孫廣京，何鋮茂，李乃祿，陳成果，范會峰，秦志華

（1.貴州六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553000；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037；3.彬縣水簾洞煤炭有限責(zé)任公司，陜西 咸陽 712000；4.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710000）

近年來，關(guān)于采空區(qū)煤自燃火災(zāi)隱患分析及防治技術(shù)，相關(guān)學(xué)者已做了大量研究[1-3]。漏風(fēng)是引起采空區(qū)煤自燃的主要原因之一[4-6]。受工作面采掘活動、煤層賦存復(fù)雜地質(zhì)條件、大氣參數(shù)變化等因素的影響，采空區(qū)周邊距離工作面本層、層間、地表等多個區(qū)域風(fēng)阻的變化導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)外壓能分布不均，存在漏風(fēng)壓差，多空隙介質(zhì)環(huán)境下遺煤不斷氧化升溫引起自然發(fā)火。當(dāng)前主要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場觀測相結(jié)合的方法開展研究，通過建立有限元數(shù)學(xué)模型，利用數(shù)值模擬的手段分析采空區(qū)漏風(fēng)流場[7-9]。在采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)場觀測方面，利用瞬時釋放法在風(fēng)源位置持續(xù)釋放示蹤氣體，對可能漏風(fēng)點進(jìn)行取樣，通過檢測風(fēng)流中示蹤氣體含量，分析漏風(fēng)通道，估算最小漏風(fēng)速度與漏風(fēng)量，結(jié)合現(xiàn)場實際條件確定煤自燃隱患程度和位置[10-11]。在采空區(qū)煤自燃隱患防控方面，以“減少采空區(qū)漏風(fēng)、降低采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)”為預(yù)防原則開展預(yù)防。厚煤層綜放開采遺煤量大，采空區(qū)周邊煤柱破碎嚴(yán)重，當(dāng)本煤層內(nèi)存在老采空區(qū)時，工作面推進(jìn)會增加本煤層內(nèi)采空區(qū)周邊裂隙導(dǎo)通，造成本面采空區(qū)和煤層內(nèi)采空區(qū)貫通，形成復(fù)合采空區(qū)。工作面在不同采掘階段，煤層覆巖采動裂隙時空演化規(guī)律不明確，漏風(fēng)規(guī)律極為復(fù)雜，煤自燃隱患區(qū)域辨識難度大，難以做到采空區(qū)煤自燃隱患的有效防治[12-14]。為此，采用現(xiàn)場測定與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，在分析厚煤層綜放開采條件下工作面透采空區(qū)各流場之間耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上，以水簾洞煤礦大巷煤柱（北）綜放工作面為對象，開展采空區(qū)漏風(fēng)觀測和規(guī)律研究，提出基于“惰化平衡”的厚煤層透采空區(qū)煤自燃防控技術(shù)思路，為復(fù)雜環(huán)境條件下采空區(qū)煤自燃隱患超前預(yù)控工作提供新方法。

1 工作面概況

水簾洞煤礦為高瓦斯礦井，當(dāng)前開采4#煤屬Ⅰ類易自燃煤層，絕對瓦斯涌出量23.5 m3/min。其中大巷煤柱（北）綜放工作面位于+770 水平大巷煤柱北部，西鄰ZF2801 工作面采空區(qū)，北部為北十一巷、北十二巷周邊老采空區(qū)。工作面運(yùn)輸巷長為335 m，回風(fēng)巷長為360 m，工作面設(shè)計長度為170 m，煤層總體南高北低。根據(jù)歷史資料顯示，北十二巷沿本煤層底板由東向西以房柱法開采并遺留多個老采空區(qū)，其寬度約2～4 m，長度約100～150 m。工作面布置如圖1。

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

本煤層內(nèi)多個采空區(qū)層位復(fù)雜，結(jié)合回風(fēng)巷探查鉆孔初步探明本煤層至少存在7 個采空區(qū)。采空區(qū)間保護(hù)煤柱長期承壓，破碎嚴(yán)重，裂隙導(dǎo)通性良好。工作面運(yùn)輸巷由于揭露北十二老巷，破壞老舊木棚支護(hù)，空洞顯露，巷幫嚴(yán)重破碎且頂板破裂?；仫L(fēng)巷掘進(jìn)期間，為探測煤層中采空區(qū)位置，實施探查鉆孔，在地應(yīng)力的作用下使周邊產(chǎn)生裂隙，鉆孔裂隙與保護(hù)煤柱裂隙相連形成一片漏風(fēng)通道。當(dāng)切眼貫通形成負(fù)壓通風(fēng)后，漏風(fēng)風(fēng)流通過裂隙在煤層內(nèi)采空區(qū)之間運(yùn)移，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度升高，煤自燃危險程度加劇，高濃度瓦斯在采空區(qū)積聚。

2 采空區(qū)漏風(fēng)通道測定

2.1 測定方案

利用SF6示蹤氣體法測定本煤層內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)通道。試驗儀器主要包括：SF6氣瓶、減壓閥、流量計、負(fù)壓采樣器、球膽和氣相色譜儀等。采用連續(xù)定量釋放法，即在釋放點連續(xù)釋放一定數(shù)量的SF6氣體，在采樣點處取樣分析（間隔2～5 min 開始取樣），通過分析氣樣中SF6氣體體積分?jǐn)?shù)確定釋放點與采樣點之間的裂隙導(dǎo)通性。在運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷相應(yīng)位置設(shè)立7 個氣體監(jiān)測鉆孔，設(shè)立2 個氣體釋放鉆孔并預(yù)埋束管。氣體監(jiān)測鉆孔參數(shù)見表1。

表1 氣體監(jiān)測鉆孔參數(shù)Table 1 Gas monitoring borehole parameters

2.2 漏風(fēng)通道確定

氣體釋放人員到達(dá)預(yù)定位置，開始釋放SF6氣體，流量為60 mL/min，連續(xù)釋放5 min。釋放后進(jìn)行氣樣采集工作逐點采氣，分析采集氣樣中的SF6氣體體積分?jǐn)?shù)。測點布置圖如圖2，采樣檢測結(jié)果見表2。

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

表2 采樣檢測結(jié)果Table 2 Sampling test results

由表2 可知：①當(dāng)在運(yùn)輸巷距切眼300 m 位置處釋放SF6氣體時（試驗Ⅰ），1#～7#鉆孔均未檢測到SF6存在，表明該位置煤體裂隙發(fā)育小，與各采樣點之間不存在漏風(fēng)通道，SF6僅在鉆孔內(nèi)部積聚，未向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移；②在運(yùn)輸巷距切眼50 m 位置處釋放SF6氣體時（試驗Ⅱ），除6#、7#鉆孔外，1#鉆孔（運(yùn)輸巷距切眼200 m）～5#鉆孔（回風(fēng)巷距切眼100 m）均檢測到SF6，表明6#、7#鉆孔（回風(fēng)巷距切眼150、200 m）深部煤體裂隙發(fā)育小，與各采樣點之間不存在漏風(fēng)通道。

2.3 現(xiàn)場氣體觀測

鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)如圖3。由圖3 可知，同一時期內(nèi)，回風(fēng)巷側(cè)7#鉆孔（距切眼200 m）內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)最低，而CH4的體積分?jǐn)?shù)則達(dá)到最大，表明7#鉆孔處煤體裂隙發(fā)育極低，巷道向內(nèi)漏風(fēng)量較低。2#鉆孔（距切眼100 m）O2體積分?jǐn)?shù)極大，且CH4體積分?jǐn)?shù)較小，表明該處裂隙較大，漏風(fēng)明顯?；仫L(fēng)巷內(nèi)3#鉆孔（距切眼50 m）內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)較運(yùn)輸巷2#鉆孔驟減，CH4體積分?jǐn)?shù)則保持較高水平，表明切眼向外50 m 范圍裂隙煤體區(qū)漏風(fēng)量?。浑S著到切眼距離的增加，4#、5#鉆孔（距切眼70 m、100 m）O2體積分?jǐn)?shù)變大，此處煤體裂隙貫通，漏風(fēng)明顯。運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷距離切眼200 m 位置煤體漏風(fēng)小，回風(fēng)巷距切眼50～100 m 范圍漏風(fēng)明顯。

圖3 工作面開切眼期間各鉆孔氣體體積分?jǐn)?shù)Fig. 3 Gas volume fraction of each borehole during the opening of the working face

3 采空區(qū)漏風(fēng)流場模擬分析

3.1 數(shù)值模型

基本假設(shè)：①采空區(qū)幾何模型簡化為僅有垮落帶的矩形幾何體，空隙率為空間位置的函數(shù)；②采空區(qū)內(nèi)氣體為不可壓縮氣體，遵循非線性滲流定律。

1）質(zhì)量守恒方程。

式中：ρ 為氣體密度，kg/m3；vx、vy、vz為x、y、z 方向速度，m/s；t 為流動時間，s。

2）動量守恒方程。

式中：u 為速度矢量，m/s；I 為單位張量；p 為壓力，Pa；F 為體積力，N/m3。

3）理想氣體狀態(tài)方程。

式中：p 為壓力，Pa；M 為氣體摩爾質(zhì)量，g/mol；R 為理想氣體常數(shù)，8.314 J/（mol·K）；T 為溫度，K。

3.2 幾何模型及邊界條件

根據(jù)SF6示蹤氣體漏風(fēng)測定試驗，并結(jié)合工作面周邊老采空區(qū)物探結(jié)果，設(shè)定本模型距切眼200 m 以內(nèi)范圍為采空區(qū)區(qū)域，各采空區(qū)之間存在裂隙，其幾何參數(shù)見表3。本模型實際設(shè)定采高3.5 m，采空區(qū)垮落帶高10 m，運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷寬度為5 m。

表3 采空區(qū)幾何參數(shù)Table 3 Geometric parameters of goaf

運(yùn)輸巷入口面設(shè)為inlet，空氣流速0.8 m/s，回風(fēng)巷出口面設(shè)為outlet，為自然出流，模型內(nèi)部面設(shè)為interior，其余面設(shè)為wall，實體煤區(qū)域為固體。裂隙煤體區(qū)設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域，孔隙率為0.001。采空區(qū)為多孔介質(zhì)，其遺煤區(qū)域設(shè)置氧氣消耗源項，空隙率和滲透率依據(jù)經(jīng)驗方程進(jìn)行設(shè)定[15]，并在Fluent中進(jìn)行UDF 編譯。

本模型使用六面體網(wǎng)格法劃分網(wǎng)格，其中采空區(qū)垮落帶區(qū)域網(wǎng)格尺寸1 m，裂隙煤體區(qū)網(wǎng)格加密0.1 m，網(wǎng)格總數(shù)120 萬，網(wǎng)格平均質(zhì)量1。

3.3 采空區(qū)漏風(fēng)流場

工作面初采期間周邊采空區(qū)O2滲流場如圖4。

圖4 工作面初采期間周邊采空區(qū)O2 滲流場Fig.4 O2 seepage field in surrounding goaf during initial mining of working face

由圖4（a）可知，當(dāng)工作面切眼貫通后，形成全負(fù)壓通風(fēng)，巷道風(fēng)流大量漏入本煤層內(nèi)采空區(qū)，受回風(fēng)巷一側(cè)卸壓鉆孔、瓦斯抽采鉆孔等孔周裂隙場影響，漏風(fēng)風(fēng)流由運(yùn)輸巷向回風(fēng)巷運(yùn)移。其中切眼向外100 m 范圍采空區(qū)氧氣最遠(yuǎn)滲流至回風(fēng)巷側(cè)，形成東西走向貫通性漏風(fēng)，此范圍內(nèi)最小O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%，切眼向外100～200 m 范圍內(nèi)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)則呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

由圖4（b）可知，隨著高度的增加，采空區(qū)同一位置處O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減小，其主要原因為采空區(qū)冒落帶上覆巖層空隙率小，O2滲流較為困難。

由圖4（c）可知，各采空區(qū)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨其深度的增加逐漸遞減，且采空區(qū)O2擴(kuò)散程度隨距切眼距離的增加而逐漸減小，其中運(yùn)輸巷端頭近切眼處O2擴(kuò)散的范圍明顯大于回風(fēng)側(cè)。

3.4 采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域

結(jié)合采空區(qū)遺煤自燃危險性劃分標(biāo)準(zhǔn)[16]：氧氣體積分?jǐn)?shù)介于8%～18%為煤自燃氧化帶，由此確定大巷煤柱（北）工作面初采期間周邊大面積采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域如圖5。

圖5 工作面初采期間周邊大面積采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域Fig.5 Coal spontaneous combustion dangerous area in surrounding large goaf during initial mining of working face

由圖5 可知，切眼向外約125 m 范圍為煤自燃危險區(qū)域，切眼向外50 m 范圍內(nèi)危險區(qū)域由運(yùn)輸巷向回風(fēng)巷最大延伸約100 m，此區(qū)域應(yīng)為大巷煤柱（北）綜放工作面初采期間周邊大面積采空區(qū)氣體運(yùn)移重點防控區(qū)域。

4 采空區(qū)煤自燃防控方法

4.1 工作面開切眼時期煤自燃防控方法

工作面切眼貫通后本煤層內(nèi)采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，內(nèi)部O2、CO、CH4等氣體呈現(xiàn)復(fù)雜運(yùn)移特征，形成煤自燃危險區(qū)域。因此，對重點防控區(qū)域以注氮氣惰化平衡為主，兩巷道巷幫噴漿和采空區(qū)壓注水玻璃凝膠隔離為輔。工作面開切眼期間煤自燃防控方法如圖6。

圖6 工作面開切眼期間煤自燃防控方法Fig.6 Prevention and control method of coal spontaneous combustion during open-off cut of working face

4.1.1 封閉式氮氣惰化

根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)情況，設(shè)計的注氮各參數(shù)為：①Q(mào)0：大面積采空區(qū)總漏風(fēng)量，約8.3 m3/min；②C1：大面積采空區(qū)氧化帶平均氧氣體積分?jǐn)?shù)，約13%；③C2：惰化防火指標(biāo)氧氣體積分?jǐn)?shù)，為8%；④CN：注入氮氣體積分?jǐn)?shù)，約98%；⑤p2：輸?shù)苣┒嗽O(shè)計壓力，0.1 MPa；⑥Qmax：最大輸?shù)浚? 000 m3/h；⑦D0：主輸?shù)苈饭軓剑?00 mm；⑧Di：支管路管徑，150 mm；⑨Li：輸?shù)嚯x，32 00 m。大巷煤柱（北）工作面周邊采空區(qū)注氮流量約600 m3/h，輸?shù)獕毫?.36 MPa。對運(yùn)輸巷距切眼50、100 m 2 處位置附近施工注氮鉆孔，孔深20 m，單孔壓注流量300 m3/h。

4.1.2 多鉆孔連續(xù)壓注凝膠

將礦井黃泥灌漿管路改造為水玻璃凝膠管路，在運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷分別形成1 套注膠系統(tǒng)，即2 臺雙液泵、4 路直徑25 mm 注膠管路，保障兩巷道水玻璃流量為25～50 m3/d。運(yùn)輸巷內(nèi)1 路注膠管路分別對距切眼100、200 m 位置進(jìn)行小流量壓注；回風(fēng)巷每隔50 m 設(shè)計注膠孔，壓注水玻璃凝膠分為普注、加固，普注量為25～50 m3/d，壓注凝膠量以返漿為準(zhǔn)，使運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷間老采空區(qū)形成部分大面積隔離帶，封堵漏風(fēng)。

4.1.3 多鉆孔氣體監(jiān)測

利用前期在運(yùn)輸巷與回風(fēng)巷設(shè)立7 個束管監(jiān)測鉆孔，監(jiān)測采空區(qū)氣體涌出量變化情況如圖7。

圖7 工作面開切眼期間各監(jiān)測鉆孔氣體分布Fig.7 Gas distribution of each monitoring boreholeduring open-off cut of the working face

開采初期主要對切眼東段已揭露采空區(qū)和后部采空區(qū)進(jìn)行治理，兩巷道巷幫噴漿，各監(jiān)測鉆孔氧氣體積分?jǐn)?shù)均保持較高水平，且1#、2#、4#鉆孔均檢測到CO，其中4#鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)高達(dá)70×10-6，表明回風(fēng)巷距切眼70 m 位置煤自燃隱患較大。隨后對運(yùn)輸巷一側(cè)采空區(qū)壓注氮氣惰化，回風(fēng)巷一側(cè)壓注水玻璃凝膠堵漏，各監(jiān)測鉆孔氧氣體積分?jǐn)?shù)開始降低，且CH4體積分?jǐn)?shù)開始逐漸上升，CO 體積分?jǐn)?shù)大幅下降。

4.2 工作面過采空區(qū)時期煤自燃防控方法

工作面過采空區(qū)時期煤自燃防控方法如圖8。

圖8 工作面過采空區(qū)期間煤自燃防控措施Fig.8 Prevention and control measures for coal spontaneous combustion during working face passing through goaf

針對本面后部采空區(qū)，可在進(jìn)回風(fēng)隅角埋設(shè)束管，每天對該區(qū)域氣體進(jìn)行取樣分析，兩端頭懸掛擋風(fēng)簾，巷道覆蓋長度20 m，每隔10 m 構(gòu)筑1 道爐渣袋墻，每隔50 m 構(gòu)筑2 道間距1 m 隔離墻，及時對間距內(nèi)注漿、壓注膠體；兩巷道自切眼起每隔15 m，在工作面端頭施工1 道爐渣袋隔離墻。工作面回采期間，在采區(qū)通風(fēng)系統(tǒng)發(fā)生變化時，及時測定和調(diào)整工作面的風(fēng)量，減少采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)范圍和漏風(fēng)量。

針對本煤層采空區(qū)，可持續(xù)對已探明采空區(qū)壓注高分子充填材料；利用地面二氧化碳罐車通過二氧化碳蒸發(fā)器連接井下注氮管路對其間歇性壓注液態(tài)CO2，降低采空區(qū)煤自燃高溫隱患，保持內(nèi)部氣體平衡。

工作面過采空區(qū)期間各監(jiān)測鉆孔氣體分布如圖9。

由圖9 可知，在回采前期，各鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)均逐漸上升，CH4體積分?jǐn)?shù)均逐漸降低，表明工作面采動增大了各采空區(qū)之間裂隙，導(dǎo)致漏風(fēng)增加。其中1#（運(yùn)輸巷距切眼200 m）、5#（回風(fēng)巷距切眼100 m）鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)開始增加，表明此兩處位置漏風(fēng)嚴(yán)重，該兩處采空區(qū)破碎煤體出現(xiàn)低溫氧化現(xiàn)象。隨著回采中加大實施注氮氣、注凝膠等防滅火作業(yè)，各鉆孔O2體積分?jǐn)?shù)開始下降，CH4體積分?jǐn)?shù)保持平衡，1#、5#鉆孔CO 體積分?jǐn)?shù)開始降低。

圖9 工作面過采空區(qū)期間各監(jiān)測鉆孔氣體分布Fig.9 Gas distribution of each monitoring borehole during the working face passing through the goaf

4.3 工作面停采時期煤自燃防控方法

工作面停采撤面時期通過隅角設(shè)煤垛墻、氣體監(jiān)測、注氮和注膠等“惰化平衡”措施，對采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域超前防控[17]，具體措施如下。

1）停采前分別在兩巷端頭距終采線30、15、5 m的進(jìn)回風(fēng)隅角各施工1 道3 m 煤垛墻，墻內(nèi)埋設(shè)注氮管路、監(jiān)測束管。

2）調(diào)整好架間距，每3 個架間必須確保有2 個架間留設(shè)間隙能正常施工防滅火鉆孔。

3）停采撤面時，調(diào)整工作面風(fēng)量至400 m3/min。

4）兩巷采空區(qū)隔離墻垛內(nèi)留設(shè)注膠管路、監(jiān)測束管，兩端頭及運(yùn)輸巷的隔離墻間壓注膠體，防治端頭漏風(fēng)。

5）停采撤面后，采空區(qū)注膠體，對重點區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)注。

6）長短孔結(jié)合預(yù)防架頂煤體自燃，在進(jìn)風(fēng)隅角（前刮板輸送機(jī)機(jī)頭）絞車硐室內(nèi)，向20#至40#架頂施工長距離大孔徑鉆孔，進(jìn)行注漿堵漏。

5 結(jié) 語

1）切眼向外200 m 范圍內(nèi)本煤層采空區(qū)之間存在明顯漏風(fēng)裂隙，運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷距離切眼200 m位置煤體漏風(fēng)小，回風(fēng)巷距切眼50～100 m 范圍漏風(fēng)明顯。

2）工作面切眼貫通，運(yùn)輸巷一側(cè)漏風(fēng)流通過本煤層內(nèi)采空區(qū)裂隙向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移，且采空區(qū)內(nèi)O2質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨距切眼距離的增加而逐漸減小，切眼向外約100 m 范圍為本煤層采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域。

3）建立基于惰化平衡的煤自燃防控方法，對工作面在開切眼、過采空區(qū)、停采期間進(jìn)行噴漿、注凝膠和注氮氣，使得本煤層采空區(qū)內(nèi)O2與CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，保障了工作面的安全回采。