綜放工作面注氮條件下采空區自燃“三帶”劃分

卓聰志

（西山煤電（集團）有限責任公司，山西 太原 030053）

對開采自燃、容易自燃煤層的礦井，采空區自然發火是回采工作面的潛在隱患，因采空區自然發火而引發的事故往往會造成極其嚴重的人員傷亡和難以挽回的經濟財產損失。由于綜放工作面采空區遺煤較多，采空區存在自然發火的安全隱患[1-2]。因此，需要對汾源煤業5-102 綜放工作面采空區自燃“三帶”進行分析，并計算工作面的安全推進度，為工作面實現安全回采提供技術保障。

1 5-102 綜放工作面基本情況

汾源煤業礦井絕對瓦斯涌出量為1.45 m3/min，相對瓦斯涌出量為0.89 m3/t，回采工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.93 m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.10 m3/min，屬低瓦斯礦井。礦井目前主要開采5 號煤層，屬自燃煤層，最短自然發火期83 d，煤塵具爆炸性。

5-102 綜放工作面位于一采區南側，北部為回風下山，西部為設計的5-104 工作面，東部、南部均為未開采的實體煤，東部距可采區邊界最小平距為138 m，蓋山厚度381～417 m。5 號煤層煤厚9.9～19 m，平均厚度14.77 m，煤層傾角23°～27°，平均傾角25°。5-102 綜放工作面煤層整體呈單斜構造，煤層走向為N13°W～N8°E，傾向為SW～NW。該工作面煤層頂底板情況如表1所示。

表1 5-102 綜放工作面煤層頂板情況

5-102 綜放工作面走向長650 m，傾斜寬108 m，采用“U”型通風系統，實際配風量為900 m3/min。5-102 綜放工作面的割煤高度、 放煤高度分別為2.8 m、11.97 m，一刀一放，割煤步距0.6 m。采用全部垮落法管理頂板。

5-102 綜放工作面采用注氮措施進行防滅火。礦井地面建有PSA97-1000 型碳分子篩變壓吸附制氮裝置1 套，配備SA-250A 型固定式風冷型螺桿空氣壓縮機1 臺。氮氣輸送管路經地面制氮站由副斜井敷設Φ159 mm×4.5 mm 型煤礦井下用纖維增強樹脂覆層復合無縫鋼管經過輔運大巷連接至5-102 綜放工作面運輸巷口，進風巷用Φ133 mm×4 mm 型煤礦井下用纖維增強樹脂覆層復合無縫鋼管，與大巷Φ159 mm×4.5 mm 型管路通過三通連通。工作面推進度大于0.6 m/d時，采用8 h 間斷性注氮； 推進度小于0.6 m/d時，停采撤架期間，或因遇地質破碎帶、機電設備等原因造成工作面推進緩慢時，采用連續性注氮，注氮量510 m3/h。

2 綜放工作面采空區自燃“三帶”劃分方法

2.1 采空區自燃“三帶”劃分標準

綜合國內外研究成果，綜放工作面采空區自燃“三帶”劃分標準為[3-6]：散熱帶氧氣濃度＞18%；氧化帶氧氣濃度8%≤O2≤18%； 窒息帶氧氣濃度＜8%。

2.2 采空區自燃“三帶”測點布置

利用束管監測系統采用局部布點法布置測點如圖1所示。束管監測系統主要由測試鋼管、保護套管和抽采泵組成，在5-102 綜放工作面兩道預先埋設束管，采用Φ50 mm 鋼管約48 根、花管8個和2 根高壓膠管，每個花管內均設置1 個氣體取樣頭和1 個溫度傳感器。井下束管監測系統連接地面氣相色譜儀分析測試系統，束管測點埋入采空區后，利用束管監測系統每日采集一次采空區氣樣分析氧氣濃度數據。人工采樣分析采空區氧氣濃度也是每日采一次樣。針對工作面實際推進情況，適當調整采樣與分析的時間間隔。

圖1 5-102 綜放工作面采空區測點布置

（1）沿5-102 綜放工作面進風巷底板布置束管測點1 和束管測點2，邁步間距30 m，且距注氮釋放口21 m。沿5-102 綜放工作面回風巷底板布置束管測點3 和束管測點4，邁步間距30 m。

（2）5-102 綜放工作面采空區束管使用Φ50 mm無縫鋼管進行保護，托管法蘭盤來連接無縫鋼管。束管及保護管沿巷道底板鋪設，距幫0.1 m。

（3）5-102 綜放工作面采空區束管測點1、束管測點3 進入采空區30 m 時，預埋束管測點2、束管測點4。如束管測點1、束管測點3 監測氧氣濃度大于等于8%，嚴禁切斷測點束管，直到測點氧氣濃度小于8%。

每隔80 m 留設人工采樣口，利用束管直通與預埋束管進行連接。人工采樣時，利用CFZ20 型氣體自動負壓采樣器進行采樣。束管監測時，束管直通與預埋束管進行連接監測。

3 綜放工作面采空區數據采集及分析

3.1 綜放工作面采空區測點氧氣濃度變化

自2021年1月10日到2021年3月16日，5-102 綜放工作面進風側束管測點1 距工作面距離及氧氣濃度變化曲線如圖2所示。

圖2 工作面進風側束管測點1 氧氣濃度變化

自2020年12月6日到2021年1月16日，5-102 綜放工作面回風側束管測點3 距工作面距離及氧氣濃度變化曲線如圖3所示。

圖3 工作面回風側束管測點3 氧氣濃度變化

3.2 綜放工作面采空區自燃“三帶”劃分結果

根據采空區氧氣濃度變化情況，按照上述綜放工作面采空區自燃“三帶”劃分標準，5-102 綜放工作面采用注氮防火條件下，進風側采空區30 m前為散熱帶，30～80.5 m 為氧化帶，80.5 m 后為窒息帶；回風側采空區18 m 前為散熱帶，18～31 m為氧化帶，31 m 后為窒息帶。工作面采空區自燃“三帶”劃分結果如圖4所示。

圖4 工作面采空區自燃“三帶”劃分結果

3.3 綜放工作面安全推進度（最小推進度）

利用下式計算5-102 綜放工作面安全推進度（最小推進度）。

式中：Vmin為綜放工作面安全推進度 （最小推進度），m/d；Lmax為綜放工作面采空區氧化帶最大寬度，取值50.5 m；τmin為5 號煤的最短自然發火期，取值83 d；γ 為因井下與地面空氣存在密度差而取的安全系數，取值1.2。

將上述各項參數代入式（1）經計算可以得出，Vmin=0.73 m/d。

綜上分析，5-102 綜放工作面在采取現行的防滅火措施條件下，當工作面推進度≤0.73 m/d 時，采空區可能發生自然發火； 當工作面推進度＞0.73 m/d 時，采空區自然發火危險性較低。而目前5-102 綜放工作面平均推進度為1.2 m/d，因此，工作面在采取開放式、連續性注氮的措施情況下，采空區自然發火危險性較低。

4 結論

通過采用束管監測系統監測汾源煤業5-102綜放工作面采空區氧氣濃度變化情況，劃分工作面采空區自燃“三帶”范圍，并計算工作面的安全推進度，得出的主要結論如下：

1）5-102 綜放工作面采用注氮防火條件下，進風側采空區30 m 前為散熱帶，30～80.5 m 為氧化帶，80.5 m 后為窒息帶?；仫L側采空區18 m 前為散熱帶，18～31 m 為氧化帶，31 m 后為窒息帶。

2）5-102 綜放工作面在采取現行的防滅火措施條件下，當工作面推進度≤0.73 m/d 時，采空區可能發生自然發火； 當工作面推進度＞0.73 m/d時，采空區自然發火危險性較低。而目前5-102 綜放工作面平均推進度為1.2 m/d。

因此，工作面在采取開放式、連續性注氮的措施情況下，采空區自然發火危險性較低。