基于采空區底板應力分布規律劃分自燃“三帶”的方法與實踐*

程 龍，賈海林，陳 南，崔 博

(1.河南理工大學 煤炭安全生產與清潔高效利用省部共建協同創新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454000)

0 引言

采空區煤自燃是煤礦井下火災最主要的表現形式，嚴重威脅礦井安全生產[1]。確定采空區自燃三帶的范圍是掌握采空區煤自然發火規律和采取主動防火措施的基礎，對礦井安全回采具有至關重要的作用。目前對采空區自燃三帶的劃分方法主要有3種[2]：第1種是根據現場埋管實測采空區內O2體積分數的變化，此種方法操作簡單，是應用最為廣泛的一種，但前期埋管監測工作耗時費力，若遇到突水嚴重地帶導致束管進水，采取氣樣工作將無法進行；第2種是依據升溫率來劃分，但采空區隱蔽熱源多且復雜，以局部的升溫變化來判斷整體區域劃分是不合理的，因此，這種方法僅作為輔助手段；第3種是依據采空區漏風風速劃分自燃三帶，此種方式難以現場測定，主要以數值模擬劃分，但結果誤差較大不宜采用。

國內外學者基于上述3種方法對采空區自燃三帶劃分開展了大量的研究，但均未考慮采場底板應力分布規律與采空區自燃三帶特征之間的相互關系。李宗翔[3]通過數值模擬建立了工作面推進過程中采空區自燃數值模型；賈海林等[4]結合現場數據實測和數值計算模擬對采空區自燃三帶進行了立體劃分；段春生等[5]分析了采空區自燃三帶在不同風量下的變化規律；Deng等[6]根據現場實測的氣樣和溫度，采用網格數據插值的方法給出了采空區溫度和氣樣三維分布圖；Pan等[7]根據O2和CO的體積分數變化對采空區自燃危險區域進行劃分；Xie等[8]提出了以溫度變化和CO體積分數劃分采空區自燃三帶的方法；劉新德等[9]結合O2體積分數、溫度變化和漏風情況得到了采空區自燃三帶范圍。

許多學者提出采空區自燃三帶和冒落帶“橫三區”內煤巖體壓實程度有密切關系，即認為采空區冒落巖體之間的空隙率會影響漏風強度，進而影響采空區內部氣體體積分數分布情況，從而來劃分采空區自燃危險區域。蔣東杰[10]通過數值模擬和現場觀測分析了自燃煤層采空區自燃規律與礦山壓力的關系；上官建華[11]研究了采空區冒落帶內橫三區與自燃三帶的關系；文虎等[12]分析了空隙率對采空區漏風強度和熱量積聚的影響；楊永良等[13]將采空區頂板冒落規律和采空區自燃危險性緊密結合，得出破碎區內的O2體積分數變化和自燃三帶中的氧化升溫帶基本對應。但缺少對實際情況下采空區應力區分布和自燃三帶范圍之間的定量分析，因此，本文通過FLAC3D數值模擬采空區底板應力區分布和空隙率變化，并結合現場實測氣體體積分數，提出以應力分布特征直接劃分自燃三帶的范圍，對充實采空區自燃三帶劃分方法具有重要參考意義。

1 底板應力分布對采空區自燃影響

工作面回采后，采場原巖應力被破壞，圍巖應力重新分布勢必會影響冒落帶煤巖體的壓實程度，從而影響采空區內漏風強度和氣體分布，進而影響采空區自燃危險區域的劃分。

由圖1可看出工作面推進過程中，工作面后方采空區底板應力場在水平方向上形成應力降低區、應力升高區和應力穩定區，即對應冒落帶中的“橫三區”：自然堆積區、破碎堆積區和重新壓實區[14]。不同應力區域內的煤巖體承壓不同導致其壓實程度不同，從而導致采空區空隙率不同，進而影響采空區漏風強度和遺煤自然發火危險性。

圖1 采空區底板走向應力分布模型Fig.1 Strike-stress distribution model of goaf floor

在應力降低區內，遺落煤巖體基本無承壓，煤巖體呈自然堆積狀態空隙較大，雖然有充足的氧氣供遺煤接觸，但由于臨近工作面的漏風強度大，遺煤氧化產生的熱量易散失，相當于自燃三帶中的“散熱帶”。在應力升高區內，堆積的煤巖體受到基本頂及其覆巖載荷引起的應力傳遞，煤巖體破碎壓實度增加，因而采空區內的空隙相比應力降低區大大減小，相應地漏風通道和漏風量也減少，但煤巖體此時尚未徹底壓實，遺煤氧化環境良好，且生成的熱量不易散失，造成遺煤內部熱量積蓄，相當于自燃三帶中的“氧化升溫帶”。應力穩定區內，圍巖應力又恢復平衡，上覆巖層破斷運移趨于穩定，采空區內冒落的巖體和遺煤基本壓實，采場漏風通道大大減少，生成的熱量極少，不足以形成持續蓄熱環境，氧化可能性極低，相當于自燃三帶的“窒息帶”[15]。

2 實例模擬與結果分析

2.1 模型設計與建立

本文以高河煤礦E1302工作面為模擬對象，3號煤層為主要開采煤層，煤層平均厚度約為6 m，埋深445.255～484.298 m，煤層傾角接近水平，頂底板由砂質泥巖、泥巖、粉砂巖和中細砂巖等組成，力學參數見表1，圖2為工作面物理模型，模型尺寸：長×寬×高=600 m×300 m×123 m，為了消除邊界效應的影響，在采空區走向方向兩端和傾向兩側各預留100 m煤柱。模型邊界條件：模型頂部自由面施加11.25 MPa垂直應力，模型底部和側面進行位移約束。通過FLAC3D軟件對工作面推進過程中采空區底板應力變化進行模擬，本構模型采用 Mohr-Coulomb模型，在保證模型運算結果最優的前提下調整網格數量以提高運算速度，網格單元數量為61 220個，網格節點數量為66 185個，模型數值模擬計算過程用大變形模式，通過歷史記錄方式監測單元應力和節點位移變化。

表1 模型各巖層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock in the model

圖2 實例模型Fig.2 Example model

沿采空區底板布置2條應力測線如圖3所示，其中測線1沿采空區走向中部布置，測線2沿采空區傾向中部布置，分別監測隨著工作面推進，采場底板走向和傾向垂直應力分布變化規律。

圖3 采空區底板測線布置Fig.3 Layout of goaf floor survey line

2.2 采場底板應力區分布特征

工作面回采過程中，直接頂失去支撐斷裂垮落，基本頂逐漸破斷運移，直至采空區被完全充填壓實。在采空區巖體垮落過程中，圍巖應力重新分布，應力轉移至采空區四側煤壁和底板垮落巖體。如圖4所示采空區走向兩側煤壁中部位置的側向支承壓力最大，向開切眼和工作面推進方向逐漸遞減；工作面前方煤壁中部位置超前支承壓力最大，向工作面兩端頭方向降低，底板中部出現應力穩定區，從三維應力圖中可明顯看出采空區底板應力場呈現類似一個“浴盆”形狀。

圖4 采空區垂直應力演化Fig.4 Evolution of vertical stress in goaf

由圖5可看出采空區底板應力區分布特征，靠近工作面附近斷裂的直接頂由煤壁和底板煤巖體支承，部分直接頂和未垮落的基本頂形成懸臂梁結構，因此，底板受到的載荷作用小，此區域為應力降低區；工作面后方，基本頂逐步破斷觸底，采空區底板應力又逐漸升高，此時底板出現應力升高區；在基本頂及其上覆巖層的沉降作用下，采空區內煤巖體逐漸被壓實，采空區中部呈現出“橢圓形”的應力穩定區。

2.3 采空區底板應力演變及空隙率變化特征

由圖6測線應力監測可看到，工作面前方煤壁和采空區中部出現2個動態應力峰值，并且隨著工作面推進而不斷移動。當工作面推進至250 m時，基本頂彎曲下沉未觸底，此時采空區底板僅存在應力降低區；當工作面推進至280 m時，基本頂破斷后沉降在底板冒落巖體上，應力開始逐漸恢復升高，可以較為明顯地劃分3個應力區；當推進至310，340 m時應力進一步恢復增大，接近10 MPa；當工作面推進至370，400 m時，應力逐漸恢復穩定，垂直應力恢復至最大11 MPa，接近原巖應力。沿走向100～189 m，底板垂直應力由拉應力逐漸降低至0 MPa；沿走向189～290 m，底板垂直應力升高至最大并恢復穩定。工作面前方煤壁的超前支承壓力峰值16.8 MPa，深入煤壁30 m，垂直應力集中系數達到1.5；采空區側向支承壓力峰值21.3 MPa，深入煤壁40 m，垂直應力集中系數達到1.9。由上述應力分布規律初步判斷出采空區自燃三帶的范圍，即：散熱帶0～89 m，氧化升溫帶89～190 m，窒息帶在190 m以外，為了進一步驗證模擬的準確性，采用現場埋管實測的方法對采空區自燃三帶進行觀測。

圖6 底板測線垂直應力Fig.6 Vertical stress of bottom line

應力重新分布后，巖體間的應力傳遞對采空區內煤巖體空隙率影響很大，而空隙率和采空區漏風強度緊密相關，最終影響到采空區自燃三帶的分布。由于FLAC3D軟件是基于連續介質及有限差分法原理的程序，所以可通過監測采空區頂板沉降位移量，利用式(1)～(2)計算采空區內煤巖空隙變化率。

εv=Δh/h

(1)

φ=(φ0+εv)/(1+εv)

(2)

式中：εv為體應變；Δh為回采后采空區高度，m；h為煤層厚度，m；φ為采空區內冒落煤巖體空隙率；φ0為原始空隙率。

由圖7可以看出采空區空隙率在工作面向采空區內部降低，經歷“快速-平緩”，在采空區中部應力穩定區空隙率降到最低，呈“U”型分布，這與其他學者的研究一致。

圖7 采空區走向空隙變化Fig.7 Variation of goaf strike voids

3 采空區自燃三帶的劃分

為精確觀測和研究試驗工作面采空區氣體分布規律，在工作面布置2個測點，測點布置位置如圖8所示，通過在采氣點采樣分析得到隨著工作面推進采空區內氣體體積分數分布情況。

圖8 采空區束管測點布置Fig.8 Layout of measurement points of beam pipe in goaf

3.1 O2體積分數分析

進風側O2體積分數變化如圖9(a)所示，由于E1302工作面運輸巷漏風較大，工作面推過37 m后，O2濃度依然維持在20%左右，隨后O2體積分數下降速度逐漸加快，當工作面推進86.4 m時，測點1 O2體積分數降至18%，采空區進入氧化升溫帶。因為采空區內冒落巖體之間的空隙率隨著工作面的推進逐漸減小，漏風強度減弱，進而O2體積分數也隨之減小，測點1距工作面距離187 m時，O2體積分數降至8%，采空區進入窒息帶。

圖9 現場實測氣體體積分數分布Fig.9 Field measured gas volume fraction distribution

回風側O2體積分數變化如圖9(b)所示，由于回采初期采空區內部冒落巖體之間空隙率大，進風側漏風回流至回風側導致測點2 O2體積分數起初下降緩慢，但O2體積分數整體小于進風側，隨后O2體積分數下降速度加快，當工作面推進83.2 m后，回風側O2體積分數降至18%，采空區遺煤進入氧化升溫帶；測點2距工作面距離170 m時，O2體積分數降至8%，采空區進入窒息帶。

以O2體積分數8%～18%為指標劃分出采空區自燃三帶：0～86.4 m為散熱帶，86.4～187 m為氧化升溫帶，187 m以外為窒息帶，這與上述以應力分布規律劃分采空區自燃三帶范圍基本一致。

3.2 CO體積分數分析

進風側CO體積分數變化如圖9(a)所示，測點1的CO體積分數逐漸上升，CO體積分數峰值較高區域在91.8～143.8 m，測點1距工作面距離120 m時，CO體積分數達到峰值，最大值為33×10-6，此時該范圍內的O2體積分數為16.43%，說明此處漏風強度適宜，遺煤蓄熱環境良好，此后隨著O2體積分數下降，遺煤供氧不足，遺煤氧化反應減弱，CO體積分數逐漸降低，測點1距工作面距離198 m處，O2體積分數為7.61%時，CO體積分數為19×10-6。

回風側CO體積分數如圖9(b)所示，CO體積分數峰值較高區域在87.2～140 m，此范圍內煤氧復合反應增強，與進風側CO體積分數相比，受采空區漏風回流的影響，測點2的CO體積分數整體較高，測點2距工作面距離120 m，CO峰值達到最大值326×10-6。

4 結論

1)針對目前劃分采空區自燃“三帶”3種常規方法的局限性，以及定量分析采空區應力區分布和自燃危險區域的研究較少，提出以采場底板應力分布規律劃分采空區自燃“三帶”的方法。

2)由FLAC3D數值模擬得到的采空區底板應力區分布規律，初步劃分得出采空區自燃“三帶”的范圍，即散熱帶0～89 m，氧化升溫帶89～190 m，窒息帶190 m以外。

3)為進一步驗證上述方法的準確性，通過采空區現場實測的氣樣分布，得到進風側和回風側O2，CO體積分數變化，劃分出采空區自燃“三帶”范圍，0～86.4 m為散熱帶，86.4～187 m為氧化升溫帶，187 m以外為窒息帶；2種方法劃分采空區自燃“三帶”具有較好的一致性，從而驗證了以采空區底板應力劃分自燃“三帶”方法的可行性。