沿空留巷开采中堵漏的必要性分析

贾宝山，尹 彬 ，皮子坤，温海燕

（1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新 1 23000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁阜新 1 23000）

煤体中开掘巷道后，原始应力的平衡状态就会被破坏，在应力重新分布的过程中巷道周围将会产生顶压、侧压、底压。留煤柱开采方法会使上帮煤柱产生破坏，造成大量裂隙，极易因漏风致使煤体自燃；再者，煤柱的存在使得遗煤量增加，降低回采率的同时也加大了采空区自燃的可能性。无煤柱护巷技术有沿空留巷和沿空掘巷两种，然而受巷道布置特点的决定，若堵漏效果不好，无论哪种都将会加大漏风量，更加不利于防火。尤其是在沿空留巷中，由于沿空留巷使采空区和老塘连成一片，易因漏风致使遗煤自燃。受漏风及顶板冒落程度的影响，采空区内依据遗煤氧化聚热程度不同分为“散热带”、“自燃带”及“窒息带”，采空区自燃与否主要受自燃带影响，自燃带面积大，自燃发生的可能性就大［1］。本文即是通过对堵漏前后自燃带的比对，从防火的角度指出堵漏在沿空留巷开采中的必要性。沿空留巷时区段平巷的布置主要有三种：前进式沿空留巷、后退式沿空留巷和往复式沿空留巷［2］。本文选取目前在我国采用较多的沿空留巷的方法——后退式为算例进行了实验模拟，此法先掘出区段运输巷到采区边界，工作面在后退式回采过程中将上区段工作面的运输巷作为下区段工作面的回风巷（图1）。这种方式区段平巷沿采空区布置，可避开或削弱固定支撑压力的影响，不仅减少了煤炭损失、改善了巷道维护状态，同时也使得巷道掘进的工程量得到降低，实践证明此方法可使掘进率降低25％ ～33％，局部可达40％［3］。

1 采空区自燃“三带”划分依据

对于煤炭自燃的起因和发展过程，人们进行了大量的研究。各国学者提出了各种假说［1，4］，其中煤氧复合假说是得到认可。波兰学者基于煤氧复合假说将采空区划分为“散热带”、“自燃带”和“窒息带”。具体划分方法主要有根据采空区漏风流速划分、根据采空区氧气浓度划分、风速与氧浓度结合法划分以及根据温升率划分，本文选取风速与氧浓度相结合的方法。能够引起遗煤自燃的必要条件参数主要有：上限风速vmax和下限氧浓度cmin。采空区遗煤氧化升温必须在放热量大于散热量的环境下进行，即自燃带范围满足 （v≤vmax）∩（cmin≤c）的区域，其中v、c分别是采空区单元平均渗流速度和氧浓度［5］。国内外学者研究认为，当渗流速度大于0.24m/s时，由于热量得不到聚集而处于散热带；当氧含量低于7％时，煤氧化速度过于缓慢导致产热量不足而处于窒息带；当风速小于0.24m/s且氧含量不低于7％时，由于煤氧反应充足且风速不大使得热量得到大量聚集而处于自燃带。受研究方法和条件的限制为便于计算，依据经验数据孔隙率取0.25，故而可知“自燃带”上限风速为0.016m/s。

2 计算模型与解算条件

2.1 物理模型

本文以沿空留巷中较为典型的Y型通风方式为例（图1）。工作面长100m，文中选取自工作面起向采空区200m范围内的区域进行数值计算（图2）。在确定计算区域的同时，在所留巷道中选取三个典型位置作为漏风点进行模拟比对，三个点是距工作面150m、100m和50m的位置。

图1 Y型通风方式Fig.1 Ventilation mode with“Y”style

图2 计算区域Fig.2 Computation zone

2.2 数学模型

采空区冒落程度随位置不同具有较大的差异。在建立气相数学模型时，需做如下必要性假设：计算中采空区内风流被当做一种低压差、低速度的稳定流动形态，而忽略掉因为孔隙度差异而造成的部分紊流及过渡流区域；为了简化计算，假设气体为不可压缩，其结果也是足够精确的；采空区流场内，假设速度场不受氧气浓度影响或影响极小。

采空区渗流场用变渗透性系数的达西渗流耦合计算来近似描述，浓度场由表示扩散-消耗变化过程的微分方程表示。与采空区平面尺寸相比采空区冒落高度较小，二维模型计算时比较节约时间，同时精度还要高于三维模型的计算结果，因此作者选用了二维模型，采空区被简化为二维平面问题。假设采空区充分冒落，顶、底板不透气，则得到如下控制方程［6-8］：

式中：x、y、z为空间三维坐标；Qx、Qy、Qz三个方向上的漏风强度（m3.m-2.s-1）；H——压力（Pa）；K——渗透性系数（m2）；u——气体粘性系数（kg.m-1.s-1）；D——扩散系数（m2.s-1）；c——氧气的质量浓度（kg.m-3）；W——遗煤氧化速度，耗氧汇（mol.m-3.s-1）。

综合考虑采空区瓦斯涌出及遗煤氧化对氧气的稀释后，耗氧汇可采用如下方程：

式中：W（O2）——遗煤氧化过程耗氧强度（mol.m-3s-1）；W（CH4）——采空区瓦斯涌出强度（mol.m-2s-1）；W（c）——采空区瓦斯涌出对氧的稀释，换算后等价耗氧量（mol.m-3s-1）；γ0——遗煤耗氧速率系数 （mol.m-3s-1）；C0——新风中氧含量（21％）；H1——采空区遗煤厚度（m）；n——孔隙率；α——回采率；k1——松散系数；m1——工作面上不可采煤厚（m）；k（0）p——初始碎胀系数；kp——压实后碎胀系数；M——采高（m）；H——采空区顶板冒落后高度（m）。

边界条件：

式中：Γ1——第一类边界；R1——单位长度风阻；L——工作面长度（m）；y——距工作面距离；Q——工作面平均风量；其他边界P取0。

3 数值计算与结果分析

3.1 数值计算与参数选取

由于很难准确探知采空区内部煤岩体的氧化情况，然而，计算机模拟可以实现与现实情况总体一致。所建模型采用有限元法进行求解，计算共分两步，首先解出速度场，其次求出氧气浓度场分布。该对流扩散方程在数学描述上存在一个非对称、非线性的对流项，为避免求解计算中因对流效应超强于扩散而造成数值解振荡失真现象的出现，本文采用了以牛顿非线性求解器为偏微分求解核心的COMSOL软件，应用迎风格式的有限单元法进行求解，自动剖分单元格结果由图形显示［9］，数值计算区域共划分出4080个三角形网格。根据实际，参数选择如下：

孔隙率n取0.25；k=1.404×10-6m2；M=4.5m；kp=1.1～1.5；γ0=0.098mol.m-2.h-1；b0=0.0235℃-1；R1=0.0013N.S2.m-8；u =1.8 ×10-5kg.m-1.s-1；k1=1.5；γ0=0.098mol.m-2.h-1；W（CH4）=0.12～4.7mol.m-1.h-1；b0=0.0235℃ -1；D=2.88 ×10-5m2.s-1。

3.2 采取堵漏措施前

通过数值模拟，可以清晰的看到采空区内流场情况。工作面及三个漏风点均向采空区进风，回风集中在工作面回风侧，使得采空区形成了实际上的“多源一汇”通风状态。

采空区漏风渗流等速线（图3），总体上风速随着采空区深度的增加逐渐变小，风速最大值出现在回风侧，最大值为0.215m/s，在5m处，出现了上限风速值0.016m/s。由于三处漏风点处于进风区，虽然漏风量不大，但风速较大，最大值达到了0.21m/s。从图3中可以发现，风流在三个漏风点及进、回风处风速梯度较大，而在采空区深部较稀疏，这是因为顶板冒落后距工作面越远被压实程度越深，气体流动就越困难。

采空区氧浓度分布如图4所示。靠近工作面及漏风点侧数值较大，同时受工作面及漏风点两个类垂直方向风流影响采空区深部等氧浓度线呈“倒7”状分布，在40m处始出现下限氧浓度值。从图4可以明显看出三处漏风点附近氧浓度等值线分布差异较大，这种现象出现的原因除位置因素外，更重要的原因是由于采空区深部顶板冒落后压实程度较大采空区孔隙率较小风流渗透相对较困难。

图5所示为采空区遗煤氧化自燃“三带”的区域分布。从模拟结果可以看出：散热带最小宽度为5m，最大宽度为25m；自燃带最小宽度为15m，最大宽度为196m，平均为110m，在5m处始出现风速上限0.016m/s，下限氧浓度7％自40m处始出现直至计算区域最后位置；窒息带最小宽度120m，最大宽度160m。比较图5与图8可知，由于三处漏风点的存在图5中的氧浓度下限“被吹了起来”，同时依据“三带”划分指标三个漏风点附近被划分为散热带。

图3 采空区内气体流速等值线Fig.3 Velocity contours of of air flow in goaf

图4 采空区氧气浓度分布等值线Fig.4 Contours of oxygen concentration in goaf

图5 采空区自燃“三带”分布Fig.5 “Three Zones”distribution of spontaneous combustion in goaf

3.3 采取堵漏措施后

经过多年研究，针对无煤柱开采国内外学者从降低风压差和增大风阻两方面提出了多种防治漏风的技术措施，如沿空巷道挂布帘、利用飞灰充填带隔绝采空区、喷涂塑料泡沫，另外有资料证明在煤壁上打孔注入黄泥浆、凝胶、混凝土灰浆等材料也具有较好的效果［10］。此次模拟试验中采用了增阻堵漏的方法来减少采空区漏风。

图6所示为采空区流场等速线，由于采空区只从工作面进风流场所受扰动不大，所以流场趋于规则形状，图中显示了近似呈对称分布。风速较大值位于进、回风处，最大值为0.233m/s，自燃带上限风速值0.016m/s最先出现在7m处，之后随采空区加深逐步变小。

图7所示为采空区氧浓度分布等值线，数值随采空区位置向里呈现规律性渐变，下限氧浓度线7％最先在75m位置处出现。

图6 采空区内气体流速等值线Fig.6 Velocity contours of of air flow in goaf

图7 采空区氧气浓度分布等值线Fig.7 Contours of oxygen concentration in goaf

图8所展示的为堵漏后“三带”位置。自燃带宽度最小为55m，最大为70m，平均宽度为63m；散热带最小宽度为7m，最大宽度为20m；距工作面80m后采空区完全进入窒息带。侧向力的消失使得散热带在堵漏后整体呈现出一种“扭动”，即在进风侧向采空区移动、回风侧向工作面靠近。堵漏前自燃带无论是最大宽度、平均宽度还是面积都较大，而且受漏风点存在的影响下限氧浓度线走向呈明显的“倒7”形，这会给采空区遗煤自燃留下隐患。

图8 采空区自燃“三带”分布Fig.8 “Three zones”distribution of spontaneous com bustion in goaf

4 结论

（1）建立的数学模型考虑了采空区遗煤氧化及瓦斯涌出对氧的稀释影响，且对其进行了量化处理，使数值计算结果与实际更加相符。

（2）二维数值计算不但速度较快，且由于采空区流场高度远小于平面尺寸其精度较三维也高。从工程应用角度而言，采空区“三带”的合理划分对现场具有一定的现实指导意义。

（3）数值模拟过程中选取的三个漏风点与现实不能完全相符，然而作为必要性研究典型位置的选择是合理的。比对结果中显示漏风源的存在对采空区“三带”的形态和分布影响较大，凸显了采取堵漏措施在沿空留巷开采防火中的必要性。

（4）建立在达西定理基础之上的数学模型假定了采空区内气体为单一稳定流态，然而实际上采空区内应是层流、紊流和过渡流共存，这说明与实际相比模拟是存在一定差异的，然而采空区的复杂性决定了模拟很难与实际完全保持一致。

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