王 洋，董小明，吳建賓，吳明明，郭睿智

（1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.貴州安晟能源有限公司，貴州 貴陽 550000；3.兗州煤業(yè)鄂爾多斯能化有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017010；4.鄂爾多斯市營盤壕煤炭有限公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

留設(shè)窄煤柱沿空掘巷已成為一種提高煤炭回收率的有效開采方式[1]。但沿空掘巷會破壞煤體原始應(yīng)力初始平衡狀態(tài)，使煤柱破壞產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致漏風(fēng)通道增多，加大沿空側(cè)采空區(qū)遺煤自燃的危險性[2-3]。學(xué)者們針對采空區(qū)煤自燃危險性做了大量研究。牛闊、程衛(wèi)民等[4-5]研究了采空區(qū)流場立體分布規(guī)律，以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為指標(biāo)劃分了采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域；褚廷湘、李品等[6-7]得到由于工作面推進(jìn)初期的采空區(qū)氧化帶范圍不斷變化，推進(jìn)后期氧化帶范圍趨于穩(wěn)定；文虎等[8-9]建立了高地溫綜放工作面沿空留巷煤自燃多物理場耦合動態(tài)模型，研究了采空區(qū)氧氣濃度場及漏風(fēng)流場；蒯多磊等[10]采用煤柱測溫、位能測定等方法對五溝礦沿空掘巷煤柱和沿空側(cè)采空區(qū)進(jìn)行了研究，得到煤柱完整性是導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)和遺煤自燃的主要原因；魯義等[11]采用Fluent模擬研究了受壓小煤柱易自燃區(qū)域，得出小煤柱沿空側(cè)采空區(qū)25~75 m為煤自燃氧化帶。綜上，以營盤壕煤礦2202綜采工作面和2201采空區(qū)為研究對象，分析采空區(qū)遺煤自燃極限參數(shù)，提出沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域的判別條件；采用Fluent模擬研究2202工作面回采過程中2201采空區(qū)的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，確定沿空側(cè)2201采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，最后提出以控制漏風(fēng)為主的沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃防治方法。

1 工作面概況

營盤壕煤礦煤自燃傾向性為Ⅰ類容易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為47 d。2201工作面底板平均標(biāo)高為524.1 m，工作面長300 m，推進(jìn)長度2 556 m，平均煤層厚度為6.40 m。2201采空區(qū)北側(cè)為2202工作面，2202工作面平均煤層厚度為6.30 m，煤層傾角為3°。2202工作面輔運(yùn)巷與2201采空區(qū)運(yùn)輸巷留有約5 m的保護(hù)煤柱。隨著2202工作面采動影響，容易導(dǎo)致煤柱被壓裂產(chǎn)生漏風(fēng)通道，增加了沿空側(cè)2201采空區(qū)遺煤自燃的可能性。工作面位置布置關(guān)系圖如圖1。

圖1 工作面位置布置關(guān)系圖Fig.1 Position layout diagram of working face

2 沿空側(cè)采空區(qū)氣體監(jiān)測

2.1 鉆孔測點布置

通過保護(hù)煤柱向2201采空區(qū)施工若干個鉆孔，在距離開切眼和停采線處各施工1個間隔20 m的鉆孔，其余鉆孔分別間隔50 m。鉆孔距底板高度為1 m，鉆孔深度為6 m，直徑為65 mm，從開切眼處到停采線對鉆孔進(jìn)行編號，共計50個，測點布置如圖2。鉆孔內(nèi)使用φ50 mm鋼管以保護(hù)束管與溫度探頭，測點剖面圖如圖3。

圖2 測點布置圖Fig.2 Layout of measuring points

圖3 測點剖面圖Fig.3 Sectional view of measuring points

通過溫度儀采集記錄鉆孔內(nèi)的溫度數(shù)據(jù)，同時，采用負(fù)壓抽氣泵連續(xù)2 min預(yù)抽取排出鉆孔內(nèi)的殘余氣體，再將隨后抽取的氣體收集于氣袋中，送至地面利用氣相色譜儀檢測氣體組分及體積分?jǐn)?shù)。

2.2 監(jiān)測結(jié)果

根據(jù)2202工作面的現(xiàn)場工作安排，選取2202工作面在不同回采階段的測點數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。分別選取2019-04-13—2019-05-09的2202工作面回采期間的22、24、27測點的數(shù)據(jù)以及2019-11-21—2019-12-18的2202工作面停采前的42、44、46測點的數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)分布圖如圖4。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分布圖Fig.4 Distribution diagrams of monitoring data

在鉆孔監(jiān)測期間，測點CO體積分?jǐn)?shù)均小于1.6×10-5，CO2體積分?jǐn)?shù)分布在1.7%~2.5%，未出現(xiàn)CH4、C2H4和C2H6等氣體。

由圖4可知，測點氧氣體積分?jǐn)?shù)普遍較低，少部分測點在短時間內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)較高。在2202工作面回采期間，氧氣體積分?jǐn)?shù)分布在10.1%~13.8%之間，溫度在27~35℃之間波動上升，最高溫度不超過35℃。在2202工作面停采前，測點氧氣體積分?jǐn)?shù)在10.3%~15%范圍內(nèi)波動幅度較大，最高溫度不超過36℃。由于煤柱受外界應(yīng)力破壞后出現(xiàn)大量裂隙形成漏風(fēng)通道，導(dǎo)致2201采空區(qū)內(nèi)部氧氣體積分?jǐn)?shù)較高。同時，2201采空區(qū)內(nèi)遺煤緩慢氧化產(chǎn)生熱量導(dǎo)致測點溫度緩慢升高。

3 煤自燃危險區(qū)域判別條件

采用單個指標(biāo)劃分對沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域劃分缺乏準(zhǔn)確性，需要綜合考慮以下因素：氧氣體積分?jǐn)?shù)、浮煤厚度、溫升速率和最短自然發(fā)火期等。

3.1 煤自然發(fā)火實驗測試

采用西安科技大學(xué)自主研發(fā)的煤自然發(fā)火試驗臺（XK-Ⅶ型），將破碎后的1 766 kg煤樣裝入實驗爐，待爐內(nèi)通氣穩(wěn)定后進(jìn)行煤自然升溫實驗。煤樣溫度從33.7℃升至170℃，觀測煤樣在氧化升溫過程中溫度分布情況，分析氣體組分變化規(guī)律，計算煤自燃特性參數(shù)。

最小浮煤厚度hmin和下限氧體積分?jǐn)?shù)Cmin是采空區(qū)內(nèi)遺煤發(fā)生自燃的2個關(guān)鍵參數(shù)，其計算過程分別如式（1）和式（2）[12]：

式中：Tm為遺煤溫度，℃；Tˉm為遺煤平均溫度，℃；Ty為巖層溫度，℃；Tg為風(fēng)流溫度，℃；λe為煤樣的等效導(dǎo)熱系數(shù)，J/（g·s·℃）；cg為風(fēng)流比熱容，J/（g·℃）；ρg為風(fēng)流密度，g/cm3；為漏風(fēng)強(qiáng)度，cm/s為新鮮風(fēng)流氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；為氧氣體積分?jǐn)?shù)為時對應(yīng)溫度的放熱強(qiáng)度，J/（cm3·s）；h為浮煤的厚度，cm；x為沿空側(cè)采空區(qū)內(nèi)部距離巷道的距離，cm。

圍巖溫度取25℃，松散煤體導(dǎo)熱系數(shù)為0.844 7×10-3J/（cm·s·℃），代入相應(yīng)公式計算得出2201采空區(qū)遺煤下限氧氣體積分?jǐn)?shù)、上限漏風(fēng)強(qiáng)度。不同浮煤厚度時的下限氧體積分?jǐn)?shù)和上限漏風(fēng)強(qiáng)度見表1，不同漏風(fēng)強(qiáng)度時的極限浮煤厚度見表2。

表1 不同浮煤厚度時的下限氧體積分?jǐn)?shù)和上限漏風(fēng)強(qiáng)度Table 1 Lower limit oxygen volume fraction and upper limit air leakage intensity under different floating coal thickness

表2 不同漏風(fēng)強(qiáng)度時的極限浮煤厚度Table 2 The ultimate floating coal thickness at different air leakage intensities

3.2 煤自燃危險區(qū)域判別條件

沿空側(cè)采空區(qū)遺煤能夠自燃其所處環(huán)境應(yīng)滿足如下條件[13]：

1）（h＞hmin）∩（C＞Cmin），即沿空側(cè)采空區(qū)浮煤厚度h大于極限浮煤厚度hmin、氧氣體積分?jǐn)?shù)C不低于下限氧體積分?jǐn)?shù)Cmin。

2）在滿足條件1）的基礎(chǔ)下這種狀態(tài)維持的時間T長于煤最短自然發(fā)火期Tmin，T＞Tmin。

3）煤體溫升速率不小于1°C/d。

4 沿空側(cè)采空區(qū)數(shù)值模擬

4.1 理論分析

根據(jù)多孔介質(zhì)傳質(zhì)學(xué)的理論，采空區(qū)內(nèi)氧氣的質(zhì)量平衡方程為[14-15]：

式中：Qx、Qy、Qz為x、y、z方向上的漏風(fēng)強(qiáng)度分量，m/s；Dx、Dy、Dz為x、y、z方向上的氧氣擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；V（T）為某一時刻的耗氧速率，mol/（cm3·s）；V0（T）為新鮮風(fēng)流中的耗氧速率，mol/（cm3·s）；C為某一時刻的氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；C0為空氣中的氧氣體積分?jǐn)?shù)，%。

4.2 數(shù)值模型及邊界條件設(shè)定

設(shè)2202工作面長度為300 m，寬度為10 m，高度為6 m，采空區(qū)長度為300 m，進(jìn)、回風(fēng)巷的高為5 m，寬為5 m。在2202工作面回采和停采前，2201采空區(qū)長度為600 m，寬度為300 m，采用負(fù)壓通風(fēng)方式。2201和2202工作面采空區(qū)平均遺煤厚度為1.05 m，煤炭采出率為86%。沿空側(cè)采空區(qū)三維計算模型如圖5。

圖5 沿空側(cè)采空區(qū)三維計算模型Fig.5 Three-dimensional calculation model of the adjacent goaf

為了便于數(shù)值模擬計算，做出假設(shè)：松散煤體及采空區(qū)遺煤為均勻的、各向同性的多孔介質(zhì)，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流僅在破碎的煤巖體內(nèi)流動，模型部分參數(shù)見表3[16-18]。

表3 模型部分參數(shù)Table 3 Some parameters of the model

4.3 模擬結(jié)果

沿空側(cè)采空區(qū)模擬結(jié)果如圖6。

圖6 沿空側(cè)采空區(qū)模擬結(jié)果云圖Fig.6 Cloud diagram of the simulation results in the adjacent goaf

選取工作面回采時期的22#、24#、27#和停采前的42#、44#、46#鉆孔數(shù)據(jù)與沿空側(cè)采空區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比，數(shù)值模擬得到的氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)值略高于現(xiàn)場監(jiān)測氧氣體積分?jǐn)?shù)，其相對誤差分別約為3.8%和4.2%，模擬結(jié)果與監(jiān)測數(shù)據(jù)基本一致，證明了數(shù)值模型的可靠性。

由圖6可知，2202工作面回采期間，回風(fēng)隅角與沿空側(cè)采空區(qū)交匯位置處的氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，沿空側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加而遞減，這是由于漏風(fēng)風(fēng)流在采空區(qū)內(nèi)遇遺煤發(fā)生氧化反應(yīng)逐漸消耗氧氣，導(dǎo)致氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸減?。?202工作面停采前，回風(fēng)隅角與沿空側(cè)采空區(qū)位置交匯處的氧氣體積分?jǐn)?shù)仍然較高，且影響區(qū)域較回采期間的范圍有所擴(kuò)大，這是由于此時的保護(hù)煤柱逐漸減少導(dǎo)致應(yīng)力集中明顯，破碎程度加劇，漏風(fēng)裂隙增多。

在2202正常回采期間，沿空側(cè)2201采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)較大。在高度為1 m的切面上，2201采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)沿采空區(qū)深部呈擴(kuò)散狀態(tài)，沿空側(cè)采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)最遠(yuǎn)55 m范圍內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于8%；高度為3 m的切面上，氧氣沿采空區(qū)擴(kuò)散明顯，氧氣體積分?jǐn)?shù)區(qū)域的面積增大；高度為5 m的切面上，氧氣沿采空區(qū)深部擴(kuò)散更加明顯。隨著工作面回采，保護(hù)煤柱的裂隙多增加于煤柱上部，煤柱上部區(qū)域漏風(fēng)通道較下部增多。

在2202工作面停采前，高度為1 m的切面上，沿空側(cè)2201采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)較大。此時的工作面距離停采線只有300 m的距離，在2201采空區(qū)的停采線附近形成了低氧區(qū)域。沿空側(cè)采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)最遠(yuǎn)42 m范圍內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)高于8%；高度為3 m的切面上，氧氣體積分?jǐn)?shù)分布區(qū)域的面積增大。在高度為5 m的切面上，氧氣沿采空區(qū)深部擴(kuò)散更加突出，回風(fēng)隅角與沿空側(cè)采空區(qū)交匯位置處的氧氣體積分?jǐn)?shù)高達(dá)20%。

通過CFD-Post后處理軟件導(dǎo)出的2201采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)高1 m直線上的氧氣體積分?jǐn)?shù)示意圖如圖7。

圖7 2201采空區(qū)沿保護(hù)煤柱內(nèi)側(cè)高1 m直線上的氧氣體積分?jǐn)?shù)示意圖Fig.7 Schematic diagram of the oxygen volume fraction along the straight line with a height of 1 m inside the protective coal pillar in the 2201 goaf

根據(jù)煤自燃危險區(qū)域判別條件，沿空側(cè)采空區(qū)內(nèi)部氧氣體積分?jǐn)?shù)介于8%~18%，屬于煤自燃危險區(qū)域[19-20]。從圖7可以看出，營盤壕煤礦2202工作面回采過程中，2202工作面前部45 m至后部119 m寬55 m靠近煤柱側(cè)的狹長區(qū)域，該區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)介于8%~15%之間，屬于沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域。營盤壕煤礦2202工作面停采前，2202工作面前部63 m至后部107 m寬42 m靠近煤柱側(cè)的狹長區(qū)域，該氧氣體積分?jǐn)?shù)介于8%~16%之間，屬于沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域。

針對于沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域，2202工作面回采期間和停采前，需要對沿空側(cè)采空區(qū)進(jìn)行超前處理，降低其遺煤自燃的危險性。主要采取控制漏風(fēng)技術(shù)防治沿空側(cè)采空區(qū)遺煤自燃，采用對沿空側(cè)采空區(qū)分段注凝膠高分子材料，阻斷漏風(fēng)通道，降低沿空側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)量。同時，通過對沿空側(cè)巷道半斷面噴漿，進(jìn)風(fēng)隅角增設(shè)擋風(fēng)簾等措施，減少向本面及沿空側(cè)采空區(qū)的漏風(fēng)量，最終減小沿空側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)影響區(qū)域。

5 結(jié) 論

1）2202工作面回采時期，沿空側(cè)采空區(qū)測點氧氣體積分?jǐn)?shù)在10.1%~13.8%范圍內(nèi)，最高溫度不超過35°C。工作面停采前，測點氧氣體積分?jǐn)?shù)波動幅度較大且主要在10.3%~15%之間，最高溫度不超過36°C。

2）沿空掘巷工作面回風(fēng)隅角與沿空側(cè)采空區(qū)位置交匯處氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，且影響區(qū)域范圍逐漸增大，同時沿空側(cè)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著切面高度的增加而升高。

3）回采期間，沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域為2202工作面前部45 m至后部119 m寬55 m靠近煤柱側(cè)的狹長區(qū)域；停采前，沿空側(cè)采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域為2202工作面前部63 m至后部107 m寬42 m靠近煤柱側(cè)的狹長區(qū)域。