沿空留巷工作面采用U+L型通风方式采空区注氮惰化条件下自燃“三带”分布规律研究

摘要：大兴煤矿南五1201工作面为12煤层的首采面，12煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，12煤层顶板局部发育有12-1煤层，煤厚0.80m，间距一般为2.10m，回采期间工作面顶板探孔实见，12-1煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层，上述两层煤的最短自然发火期均为37天。由于开采技术受限，12-1煤层无法采出，全部留在采空区，极易出现自然发火迹象，本工作面采用沿空留巷回采技术和U+L型的通风方式，非常有必要对采空区三带进行详细测定划分，为防灭火工作提供科学依据。

关键词：沿空留巷 自燃“三带” U+L型通风

南五1201工作面开采采用沿空留巷回采技术、U+L型通风方式，采空区冒落是一个随时间、空间动态发展的过程，随工作面推进采空区范围不断增大，采空区内自然发火危险区域也随之移动。同时，采空区自燃“三带”分布还受覆岩垮落情况、工作面风量、防灭火措施、瓦斯抽采等因素影响，呈现不同的分布规律[1]。由于南五1201工作面正常回采期间，对采空区采取运顺埋管注氮、运、回顺埋管注砂充填等防灭火技术手段，加之本煤层回顺斜交高位钻孔、回顺高位钻场水平长钻孔、本煤层顺层预抽钻孔、上隅角明管、采空区埋管、底板瓦斯道穿层钻孔等瓦斯抽采手段的采用，对采空区内漏风场及氧浓度场分布规律产生复杂的耦合作用影响。因此，通过分析采空区运、回顺束管气体数据，划分现阶段条件下采空区自燃“三带”分布规律，对于南五1201采空区自然发火危险区域划分、防灭火技术措施效果评价、抽采方案优化等具有重大现实意义[2]。

1 工作面基本情况概述

1.1工作面煤层赋存情况

本工作面煤层煤类为不粘煤，煤层厚度在1.42～2.35m之间，一般煤厚为1.84m，南部薄北部厚，采止线位于最低可采线附近。本工作面煤层结构南部复杂，北部简单，煤层中含夹石1～5层，夹石岩性以中砂岩、泥岩、炭质泥岩为主，厚度在0.08～0.81m之间。

工作面上邻10-2煤层，煤厚一般为0.72m，不可采，与12煤层间距在46.23～57.60m之间，一般为48.24m；下邻13煤层，煤厚一般为1.08m，与12煤层间距在11.31～24.68m之间，一般为19.03m。12煤层顶板发育有12-1煤层，煤厚0.8m，间距一般为2.10m，回采期间工作面顶板探孔实见。

1.2煤的自然倾向性、自然发火期

根据煤科集团沈阳研究院有限公司提供的《大兴煤矿煤自然倾向性鉴定报告》确定，12煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层；12-1煤层的自燃倾向性等级为Ⅰ类，属容易自燃煤层。12煤层最短自然发火期为37天。煤尘爆炸指数为23.59%。根据取样煤质化验结果，预计回采原煤灰份（Ad）为32.36%，挥发份（Vdaf）为40.30%，发热量（Qb，ad）为2910 cal/g。

2 采空区自燃“三带”划分依据

工作面采空区自燃“三带”观测通过在工作面预埋束管和测温光缆，观测测点气体和温度数据来划分采空区三带范围。根据采空区自燃“三带”划分依据以及煤自燃下限氧浓度测定实验结果，以如下条件作为采空区自燃“三带”划分依据：

（1）氧气浓度指标：散热带，O2浓度＞18.0%；氧化升温带，18.0%≥O2浓度≥8.0%；窒息带，O2浓度＜8.0%。

（2）温度指标：以1℃/d递增作为散热带和氧化升温带分界（该指标具有局限性，只作为参考依据，因为具有自然发火可能性的遗煤，并不完全表现为持续升温）。

2.1 采空区自燃“三带”测定方案

大兴煤矿南五1201综采工作面采空区自燃“三带”观测束管铺设均采用进、回风巷预埋的铺设方法，如图1所示。运顺采用沿空留巷方式，留巷侧每间隔10m埋设观测束管，回顺每间隔20m埋设观测束管。每个测点均为一个束管气体监测点和温度监测点。

2.2 氧气浓度划分采空区自燃“三带”

南五1201工作面运顺采用沿空留巷，运顺留作后续工作面的回风顺槽用，因此，留巷与采空区形成开放式空间，受U+L型工作面通风方式的影响采空区流场与压能分布差异较大，针对南五1201工作面采空区的束管取样化验数据，绘制南五1201工作面采空区氧气浓度分布图，进行采空区“三带”划分。

（1）运顺留巷侧氧气浓度

运顺侧观测束管氧气浓度与测点距离工作面距离的关系，如图2所示。从图中曲线可以看出，在大部分的区间里，留巷的观测束管的气体取样分析结果，都表明由于沿空留巷与采空区形成开放式空间，离留巷较近的采空区边缘流动性较好，都处于散热带，其中6、7、8、9、10号观测束管的部分数据存在个别几个点的氧气浓度低的情况，分析是由于采空区注氮气防灭火造成的影响。

（2）回顺侧氧气浓度

回顺侧观测束管氧气浓度与测点距离工作面距离的关系，如图3所示。共选取11月23日、11月29日、12月6日、12月11日、12月17日、12月23日、1月5日、1月12日所埋束管氧气浓度变化的数据。

距离工作面80m以内的范围，氧气浓度基本保持在18%以上。在监测周期内，各监测点的数据显示，气体的成分相对较稳定，没有出现高的瓦斯和其它气体成分升高的情况，采空区气体主要以空气为主，在注氮气的影响下，有氮气浓度在80%左右的点出现。采空区内瓦斯运移至束管附近的浓度不超过5%，大都在0.5%至2%之间变化，可确定在工作面推进的240m左右的范围内，采空区80m范围内肯定为散热带。

选定5个观测束管距工作面80m后的数据，如图4所示，12月11日所埋束管自1月5日后（距工作面73m），12月17日所埋束管自1月5日后（距离工作面50m），12月23日所埋束管自1月5日（距工作面25m），1月12日束管自1月18日（距工作面22m），氧气浓度开始降低，而此时也是各束管瓦斯浓度数据急剧上升的拐点。需要指出的是，1月5日所埋束管的氧浓度分布（瓦斯浓度）分布出现一个阶段性降低升高在降低（瓦斯浓度与氧浓度相反）。

结合以上5个束管的氧气与瓦斯数据可以得到，氧气浓度的变化与瓦斯浓度的变化成反比的关系，测点监测数据中氧气浓度高，则该日的瓦斯浓度低，此外各束管的氮气浓度与氧气浓度的变化情况基本相同，都是随瓦斯浓度变化成相反的变化趋势。在各束管的瓦斯浓度较低的取样点中，氮气浓度有多个点超过78%，说明注氮的影响都到达了回顺的束管所埋位置。此外氧气浓度、瓦斯浓度变化、氮气浓度的变化，存在两日之间变化大，几日中数据波动较大的情况，这些变化，说明采空区的流场在压能变化情况下，所做出的的反应比较迅速，运顺采用留巷及U+L型通风方式的前提下，采空区流场呈现开放性，压能在留巷处较高，因此采空区透气性相对于U型生产模式下的采空区要高，在本次所有束管监测的最长距离内130m（回顺），不建议以氧浓度进行划分，因为结合12月11日、12月17日和1月12日的束管数据，存在观测后期有高出18%的数据存在，结合瓦斯和氮气数据变化，说明采空区内，气体成分的变化不能理出较为清晰和规律性的变化，流场的变化较快，因此更多考虑工作面开采至今，采空区的“三带”没有形成，采空区内以散热带形式占主导地位。

2.3 南五1201采空区温度参数分析

温度指标是煤层工作面采空区自燃“三带”划分经验指标之一，以1℃/d递增作为散热带和氧化升温带分界。但该指标受工作面机械设备、人员等影响因素较多，具有局限性，只作为参考依据。因为具有自然发火可能性的遗煤，并不完全表现为持续升温，针对南五1201工作面火情监测数据进行分析，由于开采至今，运顺留巷的火情监测数据，平均温度基本在24℃～26℃之间变化，说明监测光纤所处位置情况稳定，没有出现温度异常增高的地点。因此不做参考不将数据详尽列出，进行赘述。

南五1201工作面回顺2022年1月份火情监测数据，如图5所示，其它的监测数据由于变化不大，不一一列出。从曲线图中可以看出，回顺的平均温度基本在30℃至32℃之间变化，考虑到监测范围为太大，平均温度反映出回顺的大部分区域温度相对较低；回顺温度监测最高温度相对于平均温度的变化1月25日之前变化不大，1月25日之后至1月30日波动较大，1月28日最高温度发生在回顺1262m处，为42.94℃，距离工作面位置为270m，其它各观测日期的最高温度点基本都在工作面始采位置附近，只有1月24日当时工作面170m，1月27日距当时工作面位置226m处，虽然回顺的温度监测出现1月26日、27日、28日、29日、30日共5个相对高温日，但温度并未过高，并在31日降低至正常水平，因此，可将出现高温变化的区域重点关注，分别为回顺1262m、回顺1234m、回顺1271m以及回顺1290m～1310m范围，出现温度异常进行相关措施处理。

2.4 南五1201采空区CO参数分析

CO气体作为重要的自燃指标气体，其变化与采空区遗煤的氧化反应有着直接关系，能反应采空区自燃的发展，对采空区的防灭火有着重要意义。

在对各束管数据进行初步筛选后，对变化相对较大的束管CO数据进行分析，分别为12月17日所埋束管、1月5日所埋束管和1月12日所埋束管的CO数据，可以得到，12月17日所埋束管在2022年1月26日之前，CO数据变化较小，在1月27日之后，迅速上扬，结合上面采空区的温度数据，可以看出，12月17日所设束管与采空区温度的变化基本吻合，且12月17日束管与“高温”点距离较近。

1月5日所埋束管，CO浓度数据，在1月20日至1月30日的数据都较高，1月24日出现最高的54PPM，1月28日数据出现0.18PPM，考虑到浓度和只出现一天，并且1月12日CO数据变化相对于1月5日数据波动幅度要小，在1月26日之后浓度降低，分析为该区域距离工作面较近受流场的影响较大的关系。

3 结论及建议

通过对大兴煤矿南五1201工作面，测点束管内O2、CO、T等数据分析，采空区的“三带”划分做如下分析结论与建议：

南五1201工作面运顺采用沿空留巷回采、U+L型通风方式，根据采空区氧气浓度的束管监测数据，确定采空区形成开放空间，回顺预埋束管的监测数据，氧气浓度的变化基本未呈现“三带特征”，采空区监测点的氧气浓度变化受流场影响，短时间内波动较大，无法形成稳定的“三带”特征氧气浓度数据。

结合采空区火情监测温度数据和CO数据，认为在工作面当前位置向采空区内170m至工作面开切眼（初采位置）作为采空区氧化关注区域，之所以未把该区域划为氧化带，是因为该区域出现温度升高，但高温点不能保持稳定。

建议对采空区后续测点按固定距离排列并持续取样观测，工作面回采可能形成的“三带”实时掌握，针对性采取防灭火措施，对南五1201工作面回采期间防灭火具有重大意义。

参考文献：

[1]、[2]邓欣雨，柳东明，柳刚，徐世波等。注氮惰化条件下采空区自燃“三带”实测及划分研究［J］。山东：山东工业技术，2019，（17）；