宋 博，王大鵬，李雨成，李治剛，劉安秀，劉紅威

(1.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西晉神沙坪煤業(yè)有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

煤自燃是煤礦生產(chǎn)過程中最常見的災(zāi)害之一，且我國礦井采空區(qū)遺煤自燃占井工開采煤自燃總數(shù)的60%，這不僅威脅著礦工生命安全和煤礦的生產(chǎn)安全，而且由煤自燃引發(fā)的爆炸等次生災(zāi)害危害更大[1-3]。因此，防止采空區(qū)自然發(fā)火對礦井火災(zāi)防治具有非常重要的意義[4-5]。

在淺埋藏煤層賦存條件下，煤層的開采受地質(zhì)條件等因素影響，常導(dǎo)致其采空區(qū)裂隙與上覆地表連通及由簡單一源一匯的二維模型變成了復(fù)雜的三維漏風(fēng)通道網(wǎng)，增加了采空區(qū)自然發(fā)火防治的困難。因此，研究多漏風(fēng)源對采空區(qū)遺煤自燃的影響對預(yù)防煤炭自然發(fā)火至關(guān)重要。文虎等[6]通過數(shù)值模擬對比分析了綜放工作面不同漏風(fēng)源位置對相鄰特厚煤層自燃“三帶”分布的影響，并以此來確定自燃區(qū)域的變化，保證工作面安全生產(chǎn)；高峰等[7]利用遙感、實測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，分析了漏風(fēng)裂隙對復(fù)合采空區(qū)滲流場分布的影響，并劃分出下部煤層開采時上覆采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域；邢震[8]采用數(shù)值計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法，研究了淺埋厚煤層條件下導(dǎo)氣裂隙采空區(qū)“三帶”的分布情況及不同工況下采空區(qū)O2濃度場、CO濃度場、溫度場和壓力場的分布規(guī)律；鄭忠亞等[9]以檸條塔煤礦為例，采用采動裂隙相似模擬實驗、SF6檢測技術(shù)、現(xiàn)場束管監(jiān)測及FLUENT數(shù)值模擬等多種監(jiān)測和應(yīng)用手段，綜合分析了淺埋煤層大采高綜采面采空區(qū)自燃危險區(qū)域。

針對淺埋藏自燃煤層開采過程中復(fù)雜漏風(fēng)源對采空區(qū)遺煤自燃的影響，學(xué)者們已經(jīng)做了大量的研究[10-11]，但由于各個礦井地質(zhì)條件和環(huán)境的差異性使得許多研究成果難以對現(xiàn)場遺煤自燃形成有效的防治措施。因此，本文在充分考慮淺埋藏煤層開采下覆巖裂隙發(fā)育的基礎(chǔ)上，利用數(shù)值計算、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方法，研究不同漏風(fēng)源對采空區(qū)自燃“三帶”分布的影響，以期準(zhǔn)確預(yù)測采空區(qū)遺煤自燃程度，為此類型煤層開采條件下自燃“三帶”分布的確定以及工作面的最小推進(jìn)速度提供數(shù)據(jù)支持。

1 采空區(qū)地表漏風(fēng)測定

沙坪煤礦1818工作面是淺埋藏煤層賦存條件下的“U”型后退式綜采，采用抽出式通風(fēng)方式，井下采空區(qū)漏風(fēng)受多種因素影響，利用SF6示蹤氣體開展地表和采空區(qū)的漏風(fēng)測試。

1.1 測定方案

從地面探測結(jié)果以及結(jié)合目前工作面推進(jìn)情況，選擇離工作面較近的采空區(qū)地表裂隙作為SF6氣體釋放源。在地表裂隙處插入1根0.03 m鋼管，通過鋼管和軟管一次性瞬時釋放10 kg的SF6氣體，同時選擇井下工作面回風(fēng)上隅角為接收地點(diǎn)，釋放點(diǎn)和接收點(diǎn)的垂直距離為129.83 m，直線距離為181.61 m。具體測點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 SF6釋放地點(diǎn)與檢測點(diǎn)布置示意

1.2 測定結(jié)果分析

在地表按照預(yù)定時間釋放SF6后，井下回風(fēng)隅角取樣點(diǎn)在釋放后每隔5 min采集1次示蹤氣體。整個取樣過程持續(xù)60 min左右，取樣點(diǎn)SF6濃度變化如圖2所示。由圖2可知，當(dāng)在地面釋放點(diǎn)釋放SF6氣體后，10 min時在取樣點(diǎn)首次檢測到SF6氣體(最短漏風(fēng)通道)，50 min時最后1次檢測到SF6氣體(最長漏風(fēng)通道)，而SF6濃度達(dá)到峰值時的累計時間是20 min(主要漏風(fēng)通道)。

圖2 SF6氣體濃度變化

由于裂隙通道是不規(guī)則的，氣體在裂隙通道的滲流軌跡不是直線的，因此，用取樣點(diǎn)到釋放點(diǎn)的距離X0與取樣點(diǎn)檢測到SF6的起始時間和濃度達(dá)到峰值時的累計時間T0，計算取樣點(diǎn)漏風(fēng)通道的漏風(fēng)風(fēng)速V，其計算結(jié)果見表1。

表1 地表漏風(fēng)風(fēng)速

上述現(xiàn)場測試分析發(fā)現(xiàn)1818采空區(qū)確實存在地表漏風(fēng)現(xiàn)象，漏風(fēng)風(fēng)速為0.06～0.30 m/s，主要漏風(fēng)通道的漏風(fēng)風(fēng)速為0.15 m/s。漏風(fēng)速度變化范圍較大，這表明漏風(fēng)通道多且復(fù)雜。

通過對井下進(jìn)、回風(fēng)巷的測試結(jié)果計算，得到工作面回風(fēng)巷的風(fēng)量為25.88 m3/s，進(jìn)風(fēng)巷的風(fēng)量為25.28 m3/s，即在負(fù)壓通風(fēng)下地表漏風(fēng)量約0.60 m3/s。為了準(zhǔn)確科學(xué)地得到地表漏風(fēng)下采空區(qū)自燃“三帶”范圍分布結(jié)果，需進(jìn)一步對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行模擬加以分析。

2 基于多漏風(fēng)源的采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

2.1 采場模型及邊界條件設(shè)置

根據(jù)1818綜采工作面實際情況構(gòu)建模型，如圖3所示。采用“U”形通風(fēng)方式，基于現(xiàn)場SF6示蹤氣體測試，證實采空區(qū)符合“兩源一匯”的漏風(fēng)情況，在采空區(qū)上覆地表和工作面進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置漏風(fēng)入口，地表漏風(fēng)通道邊界設(shè)置為速度入口，速度為0.15 m/s，進(jìn)風(fēng)巷邊界設(shè)置為速度入口，速度為1.22 m/s，回風(fēng)巷邊界設(shè)置為自由出口。如圖3所示，采空區(qū)模型500 m×216.5 m×70 m，工作面7.2 m×216.5 m×3.5 m，巷道5.4 m×3.5 m。

圖3 物理模型

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

為分析地表和工作面2個漏風(fēng)源共同作用對采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍的影響，選取工作面采空區(qū)水平高度y=1.5 m的平面O2濃度變化分布圖，如圖4所示，此處和現(xiàn)場采空區(qū)布置的束管水平高度一致。

圖4 有地表漏風(fēng)時采空區(qū)O2濃度變化

根據(jù)模擬結(jié)果平面圖可看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2濃度變化梯度較回風(fēng)側(cè)采空區(qū)小，距工作面同樣距離的采空區(qū)，由進(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)先減小后增大，散熱帶和氧化帶的寬度同樣也是由進(jìn)風(fēng)側(cè)至回風(fēng)側(cè)先變窄后變寬，這符合“O”型圈效應(yīng)下的采空區(qū)氣體分布特征[12]。進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度為42.0～140.5 m，中部采空區(qū)氧化帶寬度為19.0～78.0 m，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度為21.0～92.0 m。

為探究地表漏風(fēng)對采空區(qū)自燃區(qū)域的影響，模擬同樣工況條件下無地表漏風(fēng)的自燃“三帶”結(jié)果，如圖5所示。由圖5可看出，采空區(qū)的O2濃度分布情況同樣符合“O”型圈效應(yīng)下的采空區(qū)氣體分布特征[13]。進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度為39.1～103.2 m，中部采空區(qū)氧化帶寬度為14.0～52.4 m，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧化帶寬度為19.5～68.5 m。2種漏風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布結(jié)果見表2。

圖5 無地表漏風(fēng)時采空區(qū)O2濃度變化

由表2可知，有地表漏風(fēng)存在時，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)和中部的氧化帶最大寬度較單一工作面漏風(fēng)時分別增加了34.4，22.0，20.6 m，且沿采空區(qū)走向方向，單位距離O2濃度下降梯度減緩，自燃危險性增加。

表2 模擬采空區(qū)自燃“三帶”范圍分布

3 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測

3.1 自燃“三帶”測點(diǎn)布置

沙坪煤礦1818工作面采空區(qū)“三帶”利用JSG-7型自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)和人工取樣分析的方法進(jìn)行氣體檢測。監(jiān)測系統(tǒng)的采集探頭和束管傳輸如圖6所示。膠運(yùn)、回風(fēng)巷支架后部各鋪設(shè)直徑為8 mm的束管，兩巷束管采用鋼管或角鋼作保護(hù)套管，埋入采空區(qū)的束管管口取樣點(diǎn)處，用大塊矸石或木跺防護(hù)，以防止浮煤堵塞束管取樣口。另外，為防止采空區(qū)積水抽進(jìn)束管，束管的進(jìn)口處抬高1.5 m。

圖6 綜采面采空區(qū)自燃“三帶”觀測點(diǎn)布置

3.2 束管監(jiān)測自燃“三帶”劃分

按照O2濃度7%～18%為氧化帶的劃分指標(biāo)[14]，對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行分析劃分。分析得出采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)側(cè)自燃“三帶”范圍分布，見表3。

如表3所示，1818工作面現(xiàn)場監(jiān)測自燃“三帶”劃分結(jié)果，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)散熱帶<45.0 m，氧化帶45.0～145.4 m，窒息帶>145.4 m，氧化帶最大寬度100.4 m；回風(fēng)側(cè)采空區(qū)散熱帶<21.5 m，氧化帶21.5～94.2 m，窒息帶>94.2 m，氧化帶最大寬度72.7 m。

表3 實測采空區(qū)自燃“三帶”范圍分布

3.3 束管監(jiān)測自燃“三帶”分析

根據(jù)現(xiàn)場自然發(fā)火監(jiān)測系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)，對O2濃度和CO濃度進(jìn)行處理，并利用ORIGIN軟件分別將進(jìn)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)監(jiān)測到的各點(diǎn)O2濃度實際數(shù)據(jù)進(jìn)行多項式擬合處理，得到進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)的O2及CO隨采空區(qū)距工作面距離變化的濃度變化曲線，如圖7～8所示。由圖7可看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)隨工作面的推進(jìn)，O2濃度整體呈下降趨勢；而CO濃度變化趨勢呈“拱形”狀態(tài)，濃度先增大后減小。在距工作面45.0 m的采空區(qū)范圍內(nèi)(散熱帶)，O2濃度下降緩慢，CO濃度逐漸增加，這是因為此處采空區(qū)處于自然堆積區(qū)，孔隙率高，氣體流通較好，漏風(fēng)嚴(yán)重；在距工作面45.0～145.4 m的采空區(qū)范圍內(nèi)(氧化帶)，O2濃度持續(xù)下降且下降速率增大；而CO濃度在此階段出現(xiàn)了峰值，這是因為采空區(qū)遺煤的氧化增加了耗氧速率引起O2濃度下降速率增加，產(chǎn)生CO；同時由于此處采空區(qū)由自然堆積區(qū)向重新壓實區(qū)轉(zhuǎn)換，在工作面推進(jìn)之后采空區(qū)頂板壓實效果良好，孔隙率也逐漸降低，氣體流通受阻，耗氧無法及時補(bǔ)充，且遺煤氧化產(chǎn)生的CO也不易于擴(kuò)散到其他區(qū)域，此處采空區(qū)滿足良好的氧化環(huán)境促使遺煤發(fā)生氧化，從而產(chǎn)生更多的CO。因此，該范圍是自然發(fā)火預(yù)防和治理的重點(diǎn)區(qū)域。

圖7 進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2，CO濃度變化示意

回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2，CO濃度變化如圖8所示，回風(fēng)側(cè)采空區(qū)隨工作面的推進(jìn)，O2濃度整體呈下降趨勢，且下降速率明顯高于進(jìn)風(fēng)側(cè)；CO濃度變化趨勢呈“錐形”狀態(tài)，濃度先增大后減小。在距工作面21.5 m的采空區(qū)范圍內(nèi)(散熱帶)，O2濃度下降緩慢，CO濃度增加速率較快，這是因為此處采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，一部分源自遺煤

圖8 回風(fēng)側(cè)采空區(qū)O2，CO濃度變化

氧化一部分源自風(fēng)流攜帶的進(jìn)風(fēng)側(cè)遺煤氧化的結(jié)果。在距工作面21.5～94.2 m的采空區(qū)范圍內(nèi)(氧化帶)，O2濃度持續(xù)下降且下降速率有所增大，CO濃度在此階段出現(xiàn)了峰值，而且O2濃度單位距離下降速率和CO濃度單位距離增加速率相對于進(jìn)風(fēng)側(cè)都偏大，這是因為一方面采空區(qū)遺煤的氧化增加了耗氧產(chǎn)生CO，另一方面，回風(fēng)側(cè)相對漏風(fēng)量較小，耗氧無法及時補(bǔ)充，而且風(fēng)流攜帶的進(jìn)風(fēng)側(cè)遺煤氧化產(chǎn)生的氣體加劇了這一結(jié)果。

此外，進(jìn)回風(fēng)側(cè)的O2濃度隨著工作面的推進(jìn)，在整體遞減的同時下降速率逐漸增加，這是由于采空區(qū)存在橫三區(qū)劃分下孔隙率逐漸遞減的規(guī)律[15]。因此，隨距工作面距離的增加，采空區(qū)CO濃度變化梯度也逐漸增大。這一結(jié)果也印證了相比于工作面單一漏風(fēng)源，有地表漏風(fēng)存在時，采空區(qū)氧化帶最大寬度有所增加，自燃危險性加大。

4 結(jié)果與討論

4.1 自燃“三帶”分布的模擬和現(xiàn)場對比

為了驗證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，針對模擬和現(xiàn)場監(jiān)測的自燃“三帶”分布結(jié)果進(jìn)行對比分析，見表4。

表4 模擬和現(xiàn)場自燃“三帶”范圍分布對比

分別對模擬結(jié)果和現(xiàn)場監(jiān)測分析得出的采空區(qū)自燃“三帶”分布進(jìn)行比較，二者氧化帶起始位置、最大寬度和結(jié)束位置的相對誤差都不超過7%，說明模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測分析獲取的采空區(qū)自燃“三帶”分布非常接近，該結(jié)果對此類型煤層開采條件下自燃“三帶”的確定具有一定的指導(dǎo)意義。

4.2 最小推進(jìn)速度的確定

掌握綜采工作面回采過程中最小安全推進(jìn)速度，對煤礦安全生產(chǎn)具有重要意義。影響最小安全推進(jìn)速度的因素不僅與本煤層的自然發(fā)火期有關(guān)，還與工作面氧化帶寬度有關(guān)。通過現(xiàn)場監(jiān)測和模擬得到的綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”的范圍分布結(jié)果可知，氧化帶極限最大寬度Lmax=max{L}=100.4 m，而且本煤層自然發(fā)火期為81 d。根據(jù)氧化帶的極限最大寬度和自然發(fā)火期可以確定1818綜采面回采時的最小安全推進(jìn)速度如式(1)[16]：

(1)

式中：vmin為最小安全推進(jìn)速度，m/d；Lmax為綜采面采空區(qū)氧化帶極限最大寬度，100.4 m；t為本煤層自然發(fā)火期，81 d。

由式(1)計算出工作面最小安全推進(jìn)速度為1.24 m/d，因此，正常生產(chǎn)情況下，當(dāng)工作面推進(jìn)速度v≥1.24 m/d時，采空區(qū)自然發(fā)火的危險性較低，注意安全預(yù)防即可；相反當(dāng)工作面連續(xù)超過81 d平均推進(jìn)速度v<1.24 m/d時，采空區(qū)自然發(fā)火的危險性較高，應(yīng)當(dāng)采取必要的防滅火措施。

5 結(jié)論

1)利用SF6示蹤法對1818工作面地表漏風(fēng)進(jìn)行現(xiàn)場測試，結(jié)果顯示地表漏風(fēng)風(fēng)速為0.06～0.30 m/s，漏風(fēng)速度變化范圍較大，漏風(fēng)通道多且復(fù)雜。

2)通過數(shù)值模擬分析，相比于工作面單一漏風(fēng)源，有地表漏風(fēng)存在時，采空區(qū)氧化帶最大寬度有所增加，單位距離O2濃度下降梯度減緩，自燃危險性加大。

3)對比分析模擬結(jié)果和現(xiàn)場實測結(jié)果，采空區(qū)自燃“三帶”分布基本一致，依據(jù)這一結(jié)果限定工作面最小推進(jìn)速度為1.24 m/d。