段国斌

(山西焦煤霍州煤电 霍宝干河煤矿有限公司，山西 临汾 041602)

1 工程概况

山西焦煤霍州煤电霍宝干河煤矿2-216工作面井下位于+80 m水平一采区的右翼，北侧为F14断层，西侧为2-112工作面采空区，南侧为2-118C工作面采空区，东侧为F23断层。工作面开采2号煤层，煤层平均厚度3.75 m，夹矸0.55 m左右，煤层倾角7～11°，平均倾角为9°，煤层普氏系数f=1.5，属于稳定性煤层。煤层直接顶为细粒砂岩，厚2.45 m，基本顶为K8中粒砂岩，厚4.8 m；直接底为炭质泥岩，厚2.9 m，老底为K7中粒砂岩，厚3.1 m。顶板裂隙发育，底板为砂岩遇水不膨胀。

根据矿井地质资料，2-216工作面绝对瓦斯涌出量0.74 m3/min，相对瓦斯涌出量0.46 m3/t，2号煤层具有自燃倾向，属于Ⅱ级自燃煤层，自然发火期为61 d。由于工作面采用大采高综采工艺，煤层回采后会有一定的煤炭遗留在采空区内，为有效防止采空区出现遗煤自燃，特进行采空区自燃三带分布规律分析及防灭火技术设计。

2 采空区自燃三带分布

2.1 现场实测分析

根据相关文献[1-2]，目前我国针对采空区“三带”的划分标准最常用的方法以氧气浓度作为划分标准，具体为：散热带为O2浓度>18%、自燃带为18%≥O2浓度>8%、窒息带为O2浓度<8%。现基于该划分标准，采用埋管与束管相结合的方式进行采空区内氧气含量的测试，在工作面区域共计布置4个采样点，具体采样点布置形式如图1所示。

图1 2-216工作面采样测点布置示意

通过对各个采样点数据的采样，采用气相色谱仪进行气体成分的分析，根据测试结果得出工作面胶带巷和回风巷氧气浓度与工作面推进距离间的关系曲线，如图2所示。

由图2可知，工作面回风巷的测点随着工作面回采作业的推进其氧气浓度逐渐降低，在测点进入采空区40 m时，氧气浓度由原来的22%降低至18%，随着工作面的进一步推进，当测点进入采空区140 m时，氧气浓度降低至8%，并进入到采空区窒息带；在工作面进风侧，由于其漏风强度较大，测点在进入采空区深度60 m时氧气浓度才逐渐下降，当测点进入采空区150 m时，此时氧气浓度下降至10%以下。

根据上述分析，结合采空区“三带”划分标准，基于测试结果初步划定采空区“三带”的分布特征如表1所示。

图2 氧气浓度变化曲线

表1 基于测试结果的采空区“三带”初步划分

2.2 数值模拟分析

为进一步掌握2-216工作面采空区“三带”的分布特征，考虑到测试分析中存在着一定的偏差问题，故基于上述现场实测结果，结合工作面特征，采用Fluent数值模拟软件，建立采空区长×宽=260 m×200 m的数值模型，将采空区视为各项同样的多孔介质[3]，忽略位能的影响，假定工作面进风巷和回风巷在同一水平面内，并忽略内部阻力系数和粘性阻力系数在Z轴方向上的变化，结合工作面通风特性，设置工作面供风量为Q=1 000 m3/min，模拟采空区氧气浓度分布和氧化自燃带分布范围，模拟结果如图3所示。

由图3可知，在工作面配风量为1 000 m3/min时，工作面胶带巷散热带范围<52 m，氧化自燃带为52～161 m，窒息带为>161 m；工作面回风巷散热带范围为<46 m，氧化自燃带为46～142 m，窒息带为>142 m。基于上述分析，数值模拟得出采空区“三带”的分布与实测结果基本一致。

图3 采空区氧气浓度分布和氧化自燃带分布云图

基于现场实测数据与数值模拟结果，综合确定2-216工作面采空区“三带”的分布见表2。

表2 2-216工作面采空区“三带”分布情况

3 工作面防灭火技术

3.1 防灭火方案设计

基于上述2-216工作面采空区“三带”的分布特征，确定工作面回采期间采用灌浆+上下隅角袋子墙封堵+注氮的防灭火技术，具体各项措施参数设计如下：

1) 采空区灌浆。本次采空区灌浆采用黄泥浆，浆液的水灰比为1∶4～1∶2，浆液在地面固定式灌浆站进行制备，在工作面回采期间，通过在工作面后方从胶带巷向回风巷方向铺设1趟DN100 mm的钢管，钢管在工作面面长方向上每间隔30 m在其上加设1根花管，长度为1 m，并将灌注管路在工作面下隅角区域与灌浆系统相连接，当工作面回采推进50 m时，进行灌浆。具体采空区灌浆布置形式如图4所示。

图4 采空区灌浆布置形式示意

2) 封堵工作面上下隅角。由于采空区漏风现象的存在，会使得工作面上下隅角之间的风力形成一定的压差，给采空区内提供一定氧气，进而为遗煤的氧化提供条件，故对工作面上下隅角进行封堵，以减小氧化带的范围[4-6]。本次采用堆砌袋子墙的方式进行上下隅角的封堵，以降低工作面上下隅角端头未垮落区域的漏风现象，具体端头未冒落区域封堵形式如图5所示。

图5 上下隅角袋子墙封堵示意

3) 注氮惰化采空区。本次采空区注氮采用连续注氮方式，基于工作面特征确定注氮流量为2 000 m3/h，本次采空区注氮采用预埋管路的注氮工艺，工作面注氮管路埋入采空区50 m的深度，注氮管路预先在工作面胶带巷内敷设，一端埋入采空区内，另一端与注氮系统连接，随着工作面回采作业的进行，随时调整注氮管路深入采空区的位置，始终保持注氮管路端头深入采空区的深度为50 m，即将注氮管路始终埋设在采空区氧化自燃带内。

3.2 效果分析

为分析2-216工作面采空区防灭火技术的应用效果，根据2-216工作面KSS-200型束管监测系统的监测数据可知，采空区防灭火技术实施后，工作面胶带巷52～160 m范围内，即氧化自燃带内的一氧化碳浓度为0.001 7%，氧气的浓度为5.5%；工作面回风巷44～141 m，一氧化碳浓度为0.001 5%，氧气浓度为5.3%。工作面回采期间无采空区自燃发火现象出现。

4 结 语

根据霍宝干河煤矿2号煤层的赋存情况及2-216工作面的特征，通过现场测试与数值模拟的方式确定了工作面胶带巷氧化自燃带的范围为52～160 m，回风巷氧化自燃带的范围为44～141 m，基于采空区自燃“三带”分布规律，确定工作面采用灌浆+上下隅角袋子墙封堵+注氮的防灭火技术，现场应用结果表明，防灭火措施有效保障了采空区的安全。