(安徽建筑大学)潘二11223工作面三带分布规律

潘二煤矿11223工作面采空区自燃“三带”分布规律

淮南矿业集团公司潘二煤矿

安徽建筑大学

2014年12月

潘二煤矿11223工作面

采空区自燃“三带”分布规律

1、概述

采空区按漏风强度和遗煤自燃的可能性分为散热带、自燃带和窒息带。采空区的“三带”随工作面的推进向前移动，满足下列条件时，处于三带中的遗煤即可能发生自燃发火：

s f t v W

式中 W-——自燃带距工作面的最远距离，m ；

f v ——工作面的推进速度，m/月；

s t ——煤层的自燃发火期，月。

由此可以看出：研究工作面供风量与采空区漏风量的关系，确定不同供风条件下工作面采空区煤炭自燃的“三带”对工作面的防火工作有着重要的现实指导意义。

一般学者认为以氧浓度划分采空区自燃“三带”的标准是：通风散热带为≥18%；自燃带为C(o 2)<18%且C(o 2)>10%；窒息带为<10%。根据煤炭科学研究总院重庆分院的实验研究，不同氧化性的煤在C(o 2)≥5～6%时，还可能在其着火温度前激烈氧化升温，有发火危险性，因此将可能自燃带划分的氧指标定为6%≤C(o 2)≤18%，窒息带定为<6%。

目前在井下可实施的措施来看，主要的方法有测温法和测气体浓度法两种。测温法、测气体浓度法主要是在采空区预埋一定数量的热电偶、抽气管来实现测试采空区内各点温度、气体（主要是O 2）浓度变化，再根据观测数据绘制等温线、气体浓度等值线来划分采空区自燃三带。对于测温法，由于连接信号采集器与热电偶间的导线较细，在生产过程中很容易被损坏，导致观测工作的失败，故这一方法

目前较少使用。而使用测气体浓度法时，抽气管的保护较易实现，故这一方法得到较广泛的应用。

2、11223工作面概况

11223工作面位于东一采区，巷道沿3煤顶板掘进，属于突出煤层突出危险区域，3煤厚4.6～8.5m, 平均厚5m，局部含有平均0.3m 的泥岩夹矸；1煤厚3.21～6.5m, 平均厚3.5m，3煤与1煤层间距平均1.5m，3煤距4煤78～80米，距C31灰岩20米。

11223工作面上顺槽设计长度1590m，下顺槽设计长度1760m。工作面可采走向长1470m，倾斜长180m，可采储量约203万t。上顺槽标高为-460.1～-498.6m，下顺槽标高为-500.1～-554.8m。下顺槽掘进期间最大倾角28°，工作面切眼平均倾角14°，东一段平均倾角为18°。

图1 11223工作面巷道布置平面示意图

3、采空区“三带”分布数值模拟

依据实际情况，使用Fluent建立采空区三维模型，基本的物理模型取：采空区走向长为400m，工作面长度为180m，采空区高度为50m，建立一源一汇的三维模型；本模拟中工作面进风量为2200m3/min。

Q=2200 m3/min

图2 11223采空区模型及网格划分示意图

（1）采空区风流分布的模拟

本次模拟中将整个采空区的孔隙率分布采用UDF写入。利用FLUENT模拟软件对其进行解算，得出稳态条件下的风流流动。采空区流场及氧气浓度分布如图3~图4所示。

（b）采空区底板速度分布（0.1~0.24m3/（m2·min）图3 11223采空区流场分布图

（a）采空区氧气浓度分布三维图

（b）采空区底板处氧气浓度分布

图4 11223采空区底板氧气浓度（10%~20%）分布图

（2）模拟结果分析

通过对以上两种采空区孔隙率分布分别进行模拟的结果分析可以看出：

1) 图3a为采空区流场（速度在0.1~0.24m3/（m2•min））分布图，图3b中平行于工作面切片距离工作面约85m，依据采空区的风速等值线图可知，采空区易自燃区域最远距离约为85m，该区域随着工作面的推进的变化而变化；

2) 图4a为采空区氧气浓度分布图，图4中平行于工作面切片距离工作面96m，由氧气浓度等值线可知，氧气浓度小于10%的区域在距离工作面96m之后。

3) 综合以上各图可以发现，以漏风速度和氧气浓度分别作为易自燃发火区域的判断标准，因此，易自燃区域最远距离约为85~96m。

4、束管布置

4.1 束管测点位置布置

在综合考虑工作面现状和矿井现有设施的基础上，拟准备随着工作面的推进，在工作面上风巷布置采样束管，通过气体成份分析确定采空区不同位置处CO、CH4、O2等气体浓度，判断采空区煤自燃状态，根据O2浓度的变化规律，确定采空区自燃危险区域的范围分布。

为避免西一B巷道以及工作面东、西翼间拐角影响，待工作面进入东一区域开始布置束管，监测采空区气体浓度。工作面共布置了6个束管监测点，其中上风巷和下顺槽各3个测点。上风巷离工作面最近的测点距离ZP34向工作面方向9m处，剩余2个测点分别距前一个测点19m；下顺槽离工作面最近的测点距离JK45向外口方向20m处，剩余2个测点分别距前一个测点19m。各测点编号如图5所示。随着工作面的推进，当两巷第一个测点进入采空区后，开始采

集束管气样，送实验室化验O2、N2、CH4、CO以及烯烃和炔烃的气体浓度。

图5 工作面束管监测测点布置示意图

4.2 束管采样口布置与采样方法

束管监测工作面采空区120m范围内气体成分，放置在2吋保护铁管中，铁管沿底板靠外帮一侧放置。利用井下抽采系统采样，通过地面气相色谱分析采样气体成份。束管取样口三通保护及取样管的设置见图6。

图6 三通保护及气体取样管示意图

隔离密封材料可采用橡胶塞或者适量黄泥，在完成密封后应检查各个束管通气性。

束管采样方法，具体如下：

(1) 将抽采管路连接至闸阀1、束管连接至闸阀2，关闭闸阀3，然后打开闸阀1和2，利用抽采系统负压抽气。

(2) 待抽气10分钟后（可使束管稳定抽采到采空区气体），将抽气筒与球胆连接至闸阀3，然后关闭闸阀1，打开闸阀3，用抽气筒采集气样至球胆。

(3) 采集好气样的球胆用夹子密封好，并依据所采集束管号编号，送至地面化验。

5、采空区“三带”分布规律

依据数值模拟和实测的氧气浓度分布判断采空区“三带”分布规律，一般认为氧气浓度低于10%的区域为窒息带。由于部分埋设管路进入采空区后，受破碎岩石挤压破坏，导致所测数据波动较大。剔除波动较大的数据后，将6组数据拟合，结果如图7所示。并得出氧气浓度与进入采空区深度x 的关系式，如下：

24 2.183O 21.859 5.10710C x -=-⨯

依据现场观测结果，前60m 氧气浓度下降较慢，原因在于工作面采高大，导致漏风较大，氧气浓度变化不明显。实测进入采空区约95m 后为窒息带，拟合公式计算进入采空区约100m 后为窒息带。因此，综合数值模拟结果，易自燃区域最远距离约为96~100m 。以A 组煤3煤自燃发火期45d ，自燃带距工作面最远100m 计算，工作面