切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究

切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究摘要：采空区是煤自燃火灾发生的主要区域。

针对切顶留巷工作面采空区漏风量大、漏风范围广的问题，以新集一矿360804综采面为研究背景，采用束管取气与导线测温的方法，分析了切顶留巷“Y”型通风工作面O2、CO气体浓度和温度随测点埋深的变化，获得了切顶留巷期间采空区自燃危险区域分布特征，确定了工作面月最小安全推进度。

结果表明：切顶留巷时，360804工作面主进风侧65~127 m为氧化升温带，柔膜墙侧32~83 m为氧化升温带；与正常开采相比，由于通风系统的改变，氧化升温带向采空区深部移动，柔膜墙侧变化最明显，约增大了28 m，氧化升温带宽度也有所增加，最大宽度约增加了25 m；工作面月最小安全推进速度约为55 m，提高了约62%。

研究结果对类似工作面采空区浮煤自燃防治具有指导意义。

关键词：切顶留巷；综采面；Y型通风；自燃“三带”；安全推进度0 引言采空区是煤炭回采后上覆岩层自由冒落形成的大空间，遗留有大量的浮煤，漏风不断，是矿井自燃火灾发生的主要区域[1-3]。

据统计，采空区火灾占矿井火灾总数的60%以上[4]，严重影响煤矿的安全生产。

因此，掌握采空区自燃“三带”分布对矿井防灭火工作非常重要。

近年来，切顶留巷技术具有巷道掘进量少、采掘衔接矛盾小、资源回采率高、工作面局部周期压力小等优势[5]，在国内各大矿区得以大量应用[6]。

但是，该技术要求工作面通风方式由“U”型变为“Y”型，采空区内风流运移特性发生改变[7-9]，高温区域必会发生偏移[10]。

同时，切顶后采空区上部留下很大的空间，使得采空区漏风量增加，漏风范围变广，采空区自燃危险性增大[11]，给回采工作面的防灭火带来新的挑战。

因此，有必要开展切顶留巷“Y”型通风采空区自燃“三带”研究工作。

1 工作面概况新集一矿位于两淮地区，开采逐渐进入深部，平均达到700 m以上，瓦斯和自然发火防治难度急剧增大。

360804工作面是3608（6）采区首采工作面，工作面平均可采走向长1530 m，工作面平均倾斜长180 m，平均面积276910.1 m2。

在工作面轨道顺槽外段停采线以东约120 m范围内进行切顶卸压沿空留巷开采。

工作面正常回采段采用走向长壁后退式采煤方法回采，全部垮落法管理顶板。

留巷段采用切顶卸压沿空留巷，走向长壁后退式采煤方法回采，全部垮落法管理顶板，轨道顺槽采用以“切顶卸压+加长锚索补强支护+柔模巷帮支护”为主体的设计方案。

360804工作面开采煤层为8煤层。

8煤自燃倾向性等级为II类，为自燃煤层，煤层自然发火期一般3~6个月；煤层具有爆炸性，煤层爆炸指数为57.34%。

图1 360804工作面布置示意图2 现场观测采空区煤自燃“三带”分布的测定，应有正确合理的测点布置方式及测试设备与手段，通过采空区气体与温度变化情况，分析煤自然发火情况。

2.1观测参数测试参数主要包含2个方面：采空区内气体成分；采空区内测点温度。

2.2观测设备（1）采气设备配备了CHZ-22型自动负压采样器泵。

（2）气体分析系统将采气泵采取的气体装入气囊，带至地面检测室，利用GC410气相色谱仪进行分析。

（3）温度测定仪器以pt1000热电偶作为感知采空区温度的传感器，以M346-WB03型防爆万用表测定热电偶的电阻值，经换算可得采空区温度。

2.3测点布置共布置6个测点，测点间距均为30 m。

其中沿360804进风顺槽外帮布置3个测点，布置距离160 m（4 m的钢管，40根）；切顶留巷段设置3个测点，借用柔模墙上预留的观测孔，如图2所示。

图2 采空区自燃“三带”测点布置2.4观测结果（1）浮煤厚度在一定条件下，煤氧化产生的热量全部通过周围介质散出去，这时的煤厚称之为引起煤自燃的最小浮煤厚度，它是煤体热量积聚的一个先决条件[12]，一般可采用下式计算[13]：（1）式中：H为煤层厚度，取平均厚度2.94 m；H采（掘）为工作面采高或巷道掘进高度，最大采高3.6 m，平均采高2.94 m，顺槽宽5.2 m，高4.0 m；n为采空区浮煤空隙率，取30%；k为割煤或掘进回收率，取95%。

根据以上公式，360804采空区浮煤厚度及宽度可推断如下：①采空区“两道”最大浮煤厚度：②中部范围最大浮煤厚度：若忽略漏风带走的热量，则煤自燃最小浮煤厚度可用下式计算[14]：（2）式中：为煤自燃临界温度，K；为围岩温度，K；为空气干燥状态下煤的湿度，%；为原煤样吸氧量，m3/（kg·s）；为煤的平均密度，kg/m3。

根据新集一矿自燃倾向性鉴定实验和自然发火程序升温实验，8号煤层水分为1.84%，密度为1.42×103 kg/m3，常温常压下干煤吸氧量为6.30×10-10 m3/（kg·s），8煤自燃临界温度60 ℃，围岩温度31 ℃，代入式（2）可计算出360804采空区的最小浮煤厚度约为0.30 m。

因此，根据360804采空区浮煤厚度分布，只有“两道”处的浮煤大于最小浮煤厚度。

若同时满足风速、氧气浓度和停留时间条件，则“两道”有自然发火的可能。

由于回风侧低，再加上断层多靠近回风侧，采空区回风侧发火危险性要远大于进风侧。

（2）气体变化图3是360804工作面采空区切顶留巷侧O2浓度随采空区深度的变化曲线。

由图3知，由于切顶留巷侧的柔膜墙漏风，氧浓度前期下降缓慢；后期随工作面推进、灌注液态CO2的影响，下降很快；当进入采空区32 m左右时，氧浓度下降到18.04%，进入氧化带；当进入采空区83 m左右时，氧浓度降至8%以下，进入窒息带。

图3 切顶留巷侧O浓度随采空区深度的变化曲线2图4是360804工作面主进风侧O2浓度随采空区埋深的变化情况。

由图4知，主进风侧漏风强度较大，当进入采空区65 m左右，氧浓度才下降到18%以下；当进入采空区约127 m，氧浓度下降到8%以下，进入了窒息带。

浓度随进入采空区深度变化曲线图4 进风侧O2图5是360804工作面切顶留巷侧CO随采空区埋深的变化情况。

由图5知，随测点逐渐进入采空区深部，采空区CO浓度整体呈现先逐渐上升，后下降的趋势。

当测点进入采空区深度约50.1 m处时，采空区CO浓度达到最大值14×10-6。

图5 切顶留巷侧CO浓度随采空区深度的变化图6是360804工作面主进风侧CO随采空区埋深的变化情况。

由图8知，CO 浓度前期受注氮与漏风的影响，在50 m之前，基本为0；后期随测点逐渐深入采空区，CO浓度先上升后下降，但变化幅度不大。

在切顶留巷开采过程中，采空区CO浓度在距离工作面93 m的位置出现最大值5×10-6。

图6 主进风侧CO浓度随采空区深度的变化曲线（3）温度变化图7是360804工作面切顶留巷侧温度随埋深的关系曲线。

由图9知，采空区回风侧温度较高，基本在32~33 ℃，主要受煤岩温度与灌注液态CO2的影响，基本维持在33 ℃，在118#架后风流（原回风隅角）有最低值30 ℃。

图7 切顶留巷侧温度随采空区深度的变化曲线图8是360804工作面采空区主进风侧温度随埋深的关系曲线。

由图10知，随着测点逐渐进入采空区深部，受煤岩温度与煤氧化放热的影响，采空区温度先增大后减小，在距工作面93 m，出现最大值27.2 ℃。

后期主要受煤岩温度的影响，采空区温度稳定在26 ℃左右。

图8 主进风侧温度随采空区深度的变化曲线3 理论分析3.1采空区自燃“三带”分布以氧浓度8%~18%为采空区自燃“三带”划分依据[15]，结合浮煤厚度分布，360804采空区自燃“三带”分布见表1。

由表1知，切顶开采时，主进风侧0~65 m为散热带，65~127 m为氧化升温带，大于127 m为窒息带；沿空留巷侧0~32 m 为散热带，32~83 m为氧化升温带，大于83 m为窒息带。

表1 新集一矿360804采空区自燃“三带”分布Table. 1 Distribution of spontaneous combustion ' three zones ' in 360804 goaf of Xinji No. 1 Mine开采工艺位置散热带（m）氧化升温带(m)窒息带(m)氧化升温带最大宽度（m）切顶留巷主进风侧<6565~127>12762切顶留巷侧<3232~83>83正常综采进风侧<6060~98>9838回风侧<44~35>35与正常回采相比，由于通风系统的改变，整个采空区自燃“三带”向采空区深部移动，氧化升温带最大宽度增加了约25 m，对回风侧的影响最大。

3.2最小安全推进速度工作面最小安全推进度[16]由下式确定：（3）式中，为最小安全推进度，m/d；为氧化升温带最大宽度，m；为煤层最短自然发火期，d。

新集一矿8号煤层最短自然发火期为34 d。

切顶开采时，采空区氧化升温带最大宽度约为62 m。

则360804工作面日最小安全推进速度约为1.83 m（每天约2.5刀），月最小安全推进速度约为55 m。

正常开采时，采空区氧化升温带最大宽度约为38 m。

则360804工作面日最小安全推进速度约为1.12 m（每天约1.5刀），月最小安全推进速度约为34 m。

4 结论（1）采用估算法计算了采空区浮煤厚度及分布情况，发现切顶开采时采空区“两道”处的浮煤为0.86 m，大于最小浮煤厚度。

因此，在正常回采期间，采空区自然发火威胁主要来自于采空区“两道”。

同时由于回风侧低、断层多、柔膜墙局部漏风等原因，柔膜墙侧自然发火危险性要大于进风侧。

（2）工作面正常回采时，采空区“两道”的CO浓度基本呈现先上升后下降的趋势，在距离工作面46.3 m处时，采空区CO浓度有最大值14×10-6。

（3）工作面正常回采时，采空区回风侧温度主要受煤岩温度与灌注液态CO2的影响，基本在33 ℃左右；而进风侧采空区温度主要受煤岩温度与煤氧化放热影响，先增大后减小，在距工作面93 m处，有最大值27.2 ℃。

（4）切顶开采时，360804工作面进风侧0~65 m为散热带，65~127 m为氧化升温带，大于127 m为窒息带；回风侧0~32 m为散热带，32~83 m为氧化升温带，大于83 m为窒息带。

与正常回采时相比，自燃“三带”整体向采空区深部移动约25 m，氧化升温带最大宽度为62 m。

（5）在程序升温实验和煤自然发火规律的基础上，得出360804工作面切顶开采时月最小安全推进速度约为55 m（每天约采2.5刀），正常开采月最小安全推进速度约为34 m（每天约采1.5刀）。

参考文献[1]王德明. 矿井火灾学[M]. 徐州: 中国矿业大学出版社, 2008.[2] 张春, 题正义, 李宗翔, 等. 综放采空区遗煤厚度的分布规律及模拟研究[J]. 安全与环境学报, 2012, 12(6): 203-207.[3] 李宗翔, 衣刚, 武建国, 等. 基于“O”型冒落及耗氧非均匀采空区自燃分布特征[J]. 煤炭学报, 2012, 37(3): 484-489.[4] 朱红青, 胡超, 张永斌, 等. 我国矿井内因火灾防治技术研究现状[J]. 煤矿安全, 2020, 51(3): 88-92.[5]何满潮, 王亚军, 杨军, 等. 切顶成巷工作面矿压分区特征及其影响因素分析[J]. 中国矿业大学学报, 2018, 47(6):1157-1165.[6] 钱鸣高, 许家林, 缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J]. 中国矿业大学学报, 2003, 32(4): 343-347.[7] 贾宝山, 尹彬, 皮子坤, 等. 沿空留巷开采中堵漏的必要性分析[J]. 中国地质灾害与防治学报, 2012, 23(3): 69-73.[8]杜云飞. 切顶卸压留巷Y型通风模式下采空区漏风特性研究[D]. 焦作: 河南理工大学, 2018．[9] 陈向军, 刘金钊, 司朝霞, 等. 切顶卸压留巷开采模式下工作面及采空区内风流运移特性[J]. 河南理工大学学报（自然科学版）, 2020, 39(6): 1-9.[10] 孙守义, 刘学飞. 切顶留巷综采面采空区高温区域治理技术研究[J]. 煤炭工程, 2020, 52(9): 66-70.[11] 文虎, 于志金, 翟小伟, 等. 沿空留巷采空区氧化带分布特征与关键参数分析[J]. 煤炭科学技术, 2016, 44(1): 138-143.[12]文虎, 徐精彩, 李莉, 等. 煤自燃的热量积聚过程及影响因素分析[J]. 煤炭学报, 2003, 28(4): 370-374．[13] 徐精彩, 文虎, 张辛亥, 等. 综放面采空区遗煤自燃危险区域判定方法的研究[J]. 中国科学技术大学学报, 2002 , 32(6):672-677.[14] 孙维丽, 曲宝, 李东发, 等. 采空区自燃“三带”划分方法改进[J]. 煤矿安全, 2017, 48(8): 15．[15] 谢军, 薛生. 综放采空区空间自燃三带划分指标及方法研究[J]. 煤炭科学技术, 2011, 39(1): 65-68．[16] 邓军, 孙战勇, 樊广明, 等. 综放面自燃危险区域及最小推进速度的确定[J]. 西安科技学院学报, 2002, 22(2): 119-122．李国军（1986.12—），男，工程师，毕业于安徽理工大学弹药工程与爆炸技术专业，长期从事井下防灭火和瓦斯防治工作。