基于不同漏风源浅埋煤层采空区自燃“三带”分布规律研究*

宋 博，王大鹏，李雨成，李治刚，刘安秀，刘红威

(1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.山西晋神沙坪煤业有限公司，山西 忻州 034000)

0 引言

煤自燃是煤矿生产过程中最常见的灾害之一，且我国矿井采空区遗煤自燃占井工开采煤自燃总数的60%，这不仅威胁着矿工生命安全和煤矿的生产安全，而且由煤自燃引发的爆炸等次生灾害危害更大[1-3]。因此，防止采空区自然发火对矿井火灾防治具有非常重要的意义[4-5]。

在浅埋藏煤层赋存条件下，煤层的开采受地质条件等因素影响，常导致其采空区裂隙与上覆地表连通及由简单一源一汇的二维模型变成了复杂的三维漏风通道网，增加了采空区自然发火防治的困难。因此，研究多漏风源对采空区遗煤自燃的影响对预防煤炭自然发火至关重要。文虎等[6]通过数值模拟对比分析了综放工作面不同漏风源位置对相邻特厚煤层自燃“三带”分布的影响，并以此来确定自燃区域的变化，保证工作面安全生产；高峰等[7]利用遥感、实测和数值模拟相结合的方法，分析了漏风裂隙对复合采空区渗流场分布的影响，并划分出下部煤层开采时上覆采空区遗煤自燃危险区域；邢震[8]采用数值计算、数值模拟和现场实测相结合的方法，研究了浅埋厚煤层条件下导气裂隙采空区“三带”的分布情况及不同工况下采空区O2浓度场、CO浓度场、温度场和压力场的分布规律；郑忠亚等[9]以柠条塔煤矿为例，采用采动裂隙相似模拟实验、SF6检测技术、现场束管监测及FLUENT数值模拟等多种监测和应用手段，综合分析了浅埋煤层大采高综采面采空区自燃危险区域。

针对浅埋藏自燃煤层开采过程中复杂漏风源对采空区遗煤自燃的影响，学者们已经做了大量的研究[10-11]，但由于各个矿井地质条件和环境的差异性使得许多研究成果难以对现场遗煤自燃形成有效的防治措施。因此，本文在充分考虑浅埋藏煤层开采下覆岩裂隙发育的基础上，利用数值计算、数值模拟和现场测试相结合的方法，研究不同漏风源对采空区自燃“三带”分布的影响，以期准确预测采空区遗煤自燃程度，为此类型煤层开采条件下自燃“三带”分布的确定以及工作面的最小推进速度提供数据支持。

1 采空区地表漏风测定

沙坪煤矿1818工作面是浅埋藏煤层赋存条件下的“U”型后退式综采，采用抽出式通风方式，井下采空区漏风受多种因素影响，利用SF6示踪气体开展地表和采空区的漏风测试。

1.1 测定方案

从地面探测结果以及结合目前工作面推进情况，选择离工作面较近的采空区地表裂隙作为SF6气体释放源。在地表裂隙处插入1根0.03 m钢管，通过钢管和软管一次性瞬时释放10 kg的SF6气体，同时选择井下工作面回风上隅角为接收地点，释放点和接收点的垂直距离为129.83 m，直线距离为181.61 m。具体测点布置如图1所示。

图1 SF6释放地点与检测点布置示意

1.2 测定结果分析

在地表按照预定时间释放SF6后，井下回风隅角取样点在释放后每隔5 min采集1次示踪气体。整个取样过程持续60 min左右，取样点SF6浓度变化如图2所示。由图2可知，当在地面释放点释放SF6气体后，10 min时在取样点首次检测到SF6气体(最短漏风通道)，50 min时最后1次检测到SF6气体(最长漏风通道)，而SF6浓度达到峰值时的累计时间是20 min(主要漏风通道)。

图2 SF6气体浓度变化

由于裂隙通道是不规则的，气体在裂隙通道的渗流轨迹不是直线的，因此，用取样点到释放点的距离X0与取样点检测到SF6的起始时间和浓度达到峰值时的累计时间T0，计算取样点漏风通道的漏风风速V，其计算结果见表1。

表1 地表漏风风速

上述现场测试分析发现1818采空区确实存在地表漏风现象，漏风风速为0.06～0.30 m/s，主要漏风通道的漏风风速为0.15 m/s。漏风速度变化范围较大，这表明漏风通道多且复杂。

通过对井下进、回风巷的测试结果计算，得到工作面回风巷的风量为25.88 m3/s，进风巷的风量为25.28 m3/s，即在负压通风下地表漏风量约0.60 m3/s。为了准确科学地得到地表漏风下采空区自燃“三带”范围分布结果，需进一步对采空区自燃“三带”进行模拟加以分析。

2 基于多漏风源的采空区自燃“三带”数值模拟

2.1 采场模型及边界条件设置

根据1818综采工作面实际情况构建模型，如图3所示。采用“U”形通风方式，基于现场SF6示踪气体测试，证实采空区符合“两源一汇”的漏风情况，在采空区上覆地表和工作面进风巷设置漏风入口，地表漏风通道边界设置为速度入口，速度为0.15 m/s，进风巷边界设置为速度入口，速度为1.22 m/s，回风巷边界设置为自由出口。如图3所示，采空区模型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。

图3 物理模型

2.2 数值模拟结果及分析

为分析地表和工作面2个漏风源共同作用对采空区自燃“三带”分布范围的影响，选取工作面采空区水平高度y=1.5 m的平面O2浓度变化分布图，如图4所示，此处和现场采空区布置的束管水平高度一致。

图4 有地表漏风时采空区O2浓度变化

根据模拟结果平面图可看出，进风侧采空区O2浓度变化梯度较回风侧采空区小，距工作面同样距离的采空区，由进风侧至回风侧先减小后增大，散热带和氧化带的宽度同样也是由进风侧至回风侧先变窄后变宽，这符合“O”型圈效应下的采空区气体分布特征[12]。进风侧采空区氧化带宽度为42.0～140.5 m，中部采空区氧化带宽度为19.0～78.0 m，回风侧采空区氧化带宽度为21.0～92.0 m。

为探究地表漏风对采空区自燃区域的影响，模拟同样工况条件下无地表漏风的自燃“三带”结果，如图5所示。由图5可看出，采空区的O2浓度分布情况同样符合“O”型圈效应下的采空区气体分布特征[13]。进风侧采空区氧化带宽度为39.1～103.2 m，中部采空区氧化带宽度为14.0～52.4 m，回风侧采空区氧化带宽度为19.5～68.5 m。2种漏风条件下采空区自燃“三带”分布结果见表2。

图5 无地表漏风时采空区O2浓度变化

由表2可知，有地表漏风存在时，采空区进风侧、回风侧和中部的氧化带最大宽度较单一工作面漏风时分别增加了34.4，22.0，20.6 m，且沿采空区走向方向，单位距离O2浓度下降梯度减缓，自燃危险性增加。

表2 模拟采空区自燃“三带”范围分布

3 采空区自燃“三带”现场观测

3.1 自燃“三带”测点布置

沙坪煤矿1818工作面采空区“三带”利用JSG-7型自然发火监测系统和人工取样分析的方法进行气体检测。监测系统的采集探头和束管传输如图6所示。胶运、回风巷支架后部各铺设直径为8 mm的束管，两巷束管采用钢管或角钢作保护套管，埋入采空区的束管管口取样点处，用大块矸石或木跺防护，以防止浮煤堵塞束管取样口。另外，为防止采空区积水抽进束管，束管的进口处抬高1.5 m。

图6 综采面采空区自燃“三带”观测点布置

3.2 束管监测自燃“三带”划分

按照O2浓度7%～18%为氧化带的划分指标[14]，对采空区自燃“三带”进行分析划分。分析得出采空区进、回风侧自燃“三带”范围分布，见表3。

如表3所示，1818工作面现场监测自燃“三带”划分结果，进风侧采空区散热带<45.0 m，氧化带45.0～145.4 m，窒息带>145.4 m，氧化带最大宽度100.4 m；回风侧采空区散热带<21.5 m，氧化带21.5～94.2 m，窒息带>94.2 m，氧化带最大宽度72.7 m。

表3 实测采空区自燃“三带”范围分布

3.3 束管监测自燃“三带”分析

根据现场自然发火监测系统实测数据，对O2浓度和CO浓度进行处理，并利用ORIGIN软件分别将进、回风侧采空区监测到的各点O2浓度实际数据进行多项式拟合处理，得到进风侧和回风侧的O2及CO随采空区距工作面距离变化的浓度变化曲线，如图7～8所示。由图7可看出，进风侧采空区随工作面的推进，O2浓度整体呈下降趋势；而CO浓度变化趋势呈“拱形”状态，浓度先增大后减小。在距工作面45.0 m的采空区范围内(散热带)，O2浓度下降缓慢，CO浓度逐渐增加，这是因为此处采空区处于自然堆积区，孔隙率高，气体流通较好，漏风严重；在距工作面45.0～145.4 m的采空区范围内(氧化带)，O2浓度持续下降且下降速率增大；而CO浓度在此阶段出现了峰值，这是因为采空区遗煤的氧化增加了耗氧速率引起O2浓度下降速率增加，产生CO；同时由于此处采空区由自然堆积区向重新压实区转换，在工作面推进之后采空区顶板压实效果良好，孔隙率也逐渐降低，气体流通受阻，耗氧无法及时补充，且遗煤氧化产生的CO也不易于扩散到其他区域，此处采空区满足良好的氧化环境促使遗煤发生氧化，从而产生更多的CO。因此，该范围是自然发火预防和治理的重点区域。

图7 进风侧采空区O2，CO浓度变化示意

回风侧采空区O2，CO浓度变化如图8所示，回风侧采空区随工作面的推进，O2浓度整体呈下降趋势，且下降速率明显高于进风侧；CO浓度变化趋势呈“锥形”状态，浓度先增大后减小。在距工作面21.5 m的采空区范围内(散热带)，O2浓度下降缓慢，CO浓度增加速率较快，这是因为此处采空区漏风严重，一部分源自遗煤

图8 回风侧采空区O2，CO浓度变化

氧化一部分源自风流携带的进风侧遗煤氧化的结果。在距工作面21.5～94.2 m的采空区范围内(氧化带)，O2浓度持续下降且下降速率有所增大，CO浓度在此阶段出现了峰值，而且O2浓度单位距离下降速率和CO浓度单位距离增加速率相对于进风侧都偏大，这是因为一方面采空区遗煤的氧化增加了耗氧产生CO，另一方面，回风侧相对漏风量较小，耗氧无法及时补充，而且风流携带的进风侧遗煤氧化产生的气体加剧了这一结果。

此外，进回风侧的O2浓度随着工作面的推进，在整体递减的同时下降速率逐渐增加，这是由于采空区存在横三区划分下孔隙率逐渐递减的规律[15]。因此，随距工作面距离的增加，采空区CO浓度变化梯度也逐渐增大。这一结果也印证了相比于工作面单一漏风源，有地表漏风存在时，采空区氧化带最大宽度有所增加，自燃危险性加大。

4 结果与讨论

4.1 自燃“三带”分布的模拟和现场对比

为了验证数值模拟的准确性，针对模拟和现场监测的自燃“三带”分布结果进行对比分析，见表4。

表4 模拟和现场自燃“三带”范围分布对比

分别对模拟结果和现场监测分析得出的采空区自燃“三带”分布进行比较，二者氧化带起始位置、最大宽度和结束位置的相对误差都不超过7%，说明模拟结果和现场实测分析获取的采空区自燃“三带”分布非常接近，该结果对此类型煤层开采条件下自燃“三带”的确定具有一定的指导意义。

4.2 最小推进速度的确定

掌握综采工作面回采过程中最小安全推进速度，对煤矿安全生产具有重要意义。影响最小安全推进速度的因素不仅与本煤层的自然发火期有关，还与工作面氧化带宽度有关。通过现场监测和模拟得到的综采工作面采空区自燃“三带”的范围分布结果可知，氧化带极限最大宽度Lmax=max{L}=100.4 m，而且本煤层自然发火期为81 d。根据氧化带的极限最大宽度和自然发火期可以确定1818综采面回采时的最小安全推进速度如式(1)[16]：

(1)

式中：vmin为最小安全推进速度，m/d；Lmax为综采面采空区氧化带极限最大宽度，100.4 m；t为本煤层自然发火期，81 d。

由式(1)计算出工作面最小安全推进速度为1.24 m/d，因此，正常生产情况下，当工作面推进速度v≥1.24 m/d时，采空区自然发火的危险性较低，注意安全预防即可；相反当工作面连续超过81 d平均推进速度v<1.24 m/d时，采空区自然发火的危险性较高，应当采取必要的防灭火措施。

5 结论

1)利用SF6示踪法对1818工作面地表漏风进行现场测试，结果显示地表漏风风速为0.06～0.30 m/s，漏风速度变化范围较大，漏风通道多且复杂。

2)通过数值模拟分析，相比于工作面单一漏风源，有地表漏风存在时，采空区氧化带最大宽度有所增加，单位距离O2浓度下降梯度减缓，自燃危险性加大。

3)对比分析模拟结果和现场实测结果，采空区自燃“三带”分布基本一致，依据这一结果限定工作面最小推进速度为1.24 m/d。