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(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.華晉焦煤有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033000；3.陜西山利科技發(fā)展有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

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

關(guān)于采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”的研究，主要集中不同“三帶”劃分條件、不同通風(fēng)方式、特殊開采條件下“三帶”變化規(guī)律與分布規(guī)律探索。姜延航等[5]研究了“一面四巷”采空區(qū)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(shù)和溫度梯度的采空區(qū)煤自然發(fā)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(qū)煤自燃危險區(qū)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(qū)“三帶”分布范圍進行了研究；GUO 等[8]基于O2和CO 體積分數(shù)研究了非參數(shù)核密度估計的采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分方法；張勛等[9]研究了調(diào)壓通風(fēng)條件下的復(fù)合采空區(qū)“三帶”變化規(guī)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(qū)煤自燃“三帶”的變化；黃帆等[11]、張子軍等[12]數(shù)值模擬研究了不同煤層賦存條件下的采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域分布規(guī)律；宋博等[13]、HU 等[14]采用數(shù)值模擬研究了不同漏風(fēng)條件下采空區(qū)煤自然發(fā)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(shù)值模擬，研究了煤層再生頂板漏風(fēng)和氧氣體積分數(shù)變化規(guī)律，劃定了煤層再生頂板自燃危險區(qū)域；LI 等[17]研究了留巷法開采的U+L 通風(fēng)采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布。隨著開采深度及規(guī)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(xiàn)無煤柱高效開采；但隨著2 條留巷的形成，增加了采空區(qū)的暴露面積，這也加劇了采空區(qū)的漏風(fēng)，使采空區(qū)煤自燃防控的難度增大。目前關(guān)于雙巷切頂成巷開采工藝下采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布的研究尚少，為此，基于現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬相結(jié)合的方式開展雙切頂留巷采空區(qū)煤自然發(fā)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(fēng)方式工作面采空區(qū)煤自燃防控提供參考。

1 數(shù)學(xué)模型構(gòu)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(qū)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(fēng)巷，4502 運輸巷為輔助進風(fēng)巷。為保留4502 軌道巷通風(fēng)系統(tǒng)，在4502工作面切眼東側(cè)留設(shè)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(fēng)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(shè)

采空區(qū)是垮落煤巖體組成的多孔介質(zhì)區(qū)域，外界空氣隨著工作面漏風(fēng)進入采空區(qū)形成采空區(qū)風(fēng)流場[19]?？諝庠诓煽諈^(qū)內(nèi)部的流動極其復(fù)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(qū)流場做出以下假設(shè)：

1）采空區(qū)內(nèi)的巖石及殘煤隨機分布，近似認為采空區(qū)內(nèi)多孔介質(zhì)為各向同性。

2）采空區(qū)內(nèi)的氣體均視為理想不可壓縮氣體，其流動符合線性滲流規(guī)律。

3）不考慮溫度的變化，采空區(qū)內(nèi)各氣體之間無化學(xué)反應(yīng)。

1.3 采空區(qū)流場數(shù)學(xué)模型

在回采過程中，主進風(fēng)巷、工作面、補巷、輔助進風(fēng)巷構(gòu)成自由流動區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)新鮮風(fēng)流由主進風(fēng)巷及輔助進風(fēng)巷流入，流經(jīng)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(shù)，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(fēng)流在流經(jīng)工作面及留巷時會產(chǎn)生向采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，氣體在采空區(qū)內(nèi)的流動規(guī)律可用Brinkman 方程來描述，其表達式為：

式中：ε為孔隙率。

隨著風(fēng)流不斷進入采空區(qū)形成風(fēng)流場，引起采空區(qū)內(nèi)氣體的擴散，達到1 個動態(tài)平衡，該動態(tài)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(shù)，一般取常數(shù)；C為擴散物質(zhì)的體積濃度，mol/m3；t為擴散時間，s。

多孔介質(zhì)的孔隙率與滲透率是研究多孔介質(zhì)內(nèi)氣體擴散規(guī)律極為重要的參數(shù)?；凇癘”形圈理論，采空區(qū)的孔隙率變化特征可表示為[20]：

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

采空區(qū)滲透率的大小主要取決于孔隙率及采空區(qū)內(nèi)巖石及殘煤粒度的大小[21]：

式中：k為采空區(qū)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(qū)煤自然發(fā)火“三帶”現(xiàn)場監(jiān)測過程中監(jiān)測范圍為距離初始切眼100～300 m 范圍，因此，為了與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果形成對比與驗證，此處模擬建立幾何模型的采空區(qū)尺寸設(shè)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(qū)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(fēng)流流向方向為y軸正方向，z軸正方向為垂直底板向上，構(gòu)建采空區(qū)幾何模型。

在自由流場中，進風(fēng)巷入口為速度邊界，根據(jù)沙曲一礦的通風(fēng)實際情況，軌道巷與運輸巷入口速度分別設(shè)置為2.35 m/s 和0.275 m/s，在采空區(qū)流場中，進風(fēng)巷的入口為體積分數(shù)邊界，空氣體積分數(shù)為1，切眼的出口為流出邊界，采空區(qū)的孔隙率及滲透率取值由式（4）和式（5）得出，其他參數(shù)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(shù)：1.9×10-5m2/s；⑤瓦斯擴散系數(shù)：1×10-5m2/s；⑥溫度：293.15 K。

2 采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”現(xiàn)場觀測

2.1 采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”現(xiàn)場監(jiān)測方法

由于4502 工作面采用雙切頂成巷，故此，束管監(jiān)測采用兩巷留巷側(cè)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(shè)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(qū)端頭設(shè)置透氣孔。在采空區(qū)分段布置3 個監(jiān)測“三帶”的采樣點，每個采樣點之間相距50 m。當(dāng)采樣點進入采空區(qū)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(jié)束，4502 工作面采空區(qū)測點布置示意圖如圖2。

圖2 4502 工作面采空區(qū)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(qū)自然發(fā)火“三帶”監(jiān)測結(jié)果

在鋪設(shè)束管時，工作面已回采100 m，根據(jù)現(xiàn)場情況，在束管鋪設(shè)過程中，運輸留巷束管監(jiān)測點編號分別為1#、2#和3#，軌道留巷束管監(jiān)測點編號分別為4#、5#和6#。1#和4#束管插入采空區(qū)3 m，2#和5#束管插入采空區(qū)10 m，3#和6#束管插入采空區(qū)20 m。最終在現(xiàn)場正常取得氣樣結(jié)果的是1#、2#、4#和5#監(jiān)測點，采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”監(jiān)測結(jié)果如圖3。

圖3 采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”監(jiān)測結(jié)果Fig.3 Monitoring results of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf

從圖3（a）中監(jiān)測點溫度數(shù)據(jù)可知：采空區(qū)幾個監(jiān)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(cè)采空區(qū)溫度高于軌道留巷側(cè)采空區(qū)溫度，這主要是因為軌道留巷回風(fēng)量遠大于運輸留巷，煤氧化產(chǎn)生的溫度被分流帶走，整體上溫度更低，并且距離留巷側(cè)越近，溫度整體更低。從圖3（b）中數(shù)據(jù)分析可知：隨著工作面回采，采空區(qū)氧氣體積分數(shù)逐漸降低，整體上運輸巷相對于軌道巷氧氣體積分數(shù)下降速度更快。

根據(jù)氧氣體積分數(shù)7%～18%的劃分標(biāo)準確定采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”，現(xiàn)場監(jiān)測得出的煤自然發(fā)火“三帶”結(jié)果見表1。

表1 采空區(qū)不同監(jiān)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(cè)采空區(qū)3 m范圍內(nèi)沒有窒息帶，運輸留巷側(cè)采空區(qū)深度72 m以后即是氧化帶，軌道留巷側(cè)在采空區(qū)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(cè)10 m 左右的采空區(qū)存在明顯的煤自然發(fā)火“三帶”，運輸留巷側(cè)氧化帶范圍在58～86 m，軌道留巷側(cè)氧化帶范圍在89～112 m。

3 雙切頂留巷采空區(qū)“三帶”分布特征

3.1 模擬結(jié)果分析

雙巷切頂成巷開采工藝的通風(fēng)方式屬于“兩進兩回”H 型通風(fēng)。采用COMSOL Multiphysics 軟件開展數(shù)值模擬研究，依據(jù)模擬設(shè)置，4502 工作面采空區(qū)內(nèi)氣體流場分布如圖4。

圖4 4502 工作面采空區(qū)內(nèi)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(fēng)區(qū)域主要為4502 切眼，但采空區(qū)內(nèi)風(fēng)流方向有著明顯差異；4502 工作面采用H 型通風(fēng)方式，軌道留巷連接補巷，風(fēng)流匯流后由4 503 工作面切眼流出，漏風(fēng)區(qū)域包含整個工作面，風(fēng)流主要由4502 軌道巷隅角漏入采空區(qū)，采空區(qū)內(nèi)大部分風(fēng)流由運輸留巷漏出，少部分風(fēng)流由軌道留巷漏出。

采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)流場分布影響采空區(qū)氧氣的分布，以采空區(qū)氧氣體積分數(shù)作為劃分采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的指標(biāo)，氧氣體積分數(shù)18%作為氧化帶與散熱帶的臨界值，氧氣體積分數(shù)7%作為氧化帶與窒息帶的臨界值。采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布如圖5。

圖5 采空區(qū)煤自然發(fā)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(qū)兩側(cè)氧氣積聚，氧氣體積分數(shù)兩側(cè)高、中間低，雙留巷側(cè)存在細長的氧化帶，氧化帶在采空區(qū)內(nèi)整體呈U 型分布。

采空區(qū)煤自然發(fā)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(fā)火“三帶”分布范圍見表2。

表2 距軌道巷不同距離處采空區(qū)“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(qū)煤自然發(fā)火氧化帶范圍Fig.6 Oxidation zone range of coal spontaneous combustion in goaf

采空區(qū)中部在深度為32～65 m 范圍為氧化帶，在采空區(qū)深度120 m 以后，軌道留巷側(cè)寬度為5 m 范圍和運輸留巷側(cè)寬度為4.4 m 范圍內(nèi)為氧化帶，該區(qū)域是煤自燃防控重點區(qū)域。

3.2 模擬結(jié)果驗證

數(shù)值模擬得到的氧氣體積分數(shù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)進行對比如圖7。

圖7 數(shù)值模擬結(jié)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(xù)回采，采空區(qū)氧氣體積分數(shù)模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)變化規(guī)律基本一致，模擬結(jié)果能夠很好地吻合現(xiàn)場實際。

3.3 不同開采時期采空區(qū)“三帶”范圍

不同開采時期采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布如圖8，采空區(qū)煤自然發(fā)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(qū)煤自然發(fā)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(qū)煤自然發(fā)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(cè)均是散熱帶，而靠近運輸巷一側(cè)均是氧化帶。

根據(jù)4502 工作面在不同開采時期采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布特征可知，雙切頂成巷采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”整體呈“U”形分布，在開采初期（采空區(qū)深度300 m），采空區(qū)中部32～65 m 范圍內(nèi)為氧化帶，在采空區(qū)深度120 m 以后，軌道留巷側(cè)寬度為5 m 范圍和運輸留巷側(cè)寬度為4.4 m 范圍內(nèi)是氧化帶；在開采中期，采空區(qū)中部52～74 m 范圍內(nèi)為氧化帶，在采空區(qū)深度200 m 以后，運輸留巷側(cè)寬度2.5 m 范圍內(nèi)是氧化帶，而在軌道留巷側(cè)寬度38 m 以內(nèi)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(qū)深部越靠近軌道留巷；在開采后期，采空區(qū)中部49～78 m 范圍內(nèi)為氧化帶，在采空區(qū)深度200 m 以后，運輸留巷側(cè)也是在寬度2.5 m 范圍內(nèi)是氧化帶，而在軌道留巷側(cè)寬度40 m 以內(nèi)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(qū)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(cè)5 m 范圍和采空區(qū)中部32～65 m 范圍內(nèi)的煤自燃防控，在開采中后期，要加強運輸留巷側(cè)2.5 m 范圍內(nèi)、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內(nèi)和采空區(qū)中部30～80 m范圍內(nèi)煤自燃防控。

與常規(guī)U 型回采工作面相比，U 型回采工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布更加規(guī)律，在不同開采時期，開采條件不變的情況下，煤自然發(fā)火“三帶”分布基本一致，其隨工作面推進范圍穩(wěn)定不變。而H 型通風(fēng)雙切頂成巷工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布更加復(fù)雜，一方面“三帶”分布范圍動態(tài)變化，在開采的不同時期，煤自然發(fā)火“三帶”分布存在較大差異；另一方面，采空區(qū)沿雙留巷側(cè)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(cè)偏移。因此，對于雙切頂成巷工作面采空區(qū)應(yīng)加強雙留巷側(cè)漏風(fēng)控制和采空區(qū)中部煤自燃狀態(tài)監(jiān)測監(jiān)控，確保工作面安全回采。

3.4 雙切頂留巷采空區(qū)煤自燃防控措施

結(jié)合4502 工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”劃分結(jié)果和工作面自然發(fā)火環(huán)境分析，4502 雙切頂留巷采空區(qū)中部氧化帶與留巷側(cè)采空區(qū)是4502 工作面最容易發(fā)生自燃的位置。

對于采空區(qū)中部氧化帶煤自燃防控，主要防控措施有：監(jiān)測預(yù)警、噴灑阻化劑、噴灑高含水材料、鉆孔注氮和鉆孔注液態(tài)CO2等技術(shù)；針對留巷側(cè)采空區(qū)，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(cè)5 m 范圍內(nèi)，在開采中后期，運輸留巷側(cè)2.5 m 范圍內(nèi)、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內(nèi)的煤自燃防控，主要防控措施有：監(jiān)測預(yù)警、工作面風(fēng)量控制、雙留巷側(cè)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(shù)。

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

4 結(jié) 語

1）以沙曲一礦4502 雙切頂成巷工作面為原型，結(jié)合采空區(qū)孔隙率、滲透率變化規(guī)律及多孔介質(zhì)氣體擴散規(guī)律，構(gòu)建了雙巷切頂留巷采空區(qū)三維氧期體積分數(shù)場模型，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比，證明了模擬的可靠性。

2）雙切頂留巷采空區(qū)漏風(fēng)區(qū)域主要為工作面隅角及兩側(cè)留巷，風(fēng)流主要由兩側(cè)隅角漏入采空區(qū)，同時采空區(qū)與兩側(cè)留巷都有風(fēng)量交換；采空區(qū)留巷側(cè)氧氣聚集，氧氣體積分數(shù)靠近留巷側(cè)高、中間低，雙留巷側(cè)存在細長的氧化帶，氧化帶在采空區(qū)內(nèi)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(cè)5 m 范圍和采空區(qū)中部32～65 m 范圍內(nèi)的煤自燃防控，在開采中后期，要加強運輸留巷側(cè)2.5 m范圍內(nèi)、距離軌道留巷38 m 以后12 m 范圍內(nèi)和采空區(qū)中部30～80 m 范圍內(nèi)煤自燃防控。