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1112023 年第 8 期谢承莹等：煤峪口矿综采工作面采空区自燃“三带”分布研究收稿日期 2022-12-16作者简介 谢承莹（1991），男，甘肃渭源人，2013 年毕业于黑龙江科技大学矿井通风与安全专业，本科，工程师，现主要从事矿井“一通三防”工作。煤峪口矿综采工作面采空区自燃“三带”分布研究谢承莹1 杨建武1 陈玉龙2（1.晋能控股煤业集团煤峪口矿，山西 大同 037041；2.山西煤炭运销集团科学技术研究有限公司，山西 太原 030000）摘 要 为了预防采空区自然发火的发生，以煤峪口矿 C3-5#煤 8101 工作面采空区为研究对象，按照 O2浓度划分指标，通过现场实测和数值模拟两种方法，对采空区自燃“三带”分布规律进行研究。确定了采空区自燃“三带”范围，并计算了工作面安全推进最小速度为 0.86 m/d。工作面实际推进速度略大于最小推进速度，需对采空区氧化带进行惰化处理，以确保工作面的安全开采。关键词 煤自燃；自燃“三带”；现场监测；数值模拟中图分类号 TD75+2.2 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.08.037Research on the Distribution of Spontaneous Combustion Three Zones in the Goaf of the Fully Mechanized Mining Face of Meiyukou MineXie Chengying1 Yang Jianwu1 Chen Yulong2(1.Jinneng Holding Coal Industry Group Meiyukou Mine,Shanxi Datong 037014;2.Shanxi Coal Transportation and Marketing Group Science and Technology Research Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030000)Abstract:In order to prevent the occurrence of spontaneous combustion in the goaf,taking the goaf of the C3-5#coal 8101 working face in Meiyukou Mine as the research object.According to the O2 concentration division index,the distribution law of the three zones of spontaneous combustion in the goaf is studied through on-site measurement and numerical simulation methods.The range of spontaneous combustion three zones in the goaf is determined,and the minimum safe advancing speed of the working face is calculated to be 0.86 m/d.The actual advancing speed of the working face is slightly higher than the minimum advancing speed,and it is necessary to inert the oxidation zone in the goaf to ensure safe mining of the working face.Key words:coal spontaneous combustion;spontaneous combustion three zones;on-site monitoring;numerical simulation谢承莹等：煤峪口矿综采工作面采空区自燃“三带”分布研究灾害防治与职业健康在我国现存的资源构架中，煤炭资源仍占据着主要地位。随着煤炭的持续高效开采，煤自燃仍是煤矿急需解决的问题1-2。煤峪口矿 C3-5#煤层工作面回采过程中，氧气通过采动裂缝进入采空区，遗煤蓄热氧化，采空区经常存在 CO 气体浓度较高的现象，这对工作面开采来说是十分严重的安全隐患3。矿井虽然采取了注氮等防灭火措施，由于对工作面采空区自燃危险区域缺乏判断，因此，措施针对性不强，收效甚微。通过对 C3-5#煤层工作面采空区自燃“三带”进行研究，可以判定采空区自燃危险区域，即可针对采空区自燃危险区域采取防灭火措施，消除自然发火隐患，保障工作面的安全开采。1 矿井概况煤峪口矿 C3-5#煤层 8101 综采工作面位于井田中部。东部为实煤区，南部为盘区巷道，西部为瓦抽硐室，北部为矿界。上覆为煤峪口矿侏罗系 14#层 404 盘区 84028412 采空区，层间距约为 145 m，1122023 年第 8 期共计 8 个采空区。C3-5#煤层 8101 工作面走向长926.2 m，倾向长 152 m，煤层厚度为 9.136.3 m，平均厚度为 17.4 m。8101 工作面采用走向长壁后退式综合机械式低位放顶煤采煤方法，采高为 3.8 m，平均采放比为 1:3.58，已通过可行性论证。2 采空区“三带”现场观测2.1 测点布置现场采用在进、回风巷道布置束管的方式，观测采空区两侧各点氧浓度分布情况。分别在 8101回采工作面进、回风巷各预先埋设一趟取气管路，进风侧埋设 3 个测点，回风侧埋设 3 个测点，测点间距为 40 m，上隅角安设 1 处测点随采随移。束管采样点布置图如图 1。采空区埋设束管外包钢丝缠绕保护套管，以保护束管不被破坏。每天进行取样化验分析，并安排专人巡检管路，用球胆（气囊）对各个采样点取气，送至色谱站分析测定。图 1 8101 工作面采空区采样点布置示意图（m）2.2 采空区氧气浓度分布规律8101 综放工作面束管监测系统对采空区自燃“三带”观测时间为：2021 年 10 月 2 日至 2022 年2 月 6 日，共历时 124 d。对进风顺槽和回风顺槽各测点数据进行分析整理，采空区自燃“三带”划分数据采用进、回风顺槽两侧采空区1#测点处的数据。利用 Origin 分别作出采空区内部进、回风两侧 1#测点随工作面推进氧气浓度变化的趋势图，如图 2、图 3。以氧浓度18%和7%作为自燃“三带”分界线4。由图 2 和图 3 分析可得，8101 综采工作面采空区回风侧在距离工作面 33.5 m 的位置，氧气体积分数下降到 18%左右。随着工作面不断向前推进，回风侧采空区内氧气浓度虽然出现轻微波动，但总体上呈现不断减小的趋势，在测点距离工作面 150 m 的位置，氧气浓度下降到 7%左右；在采空区进风侧，在距离工作面 47.5 m 的位置，氧气体积分数下降到18%左右。随着工作面不断推进，氧气体积分数在距离工作面 166 m 的位置下降到 7%左右。因此，从监测数据可以看出，回风侧的散热带范围为距工作面 033.5 m 左右，氧化带的范围为距工作面 33.5150 m 左右，之后为窒息带；进风顺槽侧的散热带范围为距工作面 047.5 m 左右，氧化带的范围为距工作面47.5166 m左右，之后为窒息带。采空区“三带”划分表见表 1。图 2 回风侧采空区 1#测点氧气浓度变化趋势 图 3 进风侧采空区 1#测点氧气浓度变化趋势 表 1 采空区“三带”划分 m位置散热带氧化带窒息带氧化带最大宽度回风侧033.533.5150150116.5进风侧047.547.5166166118.53 采空区自燃“三带”数值模拟3.1 物理模型建立及边界条件根据工作面概况，采空区物理模型可以由 2101进风巷、5101 回风巷、顶抽巷、综采工作面和采空区五部分组成，煤峪口 U+I 型通风采空区物理模型如图 4，采空区模型参数见表 2。图 4 8101 综采工作面采空区物理模型使用 ICEM 功能划分网格，在划分网格过程中，工作面以及巷道网格步距 1 m，采空区网格步距 3 m，共计网格单元 906 843 个，网格质量使用倾斜1132023 年第 8 期谢承莹等：煤峪口矿综采工作面采空区自燃“三带”分布研究度（Skewness）查看，Maxiumcellskewness 为 0.711 59，由此可以判断网格质量较好，符合运算条件5。表 2 采空区模型参数 m 区域名称长宽高进风巷205.33.8回风巷205.33.8顶抽巷204.03.1综采工作面1525.03.8采空区152250.070.0将工作面、进风巷和回风巷均设置为流体区域，将采空区设置为多孔介质区域。采用 C 语言编写自定义函数，并加载到采空区多孔介质区域中。模型边界条件设置见表 3，其中 Velocity-inlet 中速度的负值表示速度出口，正值为速度入口。表 3 模型边界条件边界类型位置速度/（m/s）氧气体积分数/%Velocity-inlet回风巷-1.6721顶抽巷-0.5019进风巷2.0021Interior进风巷与工作面交界回风巷与工作面交界工作面与采空区交界顶抽巷与采空区交界Wall其他3.2 数值模拟结果及分析采用 Fluent 数值模拟软件，计算煤峪口矿 8101综采工作面采空区的 O2分布，绘制出距底板 2 m水平位置（z=2 m）O2体积分数云图，如图 5 所示。图 5 距底板 2 m 氧气浓度分布云图分析图 5 可知，在 U+I 型通风方式下，采空区氧气浓度同样呈“U”形分布，这是由于采空区“O”型圈碎胀理论6造成的。沿工作面方向，采空区内的氧浓度与距进、回风侧的距离呈正相关，即距两侧距离越小氧浓度越大、距工作面中部距离越小氧浓度越小；采空区内隅角处氧浓度最大为 20.87%。沿采空区深度方向，采空区内的氧浓度与距工作面的距离呈负相关，即距工作面距离越大氧浓度越小，致使采空区深部形成了一个低氧浓度区域。采空区自燃“三带”见表 4。表 4 采空区自燃“三带”分布 m位置散热带氧化带窒息带氧化带最大宽度进风侧05050166166116回风侧033331511511183.3 综合结果分析综合观测数据与数值模拟结果可知，模拟出的采空区自燃“三带”分布范围与现场监测结果基本一致，验证了数值模拟结果的可靠性。当工作面推进速度缓慢时，将为采空区遗煤与漏入的空气之间进行氧化反应提供充分时间，易自然发火7。因此，在工作面回采过程中，为了防止采空区自燃事故，应该减小氧化带的宽度，并确定恰当的工作面最小安全推进度。4 工作面最小安全推进速度在工作面回采过程中，为了防止煤自燃的最低安全回采速度称为工作面最小安全推进度，其计算公式如下8：Vf=LS/（TK）（1）式中：Vf为工作面最小安全推进速度，m/d；LS为采空区中氧化带的宽度，m；T 为煤层最短自然发火期，d；K 为氧气浓度实验值与氧气浓度实际值的比值，本次取 K=21%/12.5%=1.68。煤峪口矿 C3-5#煤层最短自然发火期为 82 d，采空区自燃“三带”中氧化带最大宽度为 118.5 m。经过上式计算得出 8101 综放工作面最小推进速度约为 0.86 m/d。8101 综放工作面平均日推进速度约1.5 m/d，即大于工作面最小推进度。因此，在此开采条件下，理论上采空区遗煤自燃的可能性较小。5 结论1）确定了8101工作面采空区自燃“三带”范围，分别为，散热带：进风侧047.5 m，回风侧033.5 m；氧化带：进风侧 47.5166 m，回风侧 33.5150 m；窒息带：进风侧 166 m，回风侧 150 m。2）煤峪口矿8101综采工作面采空区煤自燃“三带”数值模拟结果与现场实测范围结果相吻合，两（下转第 118 页）1182023 年第 8 期种方法互相佐证，提高了结果的准确性。3）结合“三带”划分结果和工作面最小推进度来看，工作面最小推进度应为 0.86 m/d，而 8101综放工作面平均日推进度约为 1.5 m/d，略大于最小推进度。结合工作面日常防灭火管理条件，建议加快工作面的推进度，再辅以其他防灭火措施，对采空区进行惰化处理，减少采空区氧化带的宽度，可保证工作面的安全开采。【参考文献】1 崔杰.极近距离复合采空区三维自燃“三带”分布 规 律 研 究 J.煤 矿 安 全，2018，49（05）：183-186.2 贾男.U+L 通风下采空区漏风规律及气体体积分数分布研究 J.煤矿安全，2021，52（02）：71-77.3 王宁，何帅印，高彬.浅埋深近距离煤层综采工2）通过超前工作面回采巷道顶板岩层静态膨胀预裂的数值模拟结果分析，验证了综放工作面端头悬顶静态膨胀预裂切顶设计方案及参数的合理性。3）通过超前工作面回采巷道煤柱侧顶板静态膨胀预裂切顶的工程实践，有效解决了高瓦斯综放工作面端头悬顶问题，消除了端头悬顶带来的诸多安全隐患，同时提高了端头顶煤的采出率，促进了三元煤业综放工作面安全高效开采。【参考文献】1 高玉兵，杨军，张星宇，等.深井高应力巷道定向拉张爆破切顶卸压围岩控制技术研究 J.岩石力学与工程学报，2019，38（10）：2045-2056.2 孙珍平.切顶卸压预裂技术在特厚煤层综放工作面的应用 J.煤矿安全，2020，51（08）：169-173+177.3 栗成杰，李树伟.综采工作面端头大面积悬顶控顶技术 J.煤炭科学技术，2008，36（08）：26-30.4 苏波.浅埋深工作面端头悬顶定向水力压裂卸压技术应用 J.煤炭工程，2021，53（05）：80-84.5 王慧林，王金国，张大明，等.综采工作面端头悬顶水力致裂试验研究 J.煤矿开采，2018，23（04）：97-100.6 邓广哲，郑锐，徐东.大采高综采端头悬顶水力切顶控制机理 J.西安科技大学学报，2019，39（02）：224-233.7 王兵，孙念昌，于海洋，等.厚煤层综放工作面端头大面积悬顶控制技术研究 J.煤炭与化工，2016，39（08）：20-23.8 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