张清清
(1.中煤科工集团 沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；
2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)
采空区遗煤自燃在矿井火灾中占很大比例，是矿井内因火灾的主要表现形式，严重威胁矿井的安全生产[1]。采空区自燃“三带”分布规律是科学制定采空区防灭火措施的主要依据[2]。近年来，国内外专家学者对不同条件下的采空区自然发火及采空区自燃“三带”的测定进行了大量研究。白铭波等[3]研究了U型通风综采工作面的采空区自燃“三带”分布情况；
付田田等[4]研究了易自燃特厚煤层综放开采工作面U型通风条件下，采空区自燃“三带”分布情况；
张清清[5]研究了偏W型通风条件下，采空区自燃“三带”分布情况；
桂小红等[6]对综放工作面Y型通风条件下采空区自燃“三带”分布规律进行了研究。对于采用沿空留巷工艺的高瓦斯厚煤层回采工作面来说，采空区插管抽采是治理回采工作面瓦斯超限的常用手段，但在抽采负压的叠加作用下，采空区的漏风将会更加严重[7]，这为采空区遗煤自燃提供了极为便利的条件。本文在前人研究的基础上[8-10]，以神磊煤业150202回采工作面为研究背景，通过现场实测的方法，对回采工作面沿空留巷Y型通风在采空区插管抽采条件下采空区的自燃“三带”分布规律进行了实测，测定结果对回采工作面采空区防灭火措施的制定及瓦斯抽采参数优化具有指导意义。
1.1 工作面基本情况
150202工作面可采走向长度1 200 m，工作面切眼长度150 m.根据矿井生产地质报告和现场揭露情况来看，工作面地质条件相对简单，层位稳定，起伏变化不大，围岩稳定性较好。工作面区域15号煤层厚度5.39～7.60 m，平均6.11 m，煤层结构较简单，实测工作面区域残余瓦斯含量5.58 m3/t，预测工作面最大绝对瓦斯涌出量为35.37 m3/min，相对瓦斯涌出量为7.64 m3/t，瓦斯来源主要是邻近层及采空区。工作面区域煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类自燃煤层。工作面采用综采放顶煤采煤方法，全部垮落法管理顶板，采用沿空留巷技术，工作面通风方式为Y型通风，运输巷道和轨道巷进风，回风巷回风。
1.2 工作面瓦斯抽采情况
150202工作面采空区选用插管方法进行瓦斯抽采，具体施工方法为：在工作面回风巷靠采空区一侧打设封堵墙，墙体厚度0.5 m，从回采推进56 m处开始，以后每5 m在封堵墙内留设1根长度为0.8 m的D325 mm抽放管，回风巷内敷设D426 mm瓦斯抽采支管，利用长度为2.5 m的D325 mm可伸缩软管将封堵墙上预留的抽放管与D426 mm抽放管留设的三通进行连接，并按规定要求加装阀门，形成抽采系统，对采空区瓦斯进行抽采。当工作面推过封堵墙上最前面的抽采管10 m后开始抽采，推过150 m后关闭阀门，停止对采空区的瓦斯抽采。
2.1 采空区测点布置
为研究Y型通风及瓦斯抽采共同作用下工作面采空区自燃“三带”的分布情况，在150202工作面轨道巷布置1号、2号、3号测点，测点间距40 m.在回风巷内利用沿空留巷的便利条件，布置4号、5号、6号测点，测点间距40 m.随着工作面的推进，各测点逐步埋入采空区，如图1所示，其中，4号测点距离留巷巷帮10 m，5号测点距离留巷巷帮80 m，6号测点距离留巷巷帮110 m，每个测点均为一个束管气体监测点，束管用DN50无缝钢管进行保护。为了防止采空区积水堵塞束管，每个采样头抬高1 m，将DN50无缝钢管两端分别焊接法兰用以保护钢管的快速连接，再将束管一起穿入钢管内，每个测点安装1个采样器。采样器的做法如图2所示，上部焊铁板封堵，防止水和煤渣掉入采样器，采样器侧壁打设进气孔，方便采集采空区气体，在采样器下部用密闭材料密封，防止采空区有毒有害气体通过保护钢管涌出，同时为避免各测点被顶板垮落的矸石压坏，保护钢管放实，在安设测点时专门搭设保护木垛。
图1 工作面采空区自燃“三带”测点布置示意(m)
图2 采样器制作示意
2.2 观测结果分析
测点布置完毕后随工作面推采，各测点逐步进入采空区，并从测点埋入采空区开始用采气泵进行采气观测，采气周期为1天1次，气体采集以后带到地面，利用气相色谱仪分析气体组分。
2.2.1 O2浓度测定结果及分析
采空区O2浓度是分析采空区自燃 “三带”分布最常用的指标，O2浓度与遗煤的氧化能力、采空区的煤岩垮落密实度、采空区漏风等密切相关。根据现场实测数据，绘制出工作面进风侧和回风侧O2浓度随工作面距离变化关系，如图3所示。
图3 采空区O2浓度随推进距离的变化规律
从图3(a)可以看出，随着工作面向前推进，轨道巷侧采空区3个测点O2浓度变化规律基本一致，均呈不断下降的趋势，在工作面推进50 m时，采空区O2浓度降至18%以下；
当推进至150 m时，O2浓度降至8%以下，随着工作面的继续推进，O2浓度进一步降低，最终稳定在4%左右。
从图3(b)可以看出，位于回风侧的4号测点开始阶段O2浓度下降非常缓慢，这是因为4号测点距离留巷巷帮仅10 m，且150202工作面回采期间，采空区沿空留巷一侧采用了插管抽采的方法对采空区瓦斯进行抽采，在抽采负压的作用下，加大了留巷巷帮的漏风量，致使4号测点O2浓度下降缓慢，工作面推进150 m以后，停止了对采空区的瓦斯抽采，4号测点O2浓度开始快速下降，最后稳定在5%左右。5号、6号点均位于采空区中部，变化规律基本一致，均呈不断下降趋势。在工作面推进70 m时，采空区中部O2浓度下降至18%.当工作推进至160 m时，采空区中部O2浓度下降至8%，随后O2浓度持续下降，最终稳定在5%.
2.2.2 CO浓度测定结果及分析
CO 浓度变化可以作为初期采空区遗煤氧化程度的标志，CO浓度越高，表明遗煤氧化程度越剧烈。轨道巷侧与回风巷侧CO浓度随工作面距离变化关系如图4所示。
图4 采空区CO浓度随推进距离的变化规律
由图4(a)可以看出，轨道巷侧采空区各测点CO浓度总体呈现先升高再降低的趋势。从CO浓度随推进距离的变化规律可以看出，各测点埋入深度较浅时，CO浓度变化不大；
当各测点埋入采空区深度超过50 m以后，CO浓度开始大幅度上升；
随着工作面的继续推进，CO浓度不断波动上升，当各测点进入采空区160 m以后，CO浓度开始快速下降。
由图4(b)可以看出回风巷侧CO浓度随推进距离的变化规律，4号测点CO浓度埋入深度在150 m以前相对较小，这是因为4号测点距离留巷巷帮较近，在留巷巷帮一侧设置了抽放管，在抽采负压的作用下，4号测点处于散热带，所在区域几乎不产生CO.此外，在抽采负压的作用下，采空区中部氧化产生的CO大部分被抽走，致使此处CO浓度较低。4号测点埋入150～210 m期间，CO浓度相对较大，这是因为工作面推过150 m以后，停止了对采空区的瓦斯抽采，4号测点采空区区域O2浓度快速下降，该区域重新进入氧化带，采空区遗煤自燃产生CO；
测点埋入210 m以后，O2浓度降至8%以下，采空区遗煤自燃速度下降，CO浓度因此再次降低，最终稳定在2×10-6左右。5号、6号测点位于采空区中部，工作面埋入深度小于70 m时，CO浓度变化不大；
当测点埋入深度大于70 m时，CO开始大幅增高；
当工作面推过160 m时，开始大幅下降至8%以下。
2.2.3 O2和CO浓度测定结果对比分析
通过将CO浓度与O2浓度的变化对比分析可知，CO浓度的变化与采空区O2浓度的变化密切相关。当采空区O2浓度在8%～18%之间时，CO浓度较高，这是因为O2浓度在此区间时，遗煤氧化速度较快，产生的CO的量相对较多；
当采空区O2浓度小于8%或大于18%时，CO浓度相对较低，这是因为采空区遗煤不具备氧化条件，产生的CO的量较少。因此，分析CO浓度也能够在一定程度上提高采空区自燃“三带”划分的准确性。
根据自然发火期的特点以及参考国内外的采空区自燃“三带”的划分标准，神磊煤业采用O2浓度作为采空区自燃“三带”主要划分依据，O2浓度大于18%为“散热带”，O2浓度8%～18%为“氧化带”，O2浓度小于8%为“窒息带”[11-13]。
根据上述标准，结合150202工作面采空区自燃“三带”所测数据，分析得出采空区进回风侧及采空区中部2个测点的自燃“三带”范围，如表1所示。
表1 150202工作面采空区自燃“三带”范围
依据150202工作面采空区自燃“三带”范围，以氧浓度8%和18%为等值线，得出150202工作面采空区自燃“三带”分布范围，如图5所示。
图5 150202工作面采空区自燃“三带”范围图(m)
由图5可以看出，由于在回风巷巷帮预埋了瓦斯抽采管，对采空区进行瓦斯抽采，导致采空区漏风增加，在采空区停止抽采前，回风巷留巷巷帮侧采空区无法进入窒息带，因此造成在工作面三带划分中产生“拖尾”现象，影响采空区自燃“三带”的稳定性。因此在工作面回采过程中，在保证工作面瓦斯安全的前提下，应降低采空区插管抽采范围，从而保证工作面采空区自燃“三带”的稳定性。
1) 通过对CO及O2浓度的研究分析，得到了神磊煤业150202工作面采空区自燃“三带”的分布范围。
2) 工作面采用Y型通风，且在留巷巷帮采用插管抽采的瓦斯治理方法，加大了回风巷侧散热带的宽度，在工作面三带划分中产生“拖尾”现象。
3) 在保证回采工作面瓦斯安全的前提下，应降低回采工作面采空区插管抽采范围，从而保证工作面采空区自燃“三带”的稳定性。
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