采空区自燃三带时空演化特征与防治技术研究

李作泉，邵嗣华，孙志猛，权继业，马宁世，牛建东

(甘肃靖远煤电股份有限公司，甘肃 白银 730913)

采空区遗留煤块在漏风流作用下，极易发生氧化自燃事故，威胁井下安全生产[1-3]。针对其内部氧化自燃规律，前人学者进行了大量研究。时国庆[4]通过模拟与实测数据的对比，得出了配风量与氧化带分布规律的函数关系式。杨胜强等[5-7]借助FLUENT软件探讨了采空区漏风流速及压力的分布规律。李洪先等[8，9]对瓦斯与火耦合灾害的危险区域进行了划分。高光超等[10，11]引入“O”型圈理论对采空区内部多场分布进行了讨论。除此之外，李琨等[12，13]基于现场实际工况提出了不同的防灭火技术措施。但目前的研究大多基于自然状态下的氧化蓄热过程，而对外因火灾隐患造成的事故研究较少。而现场实际情况复杂，除氧化自燃因素以外，因管理不善造成的外因火灾事故层出不穷，在外因火灾发生的第一时间如何快速有效治理，成为矿井安全生产的又一重要课题[14-18]。基于此，本文依据红会一矿1715工作面实际工况条件结合一号爆破巷位置，讨论了切实可行的不同工作面通风方式(工作面U型通风、W型通风)及改变通风方式和配风量以后对现场实际漏风情况的改善作用，综合分析了其对自燃三带的影响，并据此提出了时空联合防治技术方案，于现场进行了施工验证，火灾隐患得到了有效解决。

1 工程概况

红会一矿1715工作面倾斜长183m，走向长498m，为“刀把子”形式布置，工作面布置运输巷、回风巷、一号和二号爆破巷、长切眼和短切眼等共六条回采巷道，长切眼93m，短切眼90m，长短切眼相距68m。煤层平均厚度14.5m，爆破巷在煤层中部布置。1715综放工作面巷道布置如图1所示。

图1 1715综放工作面巷道布置

实际生产中，工作面超前开采30m以外在爆破巷实施弱化爆破，弱化爆破孔间距2m，每排22个孔装药量近1t，一次起爆，每循环爆破5排。每循环爆破后实施巷道洒水降温、高温煤粉清理、爆破孔高压注水等措施。消火降温措施落实后，滞后2个循环进行对应位置巷道切顶爆破。

该次火灾起因是工人在一号爆破巷20—24排弱化孔实施超前爆破过程中违规操作，未按规定对爆破产生的高温煤体进行消火降温处理，而后提前将对应位置的巷道切顶孔进行了爆破，致使爆破弱化区巷道顶板严重垮落，爆破高温积聚在爆破弱化区煤体内未做进一步处理。待工作面推过该区域后，高温煤体遗留至采空区，造成氧化加剧，一定时间后回风流CO气体浓度明显升高，采空区出现自然发火隐患。

2 采空区多孔介质模型参数

针对1715综放工作面长、短切眼的工程背景，依据工作面实际推进距离，为最大程度贴合现场生产，确定该工作面采空区参数采用分区计算模式。短切眼至工作面区域因实际顶板远未垮落，采用贴合度更高的自由堆积模型，长切眼至工作面区域采空区内部充分压实采用三维渗透率模型，同时整个采空区渗透率结合MATLAB函数进行时间和空间多维角度的实时动态运算。

2.1 自由堆积模型

借鉴前人研究成果，自由堆积模型采空区渗透率满足[19]：

式中，K为采空区渗透率，mD；s为工作面走向长度的一半，m；x，y分别为采空区内一点走向、倾向上的坐标值，m；a，b为渗透率不均衡系数，无量纲；c为采空区渗透率基数，mD；d为渗透率平动系数，无量纲。

2.2 三维渗透率模型

三维渗透率模型[20]依托于“O”型圈理论建立。该理论认为在工作面开采的不同阶段，采空区裂隙呈现不同特征，根据压实程度不同将采空区分为自然堆积区、承压碎胀区和压实稳定区3个区域，如图2所示[20]。

图2 采空区压实程度

据此计算得出采空区空隙率于走向和倾向上呈对称分布，空隙率满足：

n=nx·ny1

式中，D为采空区走向长度，m；L为采空区倾向长度，m；n为采空区空隙率，%；nx为采空区底板上y=0沿走向空隙率，%；ny1为空隙率沿倾向方向的变化系数，无量纲。

将内侧竖直方向上的空隙变化率赋值1，则采空区竖直方向的变化系数满足：

式中，nz1为空隙率沿竖直方向的变化系数，无量纲；z为采空区内某一点高度，m；a1、b1、a2、b2分别为两个椭圆的长短轴，m。

根据经验公式计算，采空区渗透率在三维空间上表征为：

K=1.605×10-6·(nx·ny1·nz1)2

(4)

3 不同通风方式采空区漏风规律特征

3.1 三维数值模型的建立

为研究1715综放工作面不同通风方式下采空区漏风规律特征，采用COMSOL数值模拟软件进行采空区三维模拟研究。结合工作面实际工况条件，确定工作面参数，巷道断面为矩形，宽4.8m，高3.8m。采用自由划分四面体网格，整个几何模型划分为149871个单元网格，如图3所示。

图3 1715工作面W型通风三维模型

忽略北1715综放工作面机械设备及矿井周期来压对采空区垮落带、裂隙带二次发育的影响，仅考虑采空区内部漏风，不考虑地表及其它漏风情况。依据现场情况确定1715工作面初始总风量为1000m3/min，右侧进风巷及通风巷设为入口边界，采用速度进口条件，左侧回风巷为出口，出口设置为压力流出类型，初始压力为标准大气压。入口边界条件包含风速、氧气浓度和瓦斯浓度，具体进风巷风速按风量除以巷道断面积进行计算，入口风流瓦斯浓度0mol/m3，氧气体积分数21%。巷道与采空区之间为内部边界，流体自由流通，其余边界设置为固体壁面边界。计算过程中通过“Live link for MATLAB”接口建立COMSOL模型求解与MATLAB场值调用的联系，通过MATLAB函数计算采空区渗透率，实现采空区不同位置处渗透率随模型计算自动调用求解。

3.2 U型通风与W型通风漏风规律对比

为研究贯通一号爆破巷与辅助通风巷形成的“两进一回”W型通风方式后对1715工作面火情影响，针对不同通风方式下风流场、采空区“三带”及巷道与采空区风流交换情况分别进行数值模拟研究，探讨“两进一回”W型通风方式对1715工作面火情抑制效果。

3.2.1 风流场整体规律

根据现场情况确定1715工作面总风量保持1000m3/min不变，未贯通一号爆破巷与辅助通风巷时，进风巷风量为1000m3/min，贯通后形成两进一回式通风，进风巷、辅助通风巷风量分别为500m3/min。U型通风方式中，风流经运输巷进入，受采空区冒落岩体的阻挡，于下隅角靠近采空区侧形成一个采场最高压区约为15Pa，回风巷为负压，负压约为-20Pa，进风侧采空区深部压力约为5Pa，回风侧采空区压力约为-5Pa，下隅角与采空区内部最大压差为20Pa；贯通一号爆破巷与辅助通风巷形成“两进一回”W型通风方式后，下隅角采场最高压区约为10Pa，回风巷负压约为-15Pa，进风侧采空区深部压力约为4Pa，回风侧采空区压力约为-3Pa。改用“两进一回”W型通风方式后，进回巷压差减小约10Pa，且风压整体较小。不同通风方式风压如图4所示。

图4 1715综放工作面不同通风方式风压

3.2.2 采空区“三带”分布

随采掘工作的进行，风流在压差作用下经漏风通道漏入采空区，采空区内部遗煤氧化升温，当能量积聚到一定范围时有自然发火危险，研究采空区“三带”分布范围对于防治采空区自燃有重要意义。选用氧化反应必然条件氧气浓度作为划分指标对采空区“三带”进行划分，提取氧气浓度在10%～18%之间氧化带区域。不同通风方式下采空区自燃三带分布范围见表1。

表1 相同配风量、不同通风方式氧化带范围

由表1分析可知：不同通风方式下采空区“三带”分布直接受通风压差影响，而通风压差与进风量、通风距离和沿程阻力有关。贯通一号爆破巷与辅助通风巷形成“两进一回”W型通风方式后，风量均匀分配给两条巷道，通风压差减小，受压差作用影响，原U型通风方式漏风更严重，采空区内氧气影响范围更广，从而氧化带区域远大于W型通风。且两种通风方式下进风巷区域采空区自燃带范围均大于回风巷区域，采用辅助通风巷进风，自燃带范围一定程度上向采空区中部延展，但总体来看，其氧化自燃带范围仍小于原U型通风。由此可以看出，在自燃三带分布规律上，U型通风模式采空区“三带”分布范围广，采空区遗煤自然风险高，防治遗煤自燃难度大。

3.2.3 巷道与采空区风流交换情况

根据模拟结果得出漏风量进行分析，该值为正时表示风流由巷道向采空区漏风，该值为负时表示风流由采空区向巷道漏出。对比不同通风方式下漏风情况可知，U型通风方式由工作面漏入采空区的风量为401.73m3/min，如图5(a)所示，进风巷侧4～35m区间范围内漏风量为290.13m3/min，占总漏风量72.2%，其余位置漏风量相对较少。“两进一回”W型通风方式由工作面漏入采空区的风量为318.33m3/min，如图5(b)所示，进风巷0～4m、80～160m区间范围内漏风量为149.72m3/min、129.48 m3/min。

图5 不同通风方式工作面漏风情况

U型通风方式下存在端头漏风严重区域，位于进风巷一侧4～35m，一部分原因为进风巷风量相比W型通风方式较大，为W型通风方式进风巷风量的2倍，同时，该处顶板未完全垮落，漏风通道较多，漏风情况较为严重。但相同风量时W型通风方式漏风较为平缓，漏风量较少，无特别突出的漏风区域，工作面向采空区漏风总量为318.33m3/min，采空区漏入工作面的风量159.26m3/min，占漏风量的50%，漏风量较大区域分别为沿工作面0～4m、80～160m区间范围内，0～4m区域为进风巷与工作面汇接区域，受支架影响作用，采空区顶板垮落不严，采空区尚未压实导致漏风通道较多；而80～160m这段区间则主要是由于长、短切眼设备连接后仅仅推进8.5m，顶板尚未垮落，采空区自由堆积，漏风量较大。

通过不同通风方式下采空区与工作面漏风规律对比可知，两种漏风规律差别较为明显，U型通风方式漏风量较大，进风巷区域漏风更为严重，而W型通风方式的漏风严重区域小于U型通风，且其总漏风量小于U型通风。证实了采用“两进一回”W型通风方式后可一定程度抑制采空区漏风，减小采空区自然发火危险。

3.3 不同风量下W型通风漏风规律

为研究不同配风量对W型通风漏风规律的影响，在满足工作面最低需风要求的前提下，秉持火情至上的原则，保持其他条件不变，依据不同配风方案进行相应的模拟研究，计算后共选取以下三种方案进行对比。上节已对进风巷风量500m3/min、辅助通风巷风量500m3/min风流规律进行了研究，后续不再赘述。

3.3.1 采空区“三带”分布

保持漏风条件、耗氧速率、空隙率、导热系数等参数相同，按风量配比方案分别改变进风巷、辅助通风巷配风量，解算氧浓度场的数学模型，W型通风方式配风量方案见表2。

表2 W型通风方式配风量方案 m3/min

不同配风量下氧化带范围见表3。分析表3可以看出，随着总配风量的减少，不同位置处散热带、自燃带范围均不同程度的缩减，进风巷侧、辅助通风巷侧的规律也类似。新鲜风流由进风巷、辅助通风巷分别进入，经采空区中遗煤消耗大量氧气后，流动至回风巷一侧，氧气浓度降至更低，导致采空区靠近进风巷一侧氧气浓度均高于采空区回风巷一侧氧气浓度。随进风巷风量增加，氧气影响范围向采空区深部延展，当进风巷风量增至500m3/min时，Y=30m位置，该区域已扩散至采空区内部40.5m，氧化带范围位于矿井实际受爆破影响蓄温带影响范围内。当进风巷风量降至满足最低需风要求300m3/min时，Y=30m位置，该区域扩散至采空区内部30m，而一号爆破巷20—24排弱化孔超前爆破蓄温范围为30.5～38.5m，因此，当进风巷300m3/min、辅助通风巷400m3/min氧化带范围已位于蓄热影响带范围边界，采用该种方案，对于火情控制效果最佳，可将爆破影响蓄热范围甩至窒息带区域，从而达到快速推进工作面，灭绝火情效果。

3.3.2 巷道与采空区风流交换规律

不同配风量工作面漏风情况如图6所示，分析图6可知，随着总配风量的增大，工作面进风巷位置5m范围内漏风量逐渐增大，当进风巷配风量400m3/min、辅助通风巷500m3/min时，进风巷0～5m区域内漏风量130.31m3/min，占总漏风量的48.2%。改变进风巷配风量为300m3/min、辅助通风巷配风量400m3/min，该区域内漏风量降低至99.12m3/min，该区域漏风量占总漏风量的比例降为39.6%。沿工作面倾向长度方向，长切眼对应区域内，随总配风巷风量降低，由采空区返回工作面的风量也随之减小。采用“两进一回”W型通风方式后，改变配风量，其漏风情况总体规律基本相似，进风巷与工作面相接区域及短切眼未完全垮落区域范围内漏风严重，占总漏风量的75%以上。该区域在现场实际施工过程中应重点关注，集中处理。

表3 不同配风量氧化带范围

图6 不同配风量工作面漏风情况

4 采空区自燃防治技术及工程应用

采空区自燃火灾治理首要应隔绝氧气，阻止现场火情进一步加剧，经理论分析和数值模拟验证后，现场决定采用时空联合治理措施应对1715综放工作面发火隐患。主要分为以下三步：

1)前期静态处理。在现有布置巷道及现场施工的情况下，立即停止生产，制止工作面进一步推进，同时喷涂封闭采空区并对采空区内部实验注液氮惰化、打钻注浆以消除高温点。另一方面结合工作面一爆巷位置及工作面推进距离，于工作面煤帮26#支架处开口施工60m辅助通风巷以贯通一号爆破巷，为工作面下一步快速推进创造条件。

2)后期动态治理。待工作面辅助通风巷与一号爆破巷贯通后，调整工作面通风方式为“两进一回”W型，经上文理论计算，在满足工作面基本需风要求的基础上，将配风方案调整为进风巷300m3/min、辅助通风巷400m3/min，使得采空区内部氧化带范围缩减，该配风方案下采空区深部自燃带最大影响范围为30m，处于一爆巷20—24排弱化孔区域30.5～38.5m范围边界外，并加快工作面推进速度，快速推过该区域，使得已降温处理的氧化煤体进入窒息带，隔绝进一步氧化条件。

3)稳定开采。实施完上述静态、动态措施后，继续推进工作面，待工作面推进60m后，测试巷道内各项气体参数稳定，表面采空区复燃威胁消除，工作面通风方式重新恢复原U型通风，工作面后续开采正常进行。

1715综放工作面现场实施结果表明，上述时空联合治理措施应对采空区自燃威胁效果良好，理论计算及数值模拟结果可靠，整个治理过程历时13d，快速、及时、有效地解决了自然发火隐患，保证了井下安全生产，同时为国内其它矿井类似火情治理提供了参考借鉴。

5 结 论

1)相同配风量、不同通风方式情况下，相比于“两进一回”W型通风方式，U型通风采空区漏风严重，采空区自燃三带范围更广，遗煤自燃危险性更高。

2)“两进一回”W型通风模式下，进风巷、辅助通风巷三带范围均随总配风量的增大而增大，特别是，在进风巷与工作面连接处及短切眼对应未冒落区域漏风严重，应重点关注。在满足工作面基本通风要求的基础上，进风巷300m3/min、辅助通风巷400m3/min为该工作面外因火灾治理期间最佳配风方案。

3)依据理论计算结果，结合1715综放工作面实际工况提出了时空联合治理措施，并于该工作面进行了现场施工验证，应用效果良好，外因火灾隐患得到了有效解决，该方案可为国内其它矿井类似火情治理提供一定借鉴意义。