含聚氨酯充填陷落柱采空區煤自燃規律研究

郭剛

（中煤陜西榆林大海則煤業有限公司，陜西 榆林 719099）

0 引 言

陷落柱是一種由上覆堅硬的非可溶性巖層的古老基巖塌陷而形成的地質體，是一種在特定的地質條件下形成的地質現象[1]。在煤層形成陷落柱的過程中伴隨產生大量的裂隙，為煤層氧化提供有利條件。采空區內陷落柱的發育將增加采空區漏風，漏風作用于采空區遺煤且加速其氧化，易引發采空區煤自燃[2-3]。

聚氨酯因其獨特的力學性能和密封性能等諸多優勢，在煤礦生產中的應用越發普遍，極大地提升了生產效率及煤礦安全生產[4]。目前聚氨酯廣泛應用于煤巖加固、冒頂充填、堵水防滲和噴涂防漏風等方面。在煤巖加固方面，將聚氨酯漿液注入煤巖裂隙，聚氨酯材料在煤巖裂隙中膨脹并發生固化反應，由此將松散煤巖加固成凝結固體[5]。在冒頂充填方面，利用聚氨酯材料對高冒區內的實體進行充填，使充填材料充分占有冒落空間的同時也將其內部的瓦斯置換出來，從而防止瓦斯積聚現象[6]。在堵水防滲方面，聚氨酯漿液中的異氰酸酯基團遇水可快速發生固化反應，并逐漸形成不透水的固結層，由此達到封堵、防滲地下水的目的[7]。在噴涂防漏風方面，聚氨酯材料的高密度閉孔結構使其具有良好的防漏風性能；對礦井主要漏風源頭進行噴涂聚氨酯則可有效防止漏風[8]。

利用聚氨酯對含陷落柱采空區進行修復是防止采空區漏風及煤自燃的有效手段之一。然而，目前關于聚氨酯修復含陷落柱采空區對其自燃影響的研究相對較少。同時，若想直接獲取采空區煤自燃的動態發展過程也存在很大困難。因此，本文以現場實測為基礎，結合數值模擬方法，研究聚氨酯修復陷落柱采空區對煤自燃的影響，旨在為含陷落柱采空區充填及煤自燃防治提供有效的理論基礎。

1 工程概況

本文所選示范煤礦工作面整體是一個背斜和向斜交替變形區域，工作面可采長度1 777 m，切眼長度320 m。示范煤礦工作面采用兩進一回的Y 型通風方式進行通風（圖1）。工作面共布置4 條順槽，其中膠帶、輔運順槽和進風順槽進風，回風順槽進風。工作面風流由輔運、膠帶和進風順槽進風，乏風經沿空留巷、回風流至回風順槽；工作面總風量5 810 m3/min，其中膠帶順槽進風1 820 m3/min，輔運順槽進風2 300 m3/min，進風順槽進風1 040 m3/min，切眼風量2 700 m3/min。

圖1 示范煤礦工作面及陷落柱區域示意Fig.1 Demonstration coal mine working face and collapse column area

膠帶順槽在掘進期間探、揭露出異常區陷落柱，經過2 次探查確定了異常區陷落柱水平和垂直方向的范圍、巖性以及水文地質情況。該陷落柱位于工作面膠帶順槽附近，陷落柱內富水和填充物，主要為中、粗粒砂巖，塊狀，且大小不等，堆積無序，經地測部圈定該陷落柱范圍，長軸為近東西方向，長度41 m，短軸為近南北方向，長度27 m，面積940.7 m2。2015 年10 月，瓦檢員在工作面膠帶順槽巡查時發現該膠帶順槽附近有煙霧，隨即對該處有害氣體進行了檢測，最終測得該地點的CO濃度為12 000 ppm，CH4濃度為2.3%，疑似工作面采空區有發火現象。

2 含陷落柱采空區自燃數值模擬參數

2.1 采空區物理模型

基于示范煤礦工作面的實際情況，建立Y 型通風含陷落柱采空區的物理模型，采空區及其內部模型尺寸如圖2 所示。

圖2 含陷落柱采空區物理模型Fig.2 Physical model of goaf with collapse column

2.2 邊界條件及參數設置

（1）邊界條件。根據井下實際情況，將主進風巷和副進風巷設為速度入口，風速分別為3 m/s和0.6 m/s，水力直徑分別設置為4.25 m 和4.68 m，氧氣質量濃度為23.2%。沿空留巷出口為壓力出口，采空區和巷道壁面無滑移，以UDF 方式定義采空區中的耗氧源項。

（2）化學反應參數設置。采空區煤自燃屬于化學反應較慢的燃燒，選用層流有限速率模型模擬化學反應。自燃反應采用揮發分燃燒近似代替，揮發分為自燃源項，揮發分的產量與煤體溫度相關。煤、聚氨酯、煤和聚氨酯混合的密度、熱傳導系數及比熱容參數見表1。

表1 參數設置Table 1 Parameter settings

（3）采空區孔隙度。相比于采空區，陷落柱區域和利用聚氨酯修復陷落柱區域孔隙率發生較大變化。模型中采空區部分孔隙率采用式（1）進行表征[9]。陷落柱位置依據陷落柱松散介質特性，其孔隙率大于采空區。假設陷落柱內孔隙率分布均勻，取值0.5。聚氨酯修復陷落柱區域，由于聚氨酯的填充作用，修復陷落柱區域孔隙率降低，取值0.05。

式中：nx為沿采空區回采方向上（x 軸）的孔隙率變化系數；L 為工作面長度，m；y 為沿采空區高度方向（y 軸）的坐標值，m。

3 結果與分析

3.1 自燃“三帶”變化規律

采空區煤自燃與漏風強度關系密切，漏風給采空區帶來氧氣，并且漏風促進對流換熱換。通常，氧氣體積濃度可以用來劃分自燃三帶，主要為散熱帶（O2＞18%）、氧化帶（O2∶8%～18%）和窒息帶（O2＜8%）[10-11]。

不同類型采空區的氧濃度分布如圖3 所示。正常采空區含氧量與距工作面和沿空留巷距離呈正相關，距離工作面和沿空留巷越近，采空區內氧量越高（圖3a）。含陷落柱采空區的氧濃度分布由于陷落柱的存在，影響了氧化帶分布，氧化帶范圍在陷落柱處出現擴增（圖3b）。與正常采空區對比，含陷落柱采空區的氧濃度分布發生較大變化。這是因為陷落柱區域內由于孔隙率增大，內部漏風增多，致使陷落柱區域氧濃度上升，采空區內氧化帶范圍擴大。聚氨酯修復陷落柱采空區的氧濃度發生明顯變化，由于陷落柱被聚氨酯充填，陷落柱區域孔隙率減小，風流進入陷落柱較少，陷落柱內氧氣濃度顯著降低（圖3c）。與含陷落柱采空區氧濃度分布對比，聚氨酯修復陷落柱區域由氧化帶轉變為窒息帶，氧化帶面積顯著縮小。

圖3 不同類型采空區氧濃度分布Fig.3 Distribution of oxygen concentration in different types of goaf

對不同采空區高度的氧化帶面積進行計算，得到氧化帶面積隨采空區高度變化的關系（圖4）。對于正常采空區，隨著采空區高度的增加，氧化帶面積變化整體呈現先增加然后在減小，接著再增加最后再減小的變化趨勢。這是由于隨著空區高度的增加，沿空留巷處氧化帶面積逐漸減少最后消失，所以氧化帶面積隨著采空區高度的增加會出現一個谷點。對于含陷落柱采空區，氧化帶面積變化整體呈現先增加然后再減小。聚氨酯修復采空區后的氧化帶面積變化趨勢與正常采空區相似。

圖4 不同類型采空區氧化帶面積隨采空區高度的分布Fig.4 Distribution of oxidation zone area of different types of goaf with goaf height

對于不同采空區下的氧化帶面積可知，整體氧化帶面積由大到小依次為含陷落柱采空區＞聚氨酯修復陷落柱采空區＞正常采空區。由此可見，含陷落柱采空區的煤自燃風險較大，通過聚氨酯修復采空區后，其氧化帶面積明顯下降，降低了煤自燃風險。

3.2 采空區自燃溫度場變化規律

陷落柱對采空區火區蔓延有較大影響，通過對不同類型采空區火區溫度場進行對比，可得出其自燃火區蔓延規律。不同采空區自燃溫度場隨時間的分布見表2。

表2 不同采空區自燃溫度場隨時間的分布Table 2 Distribution of spontaneous combustion temperature field with time in different goafs

正常采空區火區蔓延面積隨時間推移逐漸擴大，向各個方向蔓延速度幾乎相等。火區最高溫度區（T ＞800 ℃）逐漸向工作面方向發展。這是因為靠近工作面火區新鮮風流匯入，氧氣補給充分，自燃反應更劇烈，火區蔓延速度較快。采空區存在陷落柱時，自燃蔓延速度明顯大于正常采空區。自燃向采空區深部蔓延速度較大于向工作面方向。這是因為采空區內換熱方式主要為對流換熱，風流由工作面方向采空區深部流動，因此熱量流動方向與風流方向保持一致。陷落柱內風流增大，向采空區深部沿空留巷方向流動，因此自燃向此方向蔓延速度較大。聚氨酯修復陷落柱采空區發生自燃時，其自燃溫度略大于正常采空區，明顯小于含有陷落柱采空區。自燃溫度向沿空留巷方向速度明顯大于向工作面方向擴散。這是因為聚氨酯修復陷落柱內部孔隙率減小，陷落柱區域兩側風流速度增大，自燃產生熱量隨風流流向沿空留巷方向。

不同采空區的高溫區域面積（T ＞127 ℃）隨時間的變化規律如圖5 所示。總體來看，隨著時間的推移，含陷落柱采空區的整體高溫區域面積較大，明顯大于正常采空區的高溫區域面積；在聚氨酯修復采空區后，其高溫區域面積明顯降低并接近正常采空區的數值。由此可見，聚氨酯修復陷落柱采空區火區蔓延速度略大于正常采空區火區，遠低于含聚氨酯陷落柱采空區。因此，采用聚氨酯修復陷落柱能夠有效降低含陷落柱采空區自燃的蔓延速度。

圖5 高溫區域面積（T ＞127 ℃）隨時間的變化規律Fig.5 The variation of high temperature area(T ＞127 ℃)with time

3.3 采空區自燃氣體濃度分布變化規律

研究不同類型采空區火區氣體釋放規律，對了解其自燃火區蔓延規律有重要作用[12-13]。對沿空留巷處的自燃氣體成分進行監測，得到不同類型采空區的CO 釋放規律。如圖6（a）所示，正常采空區與含陷落柱采空區的平均CO 濃度整體呈現一個先升高、再下降、然后保持穩定的特征；聚氨酯修復陷落柱采空區自燃時的平均CO 濃度隨時間的變化趨勢與正常采空區與含陷落柱采空區類似。聚氨酯修復陷落柱采空區的平均CO 濃度明顯高于含陷落柱采空區，這是因為聚氨酯在燃燒過程中產生大量的CO。

不同類型采空區沿空留巷CO 最高濃度與火區（T ＞127 ℃）面積比例系數隨時間變化曲線如圖6（b）所示。可以看出，曲線均快速上升然后緩慢降低；這是因為自燃開始時氧氣供應較為充足，火區內氧氣濃度隨時間而下降，由此抑制了燃燒和CO 產率。聚氨酯修復陷落柱采空區自燃火區單位面積對CO 濃度變化貢獻率出現時間早，并且明顯高于正常采空區與含陷落柱采空區。因此，聚氨酯修復采空區自燃的CO 產率顯著上升。由此可見，在對聚氨酯修復采空區自燃進行勘測時，若以CO作為指標氣體，容易產生對火區自燃情況的誤判。

圖6 不同類型采空區的CO釋放規律Fig.6 CO release lawof different types of goaf

4 結 論

（1）正常采空區含氧量與距工作面和沿空留巷距離呈正相關，含陷落柱采空區的氧化帶范圍在陷落柱處出現擴增。經聚氨酯修復后，含陷落柱采空區的氧濃度發生明顯變化，聚氨酯修復陷落柱區域由氧化帶轉變為窒息帶，氧化帶面積顯著縮小。

（2）不同類型采空區的整體氧化帶面積由大到小依次為含陷落柱采空區＞聚氨酯修復陷落柱采空區＞正常采空區。由此可見，含陷落柱采空區的煤自燃風險較大，通過聚氨酯修復采空區后，其氧化帶面積出現明顯下降，降低了煤自燃風險。

（3）采空區存在陷落柱時，自燃蔓延速度明顯大于正常采空區。聚氨酯修復陷落柱采空區發生自燃時，火區蔓延速度略大于正常采空區，明顯小于含有陷落柱采空區。采用聚氨酯修復陷落柱能夠有效降低含陷落柱采空區自燃的蔓延速度。

（4）3 種類型采空區自燃時的平均CO 濃度隨時間的變化趨勢類似，聚氨酯修復陷落柱采空區的平均CO 濃度明顯高于含陷落柱采空區和正常采空區。同時，在對聚氨酯修復采空區自燃進行勘測時，若以CO 作為指標氣體，容易產生對火區自燃情況的誤判。