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O

2

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