回“Y”型通风方式，即 5302 轨道巷作为进风巷，5302 胶带巷作为辅助进风巷，5302 胶带巷后部切顶留巷作为回风巷，回风经 5302 回风联络巷、三采区3 号底板瓦斯抽放巷、三采区 3 号底板瓦斯抽放巷回风立眼、回风大巷，回入白家坡回风立井。图 25302 工作面布置图2工作面开采特点及自燃危险性分析根据煤自然发火的原因、条件和过程 16，结合5302 工作面的实际情况，对 5302 工作面回采期间煤层自燃危险性分析如下。1）采空区遗煤分布：工作面开采过程一次采全高，5302 工作面胶带巷刮板运输机机头与皮带运输机交界处会存在部分三角丢煤，形成局部遗煤带。距工作面切眼 0515 m 范围，5302 采空区上覆(3+4)号煤层开采过程所遗留的 1.01.5 m 厚底煤，随着工作面的推进，间隔仅 5 m 的顶板垮落，导致上部遗煤全部进入 5302 采空区；距工作面切眼 515 m 至停采位置，采空区上部大量的 3 号煤层松散体垮落堆积至 5302 采空区。2）采空区遗煤氧化危险性：5 号煤层自燃倾向性等级为类，最短自然发火期为 84 d。开切眼断面大，受矿压影响易破碎，产生大量裂隙导致供氧较好；切眼及胶带巷侧采空区煤壁附近顶板跨落不充分，易于形成采场“O”型圈，供氧条件相对较好；受强漏风影响，反复破碎的上覆遗煤会经历二次氧化，自然发火期缩短，煤自燃氧化性增强。3）采空区漏风：5302 工作面采用“两进一回”的Y 形通风方式，留巷段切顶侧采空区漏风增加；开采过程中破坏了上覆遗留底煤，导致邻近层间产生大量立体贯通裂隙，5302 工采空区与上覆 4302 封闭采空区连通，立体漏风严重；漏风通道多，在供风负压和采空区抽放负压共同作用下，采空区漏风量大，且漏风路径复杂多变。4）遗煤氧化时间：5302 工作面（胶带巷）采用“110 工法”的回采工艺，导致留巷段切顶侧采空区漏风增加，供氧充分，氧化带宽度大，浮煤在采空区内的氧化时间长，极易引起采空区浮煤自燃。同时，由于沿空侧支护、切顶等工艺，初期工作面推进速度相对较慢，采空区松散煤体氧化升温时间长。综上，5302 工作面采空区存在“煤自燃危险性强，遗煤量大，立体漏风通道多，氧化时间长”的问题，根据工作面开采特点及煤层赋存特征，判断近距离煤层群 5302 工作面采空区开采过程自燃危险区域分布规律。3采空区“三带”观测通过埋束管人工取气、色谱分析的方法对采空区不同位置氧化标志气体进行监测。在 5302 工作面轨道巷侧从切眼开始，每间隔 40 m 埋设布置 1 个束管测点；5302 工作面胶带留巷侧每间隔 40 m 埋设并设置 1 个防火观测孔，采空区煤层自燃监测点如图 3 所示。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷7图 3采空区测点布置3.1采空区遗煤厚度5302 工作面采用“110 工法”的回采工艺及倾斜长壁后退式综合机械化采煤法，一次采全高，因此本面基本无遗煤，采空区遗煤来自上覆 4 号煤层所留底煤，如图 1 所示，长度约 515 m，厚度约 11.5 m，顶板垮落后上部遗煤全部进入 5302 采空区；刮板输送机与传送带之间所留三角丢煤区域遗煤量极少且不连续，不计入浮煤厚度。因此，以上部采空区的遗煤推算 5302 工作面后部浮煤厚度（垮落后孔隙率一般为 30%）：采空区最大浮煤厚度：1.5/（1-30）=2.15 m采空区最小浮煤厚度：1/（1-30）=1.43 m由此可得，采空区内总体平均浮煤厚度 h=1.79 m。3.2采空区氧气浓度根据工作面人工监测取气及地面色谱站分析结果，对轨道巷采空区和胶带巷采空区进行分析，O2变化浓度如图 4 所示。可以看出，距离工作面越远，采空区内氧气浓度逐渐降低，但胶带留巷侧采空区内部 O2浓度始终高于轨道巷侧采空区，这是由于工作面前进过程中，顶板垮落后内部遗煤及矸石等逐渐堆积，在上部地层的压力下逐渐压实，导致轨道巷内部孔隙度减小，漏风强度减弱。3.3采空区漏风强度根据煤样程序升温测试和采空区 O2浓度变化，采用公式（1）氧气浓度测算法 1,17，可计算随工作面的推进，轨道巷采空区、胶带巷采空区漏风强度分布，计算结果如图 5 所示，随着埋深进度的增加，漏风强度逐渐减弱；留巷侧工作面隅角位置存在较大的进风，造成了采空区漏风严重，因此留巷侧漏风强度也较高。图 4采空区 O2浓度随埋深变化趋势图 5采空区漏风强度随埋深变化趋势Q（xi）=V（xi+1-xi）C01nCiCi+1（1）式 中：C0为 新 鲜 风 流 氧 浓 度，取 9.375 10-6mol/cm3；V为实验测定煤温为 30 耗氧速率，取1.08810-11mol/（s/cm3）；Q(xi)为采空区