林柏泉，李慶釗，周 延

(1.煤礦瓦斯與火災(zāi)防治教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業(yè)大學(xué) 安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

我國是煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)大國，2019年煤炭在我國一次能源結(jié)構(gòu)中占比達(dá)57.7%。目前，我國約81.8%的煤炭以井工開采為主，在國有重點煤礦中，高瓦斯礦井?dāng)?shù)量占70%以上，煤自燃災(zāi)害嚴(yán)重的礦井占56%，同時受瓦斯和煤自燃復(fù)合災(zāi)害影響的礦井占比高達(dá)49%[1]。隨著煤炭采深的增加，高瓦斯、高地溫使得深井煤礦瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害問題日趨嚴(yán)重。近年來，煤炭開采過程中的煤自燃引發(fā)瓦斯爆炸的事故時有發(fā)生，如2003年黑龍江寶興煤礦采空區(qū)浮煤自燃引燃瓦斯導(dǎo)致爆炸，2004年銅川陳家山煤礦采空區(qū)中煤自燃引發(fā)瓦斯爆炸，2005年遼寧鐵法大明煤礦廢棄巷道內(nèi)的煤炭自燃引起瓦斯爆炸，2006年阜礦集團(tuán)五龍煤礦因為煤炭氧化自燃導(dǎo)致瓦斯爆炸事故，2010年遼寧大窯溝煤礦一采空區(qū)內(nèi)煤炭自熱產(chǎn)生局部高溫導(dǎo)致瓦斯爆炸事故，2013年吉林白山八寶煤礦采空區(qū)漏風(fēng)導(dǎo)致煤炭自然發(fā)火而引起采空區(qū)瓦斯爆炸等。統(tǒng)計和研究表明，采空區(qū)遺煤、圍巖及鄰近層瓦斯涌出占全礦井瓦斯涌出量的50%以上。由于工作面漏風(fēng)，95%以上的煤自燃發(fā)生在人員無法直視或到達(dá)的采空區(qū)。因此，煤自燃是誘發(fā)采空區(qū)瓦斯爆炸災(zāi)害事故的主要點火源[2]，采空區(qū)也是煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害發(fā)生的重要場所。

鑒于采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的復(fù)雜性，相關(guān)學(xué)者對其展開了廣泛的研究。秦波濤等[3]采用實驗研究獲得了 CH4與煤自燃火災(zāi)主要氣體 CO 的混合氣體的爆炸體積分?jǐn)?shù)范圍及爆炸危險度，從理論上分析了煤自燃可能引爆瓦斯的發(fā)生區(qū)域及其參與過程。周福寶[4]、李樹剛等[5]通過研究指出裂隙場、CH4體積分?jǐn)?shù)場、O2體積分?jǐn)?shù)場和溫度場的4場交匯是采空區(qū)煤自燃與瓦斯耦合致災(zāi)的充分必要條件，理論分析了瓦斯爆炸的危險區(qū)域和爆炸機(jī)理。張巨峰等[6]通過分析共生災(zāi)害的耦合關(guān)系，也指出瓦斯與煤自燃共生災(zāi)害的發(fā)生是裂隙場內(nèi)的漏風(fēng)氧氣場、蓄熱溫度場、瓦斯分布場等多場耦合在時間維度上積累的結(jié)果。同時，采空區(qū)瓦斯的存在對于煤的自燃過程也存在不同程度的影響，張春等[7]研究發(fā)現(xiàn)煤的自然發(fā)火期受瓦斯涌出強(qiáng)度的增大而顯著降低。截止目前，對應(yīng)采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域的判定主要基于理論分析和現(xiàn)場實測;余明高等[8]通過測量獲得了綜采工作面采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)和溫度的全線數(shù)據(jù)，在不考慮其他可燃性氣體影響的條件下，采用MATLAB疊加獲得了采空區(qū)耦合災(zāi)害危險區(qū)域的平面分布。楊勝強(qiáng)等[9]采用實驗室測試、理論分析和現(xiàn)場測量相結(jié)合的方法對高瓦斯易自燃煤層瓦斯與自燃復(fù)合致災(zāi)機(jī)理進(jìn)行研究，給出了采空區(qū)自燃三帶的劃分依據(jù)。程衛(wèi)民等[10]通過對采空區(qū)各氣體體積分?jǐn)?shù)場的測量、重建與分析，在考慮煤自燃可燃性氣體產(chǎn)物對 CH4爆炸界限影響的基礎(chǔ)上，疊加確定了采空區(qū)各空間高度上耦合災(zāi)害危險區(qū)域的平面范圍，同時利用三維場重建并結(jié)合空間插值技術(shù)，獲得了綜放采空區(qū)遺煤自燃與瓦斯耦合災(zāi)害危險區(qū)域的空間立體分布。鄧軍等[11]提出了采空區(qū)煤自燃預(yù)測的隨機(jī)森林方法，并在礦井煤自燃預(yù)測中進(jìn)行了應(yīng)用和驗證。徐宇等[12]采用動網(wǎng)格和Laplace平滑的數(shù)值模擬的手段對煤自燃與瓦斯的復(fù)合致災(zāi)隱患區(qū)域進(jìn)行判定與分析，獲得了工作面推進(jìn)狀態(tài)下采空區(qū)逐漸擴(kuò)大的動態(tài)模擬及采空區(qū)孔隙率、氧氣體積分?jǐn)?shù)和瓦斯體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。王偉東[13]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐等手段對烏蘭煤礦II020803工作面采空區(qū)瓦斯與遺煤自燃耦合災(zāi)害進(jìn)行了研究，獲得了采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)域的分布。

在相關(guān)學(xué)者的不斷深入研究下，采空區(qū)煤自燃和瓦斯爆炸復(fù)合災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理及防治技術(shù)均取得了較大進(jìn)展，但由于采空區(qū)煤自燃與瓦斯之間復(fù)雜的耦合關(guān)系使得較難準(zhǔn)確揭示采空區(qū)內(nèi)復(fù)雜環(huán)境下的動態(tài)演變特性，因此也限制了對于耦合災(zāi)害發(fā)生位置和災(zāi)害發(fā)展程度的有效判定。雖然已有學(xué)者建立了相關(guān)的數(shù)值模型也對采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域進(jìn)行了圈定，但模型的有效性尚缺乏合理的驗證。因此，結(jié)合采空區(qū)實際條件，對煤礦采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的多場演化規(guī)律進(jìn)行的探索和分析，對煤礦的安全生產(chǎn)有著非常重要的實際意義。鑒于此，筆者對已有文獻(xiàn)進(jìn)行了分析，結(jié)合所承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃項目課題三“煤礦熱動力災(zāi)害在線預(yù)警技術(shù)與裝備”的研究成果，對采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害多場演化研究所涉及的研究方法、平臺、最新進(jìn)展進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，探討了煤礦采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害多場演化規(guī)律研究的發(fā)展趨勢，為今后采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害致災(zāi)機(jī)理的揭示及預(yù)警技術(shù)研發(fā)提供參考。

1 采空區(qū)熱動力災(zāi)害的主要特征

煤層開采過后，垮落的上覆巖層在采空區(qū)會形成大量形狀不規(guī)則的垮落巖體，不同區(qū)域受壓實程度的差異將導(dǎo)致采空區(qū)堆積巖體內(nèi)存在大量的空隙[14]，其不僅構(gòu)成了漏風(fēng)通道，還為瓦斯的積聚提供了空間[15]。在合適的漏風(fēng)條件下，采空區(qū)遺煤極易發(fā)生自燃[16]，而煤自燃又可能會引起采空區(qū)瓦斯的爆炸[17-18]，由于采空區(qū)的復(fù)雜性等使得采空區(qū)內(nèi)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害表現(xiàn)出下述典型的特征。

1.1 隱蔽性

采空區(qū)是煤炭回采后上覆巖層冒落形成的堆積煤巖空隙體，其垮落的隨機(jī)性、堆積體的多尺度以及復(fù)雜的內(nèi)部環(huán)境，使發(fā)生熱動力災(zāi)害區(qū)域具有較強(qiáng)的隱蔽性，導(dǎo)致對采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害發(fā)展過程和危險程度的精準(zhǔn)判定較為困難。因此極易導(dǎo)致采空區(qū)自燃“三帶”劃分不準(zhǔn)、瓦斯爆炸危險區(qū)域不清楚、次生災(zāi)害誘發(fā)條件不明確等實際困難[19-20]。

1.2 耦合性

采空區(qū)熱動力災(zāi)害具有強(qiáng)烈的耦合性,主要體現(xiàn)在煤自燃、煤塵燃燒、瓦斯爆炸等災(zāi)害之間的相互影響關(guān)系上。如圖1所示，采空區(qū)不同壓實程度的煤巖體將導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)并為煤自燃提供特定的蓄熱條件，在合適的供氧及蓄熱條件下極易導(dǎo)致易自燃煤的自然發(fā)火并形成高溫?zé)嵩?，同時也不同程度的釋放可燃性氣態(tài)組分如CO，H2，C2H4，C2H6等氣體[21-23]，其也在一定程度上影響瓦斯的爆炸極限[24]。由于采空區(qū)卸壓瓦斯的釋放及漏風(fēng)風(fēng)流的影響，使得卸壓瓦斯在采空區(qū)特定區(qū)域發(fā)生積聚，當(dāng)采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)、氧氣體積分?jǐn)?shù)及煤自燃溫度合適的條件下有可能導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯爆炸，同時也可將比表面積更大的煤塵引燃[25]，瓦斯煤塵的爆炸及燃燒將形成移動的火源，進(jìn)一步促進(jìn)了煤的氧化進(jìn)程，極易造成采空區(qū)熱動力災(zāi)害規(guī)模擴(kuò)大。

圖1 采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的耦合特性Fig.1 Coupling characteristics of gas and coal spontaneous combustion in goaf

1.3 動態(tài)性

在工作面不斷推進(jìn)過程中，上覆巖層在重力作用下，采空區(qū)煤巖體的破碎程度時刻發(fā)生變化，采空區(qū)垮落煤巖在被不斷壓實過程中也使得采空區(qū)瓦斯的滲流路徑表現(xiàn)出動態(tài)變化的特征，這些因素也直接影響了采空區(qū)熱動力災(zāi)害的發(fā)展進(jìn)程[26-27]。在工作面漏風(fēng)、遺煤瓦斯涌出的共同作用下，采空區(qū)極易出現(xiàn)采空區(qū)內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于其爆炸極限范圍內(nèi)的危險區(qū)帶，特別是在煤自燃環(huán)境下，含瓦斯混合氣體的爆炸敏感性將表現(xiàn)出與煤自燃進(jìn)程相關(guān)聯(lián)的動態(tài)變化的特征，即使煤自燃所釋放的少量可燃?xì)怏w的參與也會顯著改變含瓦斯混合氣體的點火能量和爆炸敏感性。

1.4 復(fù)雜性

從災(zāi)害發(fā)生演化過程的角度看，采空區(qū)熱動力災(zāi)害的復(fù)雜性主要體現(xiàn)為災(zāi)害發(fā)展的非線性的熱力學(xué)和動力學(xué)過程。采空區(qū)熱動力災(zāi)害耦合因素眾多、致災(zāi)因素復(fù)雜多變，且各致災(zāi)因素相互耦合、相互轉(zhuǎn)化，導(dǎo)致采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害表現(xiàn)出顯著的復(fù)雜性。

2 采空區(qū)熱動力災(zāi)害多場演化特性

受煤礦井下采空區(qū)實際情況的限制，采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害相關(guān)演化規(guī)律的研究缺乏有效的探測手段。為此，研究者們先后基于不同的研究目的，針對煤礦井下采空區(qū)構(gòu)建了不同的實驗室規(guī)模的相似模擬平臺，構(gòu)建了采空區(qū)多場耦合的簡化的數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)探討了采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)場、煤自燃溫度場、風(fēng)壓場等的相關(guān)演化規(guī)律，初步提出了采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害風(fēng)險的判斷方法。

2.1 采空區(qū)多場演化研究的相似實驗平臺

煤礦井下采空區(qū)內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)量有限。在一定幾何相似條件下，通過相似模擬實驗可望再現(xiàn)井下采空區(qū)的真實狀態(tài)。由于實驗室測試具有可重復(fù)性好、數(shù)據(jù)測試全面的優(yōu)勢，因此眾多學(xué)者通過搭建相似實驗平臺(圖2)，研究了采空區(qū)內(nèi)部的流場、氣體體積分?jǐn)?shù)場以及溫度場。

圖2 采空區(qū)相似模擬實驗平臺Fig.2 Similar simulation experiment platform of coalmine goaf

SU等[28-29]搭建了傾角可調(diào)的采空區(qū)模型，分析了風(fēng)量、煤層傾角對采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)分布的影響。文虎等[33]以物理相似材料模擬實驗理論和方法為基礎(chǔ)，搭建了小型采空區(qū)氣體滲流相似模擬實驗平臺，并開展實驗研究掌握了采空區(qū)漏風(fēng)流場分布規(guī)律。秦躍平等[34]基于相似理論搭建了綜放工作面采空區(qū)模型，研究了U型、E型兩種通風(fēng)方式下采空區(qū)流場及瓦斯運(yùn)移特性。王樹剛等[30]建立了U型通風(fēng)條件下采空區(qū)實驗臺，研究了采空區(qū)的溫度分布狀態(tài)以及熱輸運(yùn)現(xiàn)象。余照陽[31]構(gòu)建了三維非均質(zhì)采空區(qū)流場模型實驗臺，研究了U 型通風(fēng)和“U+I”通風(fēng)條件下，采空區(qū)氧氣場、瓦斯場和漏風(fēng)流場特征及采空區(qū)遺煤氧化氣氛特性。常緒華[35]開展了高溫煤體誘發(fā)瓦斯燃燒實驗，發(fā)現(xiàn)封閉空間內(nèi)可燃?xì)怏w體積分?jǐn)?shù)會大于其爆炸上限而失去爆炸性，并指出工作面煤柱、頂煤和上鄰近煤層提前氧化區(qū)域在壓裂或冒落進(jìn)采空區(qū)時易引燃瓦斯。LI等[32]搭建了采空區(qū)煤自燃與瓦斯耦合實驗平臺，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)高溫火源點附近易出現(xiàn)瓦斯積聚現(xiàn)象。

對于采空區(qū)煤自燃的模擬，已有的試驗平臺多采用加熱器或蜂窩煤來模擬溫度場的演化[32]，無法再現(xiàn)煤自燃在采空區(qū)內(nèi)的動態(tài)演化過程。為此，筆者搭建了采空區(qū)熱動力災(zāi)害熱態(tài)模擬試驗平臺，如圖3所示，通過分布式的點式電熱源實現(xiàn)了采空區(qū)煤自燃過程的動態(tài)演化模擬和多場參數(shù)的信息探測。

圖3 采空區(qū)熱動力災(zāi)害模擬試驗?zāi)M平臺Fig.3 Simulation test platform of thermodynamic disaster in coalmine goaf

2.2 采空區(qū)多場耦合數(shù)學(xué)模型

數(shù)值計算是研究采空區(qū)內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)場、溫度場以及瓦斯與煤自燃耦合的重要手段[36-37]，廣大學(xué)者對采空區(qū)耦合模型進(jìn)行了廣泛深入的研究。李宗翔等[38]基于采空區(qū)“O”型冒落特性以及采空區(qū)非均勻耗氧特征，建立了采空區(qū)非線性滲流-多組分氣體-溫度場和非均勻耗氧的數(shù)值模型。XIA等[39]建立了采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合共生環(huán)境多場耦合模型(圖4(a)中，vg為氣相速度，m/s;hsg為氣固相換熱系數(shù)，W/(m2·K);Asg為氣固換熱面積，m2;Ts為固相溫度，K;Tg為氣相溫度，K)，并分析了風(fēng)量、風(fēng)阻、工作面推進(jìn)度對采空區(qū)瓦斯與煤自燃耦合作用的影響。秦躍平等[40]建立了移動坐標(biāo)下的采空區(qū)漏風(fēng)流場、氧體積分?jǐn)?shù)場和溫度場相耦合的自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型，研究了不同推進(jìn)速度下采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)場、溫度場的分布規(guī)律。劉偉等[41]建立了采空區(qū)自然發(fā)火多場耦合三維數(shù)學(xué)模型(圖4(b))，描述了采空區(qū)遺煤自燃過程中的空氣流動、氧氣消耗與擴(kuò)散、遺煤放熱及溫度上升的基本規(guī)律。楊卓明[42]建立了基于流管的多場耦合三維動態(tài)解算模型，研究了流管中存在熱源時，熱的傳播規(guī)律及其對整個流場的影響規(guī)律。

圖4 采空區(qū)多場耦合模型Fig.4 Multi-field coupling model of coalmine goaf

徐宇等[43]通過對滲流場、體積分?jǐn)?shù)場和能量場多物理場耦合求解，建立了工作面推進(jìn)過程中煤自燃與瓦斯涌出的動態(tài)數(shù)值模型。ZHANG等[44]建立了三維瞬態(tài)非平衡熱CFD模型，該模型包括煤氧化的低溫動力學(xué)、能量和質(zhì)量守恒、動量平衡和連續(xù)性方程。

采空區(qū)煤巖壓實程度是采空區(qū)氣流場、煤自燃溫度場及多場演化規(guī)律的基礎(chǔ)，筆者以采空區(qū)煤巖不同壓實程度下的滲透率為基礎(chǔ)，建立了采空區(qū)氣流場及煤自燃?xì)夤虦囟葓鲴詈夏Ｐ?圖5中，cg為氣體濃度,mol/m3;Dga為氣體的分子擴(kuò)散系數(shù),m2/s;W(O2)為體氧化耗氧速率,mol/(m3·s);H1為煤體厚度,m;H為垮落帶高度,m;A為煤矸石的氧化指前因子,s-1;c(O2)為氧氣濃度,mol/m3;Ea為活化能,kJ/mol;R為普適氣體常數(shù),J/(mol·K);k為滲透率,m2;dp為多孔介質(zhì)的顆粒直徑,m;n為空隙率;Kp(x,y)為冒落煤巖體的碎漲系數(shù);ρg為混合氣體密度,kg/m3;cpg為氣相比熱容,J/(kg·K);κg為氣相熱傳導(dǎo)系數(shù),J/(m·s·K))。

圖5 煤自燃過程多組分氣體流固耦合傳熱模型Fig.5 Gas-solid coupling heat transfer of multi-component gas model for coal spontaneous combustion

獲得了不同條件下的采空區(qū)氣體運(yùn)移的演化規(guī)律。

2.3 采空區(qū)多場耦合演化規(guī)律

(1)氣體體積分?jǐn)?shù)場。受巷幫以及工作面支撐作用的影響，靠近工作面以及巷幫附近的冒落巖體較為松散，滲透率較大，在此范圍內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度較大，氧氣體積分?jǐn)?shù)較高;采空區(qū)中部及深部區(qū)域破碎巖體逐漸被壓實,漏風(fēng)阻力增大,采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)呈不對稱分布,進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布區(qū)域較回風(fēng)側(cè)更深入。隨著采空區(qū)遺煤氧化過程的進(jìn)行，在氧化中心帶，氧氣體積分?jǐn)?shù)表現(xiàn)為減少的趨勢[45-46]。隨著走向和傾向距離的增加，采空區(qū)瓦斯體積分?jǐn)?shù)逐漸增大，回風(fēng)巷一側(cè)瓦斯體積分?jǐn)?shù)較進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)體積分?jǐn)?shù)大[47-48]。由圖5可知，采空區(qū)出現(xiàn)遺煤氧化升溫現(xiàn)象后，高溫?zé)嵩粗車耐咚贵w積分?jǐn)?shù)隨著溫度的升高而升高。筆者研究指出，工作面風(fēng)流速度是影響采空區(qū)煤自燃及多場演化過程的一個重要因素，煤自燃傳播表現(xiàn)出易趨向于沿富氧區(qū)域方向發(fā)展的特性。

(2)溫度場。采空區(qū)遺煤在漏風(fēng)條件下會氧化升溫，在合適的蓄熱條件下，遺煤溫度會持續(xù)升高，最終出現(xiàn)明火。溫度是煤自燃發(fā)展程度的重要信息，因此眾多學(xué)者對采空區(qū)溫度場展開了研究。馬尚權(quán)等[49]利用光柵光纖技術(shù)在古城煤礦采空區(qū)進(jìn)行采空區(qū)溫度測試，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)側(cè)升溫梯度大，是自然發(fā)火的重災(zāi)區(qū)。梅勝凱[50]在劉莊煤礦進(jìn)行采空區(qū)內(nèi)部測溫，通過溫升速率判斷進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面20～118 m為氧化帶，回風(fēng)側(cè)23～97 m為氧化帶。袁飛等[51]利用自發(fā)熱材料在空氣中的氧化特性模擬采空區(qū)氧化升溫，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)實高溫區(qū)域距工作面深度為50～80 m。王樹剛等[30]利用加熱器模擬地溫場及采空區(qū)遺煤氧化放熱，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)溫度場呈現(xiàn)由進(jìn)風(fēng)口到回風(fēng)口先上升再下降的分布規(guī)律，并在采空區(qū)傾向中心線偏回風(fēng)口20～30 m處出現(xiàn)溫度峰值。李宗翔等[38]通過對采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)火區(qū)一般處在接近壓實的區(qū)域邊緣，高溫點靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)的上游。XIA等[52]通過對U型工作面采空區(qū)進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)高溫火源出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)側(cè)，進(jìn)而通過對U型通風(fēng)+尾巷抽采進(jìn)行采空區(qū)模擬，發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)均出現(xiàn)高溫火源點。筆者研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)煤自燃在臨界溫度前后表現(xiàn)為不同的演化特性，在低溫氧化階段區(qū)域沿氣流方向傳播，而高溫快速氧化階段則易趨向富氧方向傳播。

(3)風(fēng)壓場。風(fēng)壓場是造成采空區(qū)漏風(fēng)的關(guān)鍵，通常工作面漏風(fēng)入口處風(fēng)壓較大，在采空區(qū)中部，風(fēng)壓逐漸減小[53]。工作面壓差是造成采空區(qū)漏風(fēng)主要原因，分析采空區(qū)內(nèi)部壓力場對了解采空區(qū)漏風(fēng)具有重要意義。蔣曙光和王省身[54]通過相似模擬實驗展開采空區(qū)壓力場研究，發(fā)現(xiàn)壓力梯度最大值出現(xiàn)在工作面上下隅角，工作面壓差決定了壓力場的變化幅度，而內(nèi)部壓力分布只取決于采空區(qū)的物理特性。余照陽[31]通過測試U型采空區(qū)實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)回風(fēng)巷兩端的壓差，發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)回風(fēng)壓差的增大，漏風(fēng)流場的擾動范圍增大。筆者以研發(fā)平臺為基礎(chǔ)，通過實測模擬采空區(qū)內(nèi)的壓力場發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)側(cè)壓力等值線呈傾斜分布，漏風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)后向回風(fēng)側(cè)及上隅角運(yùn)移，并使瓦斯在回風(fēng)側(cè)深部積聚。

2.4 采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的關(guān)鍵影響因素

采空區(qū)卸壓瓦斯與煤自燃是復(fù)合熱動力災(zāi)害致災(zāi)的必要條件，采空區(qū)自然發(fā)火不僅取決于原煤本身的自燃氧化性，而且與采空區(qū)內(nèi)冒落巖石堆放壓實狀況、遺煤的分布、采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)源、漏風(fēng)匯的位置和強(qiáng)度等因素有關(guān)，同時受工作面的推進(jìn)速度的影響。楊永良等[55]通過研究頂板的冒落特性與采空區(qū)自燃規(guī)律之間的相互關(guān)系，發(fā)現(xiàn)2種方式得出的采空區(qū)煤自燃的“三帶”分布具有較好的一致性。已有的研究也發(fā)現(xiàn)，在對采空區(qū)瓦斯的治理中，采空區(qū)卸壓瓦斯的抽采對采空區(qū)漏風(fēng)及采空區(qū)遺煤的自燃則具有重要的影響。鄧軍等[56]、張辛亥等[57]研究發(fā)現(xiàn)，采空區(qū)瓦斯抽采將使得采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)發(fā)生改變，瓦斯抽采條件下采空區(qū)氧化帶將向采空區(qū)深入且使得氧化帶范圍向回風(fēng)側(cè)擴(kuò)大，王政等[58]、文虎等[59]、褚廷湘等[60]通過對采空區(qū)抽采條件下的漏風(fēng)流場、煤自燃危險區(qū)域進(jìn)行研究，提出了回采工作面最小安全推進(jìn)度及采空區(qū)瓦斯合理抽采量等用于采空區(qū)瓦斯抽采與遺煤自燃綜合治理的實施方案?；趯Ω叱橄锛安煽諈^(qū)卸壓瓦斯立體抽采等方式下瓦斯與煤自燃的耦合作用特性的研究，余明高等[61]、楊勝強(qiáng)等[62]、肖俊峰等[63]、宣德全等[64]等研究發(fā)現(xiàn)，在不同瓦斯抽采條件下，采空區(qū)煤自燃“三帶”的劃分將變的更為復(fù)雜。與此同時，采空區(qū)瓦斯抽采負(fù)壓的高低[65]、抽采流量的大小以及注氮防滅火技術(shù)措施[66]等都對采空區(qū)的漏風(fēng)狀態(tài)及氧化帶的范圍具有重要的影響。

由此可知，采空區(qū)頂板垮落導(dǎo)致的壓實狀態(tài)的差異、卸壓瓦斯治理中的瓦斯抽采方式、抽采負(fù)壓、流量等對采空區(qū)內(nèi)的瓦斯分布、煤自燃的三帶范圍產(chǎn)生重要的影響，也成為煤自燃與瓦斯復(fù)合熱動力災(zāi)害發(fā)生與發(fā)展的關(guān)鍵控制因素。

2.5 采空區(qū)熱動力災(zāi)害信息探測技術(shù)與方法

采空區(qū)煤自燃災(zāi)害治理的前提是圈定煤自燃發(fā)生的位置及范圍，由于采空區(qū)的復(fù)雜性，使得采空區(qū)復(fù)雜條件下災(zāi)害的信息探測與火源定位一直是熱動力災(zāi)害研究的熱點和難點。目前曾嘗試用于探測地下煤火的技術(shù)主要包括地質(zhì)雷達(dá)法、遙感法、高密度電法、磁法、電阻率法、測氡法等[67]。張俊英等[68]建立了基于同位素測氡的地下火區(qū)圈劃的計算方法，文虎等[69]設(shè)計了一種可用于采空區(qū)的分布式光纖測溫系統(tǒng)(DTS)，王偉峰等[70]根據(jù)火區(qū)鉆孔溫度監(jiān)測的實際需求，提出了無線自組網(wǎng)技術(shù)、移動通信技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與溫度傳感器相結(jié)合的監(jiān)測方法。梁運(yùn)濤等[71]通過探索基于多元電磁方法的隱蔽火源探測技術(shù)，指出基于紅外遙感、磁法和電法的多元信息探測將是隱蔽火源探測的發(fā)展趨勢。

2.6 采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的判別方法

當(dāng)采空區(qū)遺煤發(fā)生自燃后，煤自燃高溫區(qū)域?qū)⒉粩喟l(fā)生遷移，造成采空區(qū)瓦斯氣體爆炸極限受氣體組分和溫度的影響也表現(xiàn)出動態(tài)變化的特征，當(dāng)高溫區(qū)域與瓦斯爆炸風(fēng)險區(qū)域相互疊加后，易導(dǎo)致瓦斯爆炸現(xiàn)象出現(xiàn)。為了避免采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害的發(fā)生，勢必要明確采空區(qū)瓦斯爆炸危險區(qū)域的范圍及其動態(tài)演化規(guī)律，提出更加可靠的危險性評價指標(biāo)。時國慶等[72]對火區(qū)煙氣影響下的瓦斯爆炸危險性開展了研究，瓦斯爆炸極限隨火區(qū)發(fā)展進(jìn)程而不斷發(fā)生變化。LI等[32]通過實驗分析了自燃誘發(fā)瓦斯燃燒的可能區(qū)域和過程，認(rèn)為采空區(qū)發(fā)生爆炸的區(qū)域就是在采空區(qū)煤自燃帶與采空區(qū)混合瓦斯氣體爆炸體積分?jǐn)?shù)范圍交匯區(qū)。程衛(wèi)民等[10]研究了綜放采空區(qū)瓦斯與遺煤自燃耦合災(zāi)害危險區(qū)域重建技術(shù)，重建出耦合災(zāi)害危險區(qū)域空間立體分布情況，并對災(zāi)害空間參數(shù)進(jìn)行了提取。以采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域的動態(tài)演化規(guī)律為基礎(chǔ)，筆者也提出一種基于采空區(qū)裂隙場、溫度場、氧氣體積分?jǐn)?shù)場和瓦斯體積分?jǐn)?shù)場4場耦合的采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險性評價方法。

當(dāng)采空區(qū)發(fā)生煤自燃時，所需氧體積分?jǐn)?shù)要大于自燃的臨界氧體積分?jǐn)?shù)，且要求具有合適的煤巖空隙尺度、溫度超過煤自燃的臨界溫度，即

(1)

式中，nL(O2)，nH(O2)分別為采空區(qū)裂隙場滿足自燃蓄熱條件的最小與最大空隙率;C(O2)為氧體積分?jǐn)?shù)，%;CL(O2)為煤自燃所需的最小氧體積分?jǐn)?shù)，%;T為采空區(qū)煤體自燃升溫后的溫度，℃;TC為煤自燃臨界溫度，℃。

若采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸且爆炸能夠傳播時，采空區(qū)的氧體積分?jǐn)?shù)須超過瓦斯爆炸所需的最小氧體積分?jǐn)?shù)，且瓦斯體積分?jǐn)?shù)處于爆炸極限內(nèi)，即

(2)

式中，nL(CH4),nH(CH4)分別為瓦斯爆炸發(fā)生與傳播的最小與最大空間的空隙率；C′(O2)為瓦斯爆炸氧氣體積分?jǐn)?shù)下限，%；CL(CH4),CH(CH4)分別為發(fā)生瓦斯爆炸的體積分?jǐn)?shù)的下、上限，%;TS為瓦斯爆炸溫度,℃。

因此，采空區(qū)堆積煤巖體的特定空隙率是瓦斯爆炸發(fā)生與傳播的必要條件。以式(1)，(2)為基礎(chǔ)，構(gòu)建了采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害危險區(qū)域劃分的依據(jù)：

(3)

3 采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害研究展望

煤礦采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害是由于煤礦井下采空區(qū)多種致災(zāi)因素的熱動力特性超出其有效控制范圍而引發(fā)采空區(qū)內(nèi)的原發(fā)性與繼發(fā)性鏈?zhǔn)綗釀恿?zāi)害的總稱，由于其災(zāi)害種類多、致災(zāi)因素復(fù)雜且相互耦合，且隨工作面推進(jìn)而呈現(xiàn)出動態(tài)變化的特性。同時，由于采空區(qū)可探測性差、災(zāi)害源精準(zhǔn)定位難、預(yù)警難、治理難。因此，采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害的研究尚存在諸多難題亟待深入探索。

3.1 采空區(qū)多災(zāi)種間的互饋耦合作用機(jī)理

采空區(qū)是瓦斯積聚及煤自燃易發(fā)的主要場所，已有的研究表明采空區(qū)瓦斯的存在對煤的氧化過程存在重要的影響。與此同時，煤自燃所釋放的多種可燃組分(如CO，C2H4，C2H6，H2等)，包括采空區(qū)巖石垮落而導(dǎo)致的氣流沖擊揚(yáng)塵，使得采空區(qū)冒落煤巖體空隙內(nèi)的可燃體系表現(xiàn)出“多元(多種可燃?xì)怏w)、多相(氣體與粉塵)”的特性，其與單一組分的瓦斯氣體爆炸特性存在顯著不同[73]，由此可以推斷，煤自燃高溫區(qū)域的存在勢必也會對采空區(qū)瓦斯的運(yùn)移及富集區(qū)域具有重要的影響。然而，由于采空區(qū)垮落煤巖的復(fù)雜性，采空區(qū)空隙率分布及采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)尚停留在依靠經(jīng)驗確定，由此使得采空區(qū)煤自燃及瓦斯積聚的準(zhǔn)確定位依然存在困難。因此，探究采空區(qū)垮落煤巖的空隙分布規(guī)律及其關(guān)鍵影響因素、采空區(qū)漏風(fēng)狀態(tài)、由此引起的含瓦斯氣態(tài)混合體系的運(yùn)移富集規(guī)律及其與煤自燃等各災(zāi)種間的互饋影響特性、采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理是采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害防治的理論基礎(chǔ)。

3.2 采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害多場耦合動態(tài)演化規(guī)律

隨著煤層開采，其直接頂和基本頂在礦山壓力作用下將發(fā)生垮落，在工作面后方采空區(qū)將形成由遺煤、垮落巖石所形成的復(fù)雜的、動態(tài)變化的冒落空間及次生裂隙，成為采空區(qū)瓦斯積聚及煤自燃的重要區(qū)域[74]。當(dāng)煤自燃溫度達(dá)650～750 ℃時，在合適的氧體積分?jǐn)?shù)以及瓦斯體積分?jǐn)?shù)條件下，冒落巖體空隙中積聚的瓦斯將被點燃，從而引發(fā)瓦斯燃燒或爆炸，其將沿富氧通道向工作面蔓延，極易導(dǎo)致工作面瓦斯爆炸事故。受煤炭回采工藝及通風(fēng)條件的影響，采空區(qū)煤巖體的壓實程度、通風(fēng)蓄熱條件、遺煤區(qū)域分布以及煤自燃條件下的溫度場、瓦斯運(yùn)移積聚特性、風(fēng)壓場、多組分氣體的體積分?jǐn)?shù)場均呈相互耦合的動態(tài)分布特征。因此，探索多因素耦合條件下采空區(qū)的多場演化規(guī)律對于揭示采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的致災(zāi)機(jī)理、災(zāi)害發(fā)展過程判定、區(qū)域定位與災(zāi)害治理具有極其重要的實際意義。

3.3 采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害關(guān)鍵致災(zāi)因素及其臨界指標(biāo)

采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯燃燒爆炸是典型的復(fù)合熱動力災(zāi)害現(xiàn)象，采空區(qū)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測是采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害預(yù)警的重要手段。然而，由于采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害時空動態(tài)演變的本質(zhì)屬性，使得傳統(tǒng)基于氣體、溫度等靜態(tài)臨界指標(biāo)的固定閾值的預(yù)警方法具有很大的局限性，難以實現(xiàn)采空區(qū)多場動態(tài)演化條件下復(fù)合災(zāi)害風(fēng)險的精準(zhǔn)辨識，也無法準(zhǔn)確反映采空區(qū)煤自燃誘發(fā)瓦斯爆炸的災(zāi)情演變過程。因此，有必要從煤礦井下采場及采空區(qū)的環(huán)境參數(shù)變化以及與此相耦合的災(zāi)害演變進(jìn)程進(jìn)行雙重分析，系統(tǒng)研究煤巖賦存特性、回采工藝、通風(fēng)條件等控制下的采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的致災(zāi)特性以及災(zāi)害演變過程中的溫度、氣體組分、氣體壓力等采空區(qū)環(huán)境狀態(tài)參數(shù)的動態(tài)變化規(guī)律，明確不同環(huán)境狀態(tài)參數(shù)與采空區(qū)災(zāi)害演變進(jìn)程的對應(yīng)關(guān)系，揭示災(zāi)害演變進(jìn)程與環(huán)境參數(shù)之間的動態(tài)耦合特征，建立災(zāi)害耦合演變分級預(yù)警的動態(tài)指標(biāo)體系，為采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的監(jiān)測預(yù)警提供理論基礎(chǔ)。

3.4 采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警理論與技術(shù)

隨著探測、監(jiān)測及傳感器技術(shù)的發(fā)展以及煤礦井下大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等信息處理技術(shù)平臺的建設(shè)和逐步完善，煤礦災(zāi)害包括采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的監(jiān)測、預(yù)警及綜合防控正向原位、精準(zhǔn)、持續(xù)和多參數(shù)融合的方向發(fā)展，研發(fā)煤礦采空區(qū)瓦斯與煤自燃災(zāi)害耦合演變預(yù)警多元信息自適應(yīng)感知技術(shù)，是實現(xiàn)災(zāi)害精準(zhǔn)防治的關(guān)鍵。此外，在多災(zāi)種耦合共生條件下，傳統(tǒng)單一災(zāi)害監(jiān)測的特征參數(shù)正逐步被采空區(qū)多災(zāi)種耦合演變過程的多源異構(gòu)實時流式數(shù)據(jù)鏈所替代。因此，如何實現(xiàn)大數(shù)據(jù)背景下實時監(jiān)測預(yù)警流式數(shù)據(jù)的智能融合與挖掘，提出災(zāi)害預(yù)警實時流式數(shù)據(jù)分析處理架構(gòu)、開發(fā)出基于人工智能的預(yù)警算法和軟件，是實現(xiàn)多災(zāi)種耦合信息動態(tài)處理亟需破解的重大難題。與此同時，常規(guī)采空區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的環(huán)境自適應(yīng)性差、響應(yīng)緩慢、可靠性低，難以適應(yīng)采空區(qū)惡劣的環(huán)境條件，使得其誤報、漏報率高，無法實現(xiàn)復(fù)合型熱動力災(zāi)害的精準(zhǔn)監(jiān)測預(yù)警。因此，開發(fā)井下原位多參數(shù)氣體在線分析及熱環(huán)境分布式時空協(xié)同監(jiān)測裝備，實現(xiàn)監(jiān)測預(yù)警軟硬件系統(tǒng)的集成是煤礦采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害在線預(yù)警與綜合防控一體化應(yīng)用實踐亟需破解的瓶頸。

4 結(jié) 語

綜述了我國采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害發(fā)生的現(xiàn)狀，分析了該領(lǐng)域的國內(nèi)外最新研究進(jìn)展。采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害具有隱蔽性、耦合型、動態(tài)性、復(fù)雜性的屬性，由此導(dǎo)致災(zāi)害表現(xiàn)出風(fēng)險大、辨識難、預(yù)警難、防治難的特點。通過分析國內(nèi)外關(guān)于采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害多場演化規(guī)律的研究平臺、多場耦合數(shù)學(xué)模型、多場耦合演化規(guī)律及采空區(qū)復(fù)合熱動力災(zāi)害的判別方法的最新進(jìn)展，指出采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合熱動力災(zāi)害亟需在多災(zāi)種間的互饋耦合作用機(jī)理、多場耦合動態(tài)演化規(guī)律、復(fù)合災(zāi)害關(guān)鍵致災(zāi)因素及其臨界指標(biāo)、采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害監(jiān)測-預(yù)警-綜合防控一體化理論與技術(shù)等方面展開進(jìn)一步深入的研究與探索。