雙切頂留巷采空區煤自然發火“三帶”分布特征研究

江莉娟 ，張俊虎 ，鄧存寶 ，年 軍 ，蔡 猛 ，呂曉波 ，雷昌奎 ,3

（1.太原理工大學 安全與應急管理工程學院，山西 太原 030024；2.華晉焦煤有限責任公司，山西 呂梁 033000；3.陜西山利科技發展有限責任公司，陜西 西安 710075）

煤自燃火災是威脅礦井安全生產的主要災害之一，而采空區是井下發生煤自燃重點區域[1-2]。為了解決采空區煤自燃防控問題，國內外專家學者針對性地開展了大量的研究，其中采空區煤自然發火“三帶”判定就是主要內容之一[3-4]。實現采空區煤自然發火“三帶”準確判定是實現采空區煤自燃有效防控的關鍵，因為煤自然發火“三帶”中的氧化帶是采空區煤自燃發生的最危險區域，因此，煤自然發火“三帶”的準確劃分，能夠針對性地對危險區域進行防控治理，避免不必要的人員和資源浪費。

關于采空區煤自然發火“三帶”的研究，主要集中不同“三帶”劃分條件、不同通風方式、特殊開采條件下“三帶”變化規律與分布規律探索。姜延航等[5]研究了“一面四巷”采空區不同瓦斯治理條件下的煤自燃“三帶”分布；DENG 等[6]提出了基于O2、CO 體積分數和溫度梯度的采空區煤自然發火“三帶”劃分方法，進一步考慮瓦斯爆炸條件，提出了多信息耦合疊加的采空區煤自燃危險區判定方法；王毅等[7]采用不同劃分條件針對綜放工作面采空區“三帶”分布范圍進行了研究；GUO 等[8]基于O2和CO 體積分數研究了非參數核密度估計的采空區煤自燃“三帶”劃分方法；張勛等[9]研究了調壓通風條件下的復合采空區“三帶”變化規律；ZHANG 等[10]研究了液壓支架之間的間隔注入隔離材料前后采空區煤自燃“三帶”的變化；黃帆等[11]、張子軍等[12]數值模擬研究了不同煤層賦存條件下的采空區煤自燃危險區域分布規律；宋博等[13]、HU 等[14]采用數值模擬研究了不同漏風條件下采空區煤自然發火“三帶”分布特征，并計算了工作面最小安全推進速度；GU 等[15]、魯義等[16]通過實驗測試和數值模擬，研究了煤層再生頂板漏風和氧氣體積分數變化規律，劃定了煤層再生頂板自燃危險區域；LI 等[17]研究了留巷法開采的U+L 通風采空區自燃危險區域分布。隨著開采深度及規模的不斷增大，煤炭儲量日益減少，高效率的煤炭開采方式成為煤礦開采的主要研究方向[18]。為此，沙曲一礦率先開展了雙巷切頂留巷開采工藝，從而實現無煤柱高效開采；但隨著2 條留巷的形成，增加了采空區的暴露面積，這也加劇了采空區的漏風，使采空區煤自燃防控的難度增大。目前關于雙巷切頂成巷開采工藝下采空區煤自然發火“三帶”分布的研究尚少，為此，基于現場觀測與數值模擬相結合的方式開展雙切頂留巷采空區煤自然發火“三帶”分布特征研究，以期為雙切頂無煤柱開采工藝和類似通風方式工作面采空區煤自燃防控提供參考。

1 數學模型構建

1.1 雙切頂留巷工作面概況

4502 工作面為沙曲一礦下龍花垣區首采工作面，采用運輸巷、軌道巷同時切頂成巷無煤柱開采，4502 軌道巷為主進風巷，4502 運輸巷為輔助進風巷。為保留4502 軌道巷通風系統，在4502工作面切眼東側留設40 m 煤柱施工補巷，作為4502 軌道巷切頂成巷在4 501 工作面貫通前的回風通道，工作面布置如圖1。4502 工作面采用傾斜長壁后退式綜合機械化一次采全高采煤工藝，全部垮落法管理頂板，煤層平均厚度4.2 m，煤層傾角平均為6°，軌道巷長為1 107 m，運輸巷長為1 095 m，切眼長為220 m。

圖1 4502 工作面布置示意圖Fig.1 Layout of working face 4502

1.2 基本假設

采空區是垮落煤巖體組成的多孔介質區域，外界空氣隨著工作面漏風進入采空區形成采空區風流場[19]。空氣在采空區內部的流動極其復雜，為方便理論模擬，需要對其進行簡化，因此針對工作面采空區流場做出以下假設：

1）采空區內的巖石及殘煤隨機分布，近似認為采空區內多孔介質為各向同性。

2）采空區內的氣體均視為理想不可壓縮氣體，其流動符合線性滲流規律。

3）不考慮溫度的變化，采空區內各氣體之間無化學反應。

1.3 采空區流場數學模型

在回采過程中，主進風巷、工作面、補巷、輔助進風巷構成自由流動區域，在該區域內新鮮風流由主進風巷及輔助進風巷流入，流經工作面并由切眼流出，流動過程遵循Navier-Stokes 方程，其表達式為：

式中：η為黏性系數，kg/(m·s)；u為速度矢量，m/s；ρ為流體密度，kg/m3；p為壓力，Pa；T為溫度，K。

風流在流經工作面及留巷時會產生向采空區漏風現象，氣體在采空區內的流動規律可用Brinkman 方程來描述，其表達式為：

式中：ε為孔隙率。

隨著風流不斷進入采空區形成風流場，引起采空區內氣體的擴散，達到1 個動態平衡，該動態平衡符合Fick 定律，其表達式為：

式中：x、y、z為距離，m；D為擴散系數，一般取常數；C為擴散物質的體積濃度，mol/m3；t為擴散時間，s。

多孔介質的孔隙率與滲透率是研究多孔介質內氣體擴散規律極為重要的參數。基于“O”形圈理論，采空區的孔隙率變化特征可表示為[20]：

式中：ε為采空區某點孔隙率； εx為采空區沿x軸方向的孔隙率； εy為采空區沿y軸方向孔隙率；εz為采空區沿z軸方向孔隙率；L為工作面寬度，m；A為常數，取1.05。

采空區滲透率的大小主要取決于孔隙率及采空區內巖石及殘煤粒度的大小[21]：

式中：k為采空區滲透率，m2；d為巖石及殘煤平均粒度大小，取0.03 m。

1.4 幾何模型與邊界條件

以沙曲一礦4502 工作面為例，鑒于采空區煤自然發火“三帶”現場監測過程中監測范圍為距離初始切眼100～300 m 范圍，因此，為了與現場監測結果形成對比與驗證，此處模擬建立幾何模型的采空區尺寸設置為300 m×220 m×45 m，軌道巷尺寸為350 m×3.5 m×4 m，運輸巷尺寸為310 m×5 m×4 m，工作面尺寸為220 m×5 m×4 m，補巷尺寸為226 m×3.5 m×4 m，以軌道巷與采空區邊界交點為原點，以軌道留巷方向為x軸正方向，以工作面風流流向方向為y軸正方向，z軸正方向為垂直底板向上，構建采空區幾何模型。

在自由流場中，進風巷入口為速度邊界，根據沙曲一礦的通風實際情況，軌道巷與運輸巷入口速度分別設置為2.35 m/s 和0.275 m/s，在采空區流場中，進風巷的入口為體積分數邊界，空氣體積分數為1，切眼的出口為流出邊界，采空區的孔隙率及滲透率取值由式（4）和式（5）得出，其他參數為①空氣密度：1.29 kg/m3；②瓦斯密度：0.717 kg/m3；③空氣動力黏度：1.79×10-5pa?s；④氧氣擴散系數：1.9×10-5m2/s；⑤瓦斯擴散系數：1×10-5m2/s；⑥溫度：293.15 K。

2 采空區自然發火“三帶”現場觀測

2.1 采空區自然發火“三帶”現場監測方法

由于4502 工作面采用雙切頂成巷，故此，束管監測采用兩巷留巷側傾向埋管采樣分析。在工作面液壓支架后埋入3～20 m 4 芯束管和熱電偶溫度探頭，束管和熱電偶溫度探頭鋪設過程中使用φ50 mm 鋼管作為保護套管，保護套管兩端用膠泥封堵，以防漏氣或者進水，埋入采空區端頭設置透氣孔。在采空區分段布置3 個監測“三帶”的采樣點，每個采樣點之間相距50 m。當采樣點進入采空區后開始對該采樣點每天進行取樣分析，以此類推依次啟用下1 個采樣點，直至工作面回采結束，4502 工作面采空區測點布置示意圖如圖2。

圖2 4502 工作面采空區測點布置示意圖Fig.2 Layout of measurement points in the goaf of working face 4502

2.2 采空區自然發火“三帶”監測結果

在鋪設束管時，工作面已回采100 m，根據現場情況，在束管鋪設過程中，運輸留巷束管監測點編號分別為1#、2#和3#，軌道留巷束管監測點編號分別為4#、5#和6#。1#和4#束管插入采空區3 m，2#和5#束管插入采空區10 m，3#和6#束管插入采空區20 m。最終在現場正常取得氣樣結果的是1#、2#、4#和5#監測點，采空區煤自然發火“三帶”監測結果如圖3。

圖3 采空區煤自然發火“三帶”監測結果Fig.3 Monitoring results of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf

從圖3（a）中監測點溫度數據可知：采空區幾個監測點的溫度最高均不超過27 °C，距離切眼相同距離處的溫度整體上運輸留巷側采空區溫度高于軌道留巷側采空區溫度，這主要是因為軌道留巷回風量遠大于運輸留巷，煤氧化產生的溫度被分流帶走，整體上溫度更低，并且距離留巷側越近，溫度整體更低。從圖3（b）中數據分析可知：隨著工作面回采，采空區氧氣體積分數逐漸降低，整體上運輸巷相對于軌道巷氧氣體積分數下降速度更快。

根據氧氣體積分數7%～18%的劃分標準確定采空區煤自然發火“三帶”，現場監測得出的煤自然發火“三帶”結果見表1。

表1 采空區不同監測點“三帶”分布范圍Table 1 Distribution range of the “three zones” at different monitoring points in goaf

由表1 可知：在距離雙切留巷側采空區3 m范圍內沒有窒息帶，運輸留巷側采空區深度72 m以后即是氧化帶，軌道留巷側在采空區深度104 m以后進入氧化帶，之前都是散熱帶；在距離雙切留巷側10 m 左右的采空區存在明顯的煤自然發火“三帶”，運輸留巷側氧化帶范圍在58～86 m，軌道留巷側氧化帶范圍在89～112 m。

3 雙切頂留巷采空區“三帶”分布特征

3.1 模擬結果分析

雙巷切頂成巷開采工藝的通風方式屬于“兩進兩回”H 型通風。采用COMSOL Multiphysics 軟件開展數值模擬研究，依據模擬設置，4502 工作面采空區內氣體流場分布如圖4。

圖4 4502 工作面采空區內氣體流場分布Fig.4 Gas flow field distribution in the goaf of working face 4502

從圖4（b）可知：漏風區域主要為4502 切眼，但采空區內風流方向有著明顯差異；4502 工作面采用H 型通風方式，軌道留巷連接補巷，風流匯流后由4 503 工作面切眼流出，漏風區域包含整個工作面，風流主要由4502 軌道巷隅角漏入采空區，采空區內大部分風流由運輸留巷漏出，少部分風流由軌道留巷漏出。

采空區內漏風流場分布影響采空區氧氣的分布，以采空區氧氣體積分數作為劃分采空區自然發火“三帶”的指標，氧氣體積分數18%作為氧化帶與散熱帶的臨界值，氧氣體積分數7%作為氧化帶與窒息帶的臨界值。采空區煤自然發火“三帶”分布如圖5。

圖5 采空區煤自然發火“三帶”分布Fig.5 Distribution of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf

由圖5 可知：采空區兩側氧氣積聚，氧氣體積分數兩側高、中間低，雙留巷側存在細長的氧化帶，氧化帶在采空區內整體呈U 型分布。

采空區煤自然發火氧化帶分布范圍具體如圖6，距離軌道巷不同距離處的煤自然發火“三帶”分布范圍見表2。

表2 距軌道巷不同距離處采空區“三帶”分布范圍Table 2 Distribution range of the “three zones” in goaf at different distances from rail lane

圖6 采空區煤自然發火氧化帶范圍Fig.6 Oxidation zone range of coal spontaneous combustion in goaf

采空區中部在深度為32～65 m 范圍為氧化帶，在采空區深度120 m 以后，軌道留巷側寬度為5 m 范圍和運輸留巷側寬度為4.4 m 范圍內為氧化帶，該區域是煤自燃防控重點區域。

3.2 模擬結果驗證

數值模擬得到的氧氣體積分數與現場實測數據進行對比如圖7。

圖7 數值模擬結果對比驗證Fig.7 Comparison and verification of numerical simulation results

從圖7 可以看出：隨工作面持續回采，采空區氧氣體積分數模擬結果與實測數據變化規律基本一致，模擬結果能夠很好地吻合現場實際。

3.3 不同開采時期采空區“三帶”范圍

不同開采時期采空區煤自然發火“三帶”分布如圖8，采空區煤自然發火“三帶”范圍具體量化見表3、表4。

圖8 不同開采時期采空區煤自然發火“三帶”分布Fig.8 Distribution of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf during different mining periods

從圖8 可以看出：采空區煤自然發火“三帶”中期和后期整體趨勢一致，氧化帶呈“U”形分布，靠近軌道巷一側均是散熱帶，而靠近運輸巷一側均是氧化帶。

根據4502 工作面在不同開采時期采空區煤自然發火“三帶”分布特征可知，雙切頂成巷采空區煤自然發火“三帶”整體呈“U”形分布，在開采初期（采空區深度300 m），采空區中部32～65 m 范圍內為氧化帶，在采空區深度120 m 以后，軌道留巷側寬度為5 m 范圍和運輸留巷側寬度為4.4 m 范圍內是氧化帶；在開采中期，采空區中部52～74 m 范圍內為氧化帶，在采空區深度200 m 以后，運輸留巷側寬度2.5 m 范圍內是氧化帶，而在軌道留巷側寬度38 m 以內均為散熱帶，38 m 以后12 m 寬度為氧化帶，且該氧化帶越往采空區深部越靠近軌道留巷；在開采后期，采空區中部49～78 m 范圍內為氧化帶，在采空區深度200 m 以后，運輸留巷側也是在寬度2.5 m 范圍內是氧化帶，而在軌道留巷側寬度40 m 以內均為散熱帶，40 m 以后12 m 寬度為氧化帶，該氧化帶越往采空區深部越靠近軌道留巷。因此，對于雙切頂成巷工作面，在開采初期要加強雙留巷側5 m 范圍和采空區中部32～65 m 范圍內的煤自燃防控，在開采中后期，要加強運輸留巷側2.5 m 范圍內、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內和采空區中部30～80 m范圍內煤自燃防控。

與常規U 型回采工作面相比，U 型回采工作面采空區煤自然發火“三帶”分布更加規律，在不同開采時期，開采條件不變的情況下，煤自然發火“三帶”分布基本一致，其隨工作面推進范圍穩定不變。而H 型通風雙切頂成巷工作面采空區煤自然發火“三帶”分布更加復雜，一方面“三帶”分布范圍動態變化，在開采的不同時期，煤自然發火“三帶”分布存在較大差異；另一方面，采空區沿雙留巷側均存在氧化帶，氧化帶整體呈類“U”型分布，在開采中后期往運輸留巷側偏移。因此，對于雙切頂成巷工作面采空區應加強雙留巷側漏風控制和采空區中部煤自燃狀態監測監控，確保工作面安全回采。

3.4 雙切頂留巷采空區煤自燃防控措施

結合4502 工作面采空區煤自然發火“三帶”劃分結果和工作面自然發火環境分析，4502 雙切頂留巷采空區中部氧化帶與留巷側采空區是4502 工作面最容易發生自燃的位置。

對于采空區中部氧化帶煤自燃防控，主要防控措施有：監測預警、噴灑阻化劑、噴灑高含水材料、鉆孔注氮和鉆孔注液態CO2等技術；針對留巷側采空區，在不同的開采時期，防控范圍存在一定差異，在開采初期要加強雙留巷側5 m 范圍內，在開采中后期，運輸留巷側2.5 m 范圍內、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內的煤自燃防控，主要防控措施有：監測預警、工作面風量控制、雙留巷側堵漏、噴灑阻化劑、噴灑高含水材料、鉆孔注氮、鉆孔注二氧化碳和鉆孔注膠體等技術。

4502 工作面采用雙切頂成巷無煤柱開采工藝，為后續工作面回采和避免煤炭資源浪費帶來了極大優勢，但也增加了煤自燃重點防控范圍，尤其是區別于U 型回采工藝的雙留巷側采空區煤自燃防控，特別要注意該區域的監測監控與堵漏，只有這樣才能確保工作面安全回采。

4 結 語

1）以沙曲一礦4502 雙切頂成巷工作面為原型，結合采空區孔隙率、滲透率變化規律及多孔介質氣體擴散規律，構建了雙巷切頂留巷采空區三維氧期體積分數場模型，通過現場監測數據與模擬數據對比，證明了模擬的可靠性。

2）雙切頂留巷采空區漏風區域主要為工作面隅角及兩側留巷，風流主要由兩側隅角漏入采空區，同時采空區與兩側留巷都有風量交換；采空區留巷側氧氣聚集，氧氣體積分數靠近留巷側高、中間低，雙留巷側存在細長的氧化帶，氧化帶在采空區內整體呈U 型分布。

3）雙切頂留巷工作面開采初期要加強雙留巷側5 m 范圍和采空區中部32～65 m 范圍內的煤自燃防控，在開采中后期，要加強運輸留巷側2.5 m范圍內、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內和采空區中部30～80 m 范圍內煤自燃防控。