双切顶留巷采空区煤自然发火“三带”分布特征研究

江莉娟 ，张俊虎 ，邓存宝 ，年 军 ，蔡 猛 ，吕晓波 ，雷昌奎 ,3

（1.太原理工大学 安全与应急管理工程学院，山西 太原 030024；2.华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000；3.陕西山利科技发展有限责任公司，陕西 西安 710075）

煤自燃火灾是威胁矿井安全生产的主要灾害之一，而采空区是井下发生煤自燃重点区域[1-2]。为了解决采空区煤自燃防控问题，国内外专家学者针对性地开展了大量的研究，其中采空区煤自然发火“三带”判定就是主要内容之一[3-4]。实现采空区煤自然发火“三带”准确判定是实现采空区煤自燃有效防控的关键，因为煤自然发火“三带”中的氧化带是采空区煤自燃发生的最危险区域，因此，煤自然发火“三带”的准确划分，能够针对性地对危险区域进行防控治理，避免不必要的人员和资源浪费。

关于采空区煤自然发火“三带”的研究，主要集中不同“三带”划分条件、不同通风方式、特殊开采条件下“三带”变化规律与分布规律探索。姜延航等[5]研究了“一面四巷”采空区不同瓦斯治理条件下的煤自燃“三带”分布；DENG 等[6]提出了基于O2、CO 体积分数和温度梯度的采空区煤自然发火“三带”划分方法，进一步考虑瓦斯爆炸条件，提出了多信息耦合叠加的采空区煤自燃危险区判定方法；王毅等[7]采用不同划分条件针对综放工作面采空区“三带”分布范围进行了研究；GUO 等[8]基于O2和CO 体积分数研究了非参数核密度估计的采空区煤自燃“三带”划分方法；张勋等[9]研究了调压通风条件下的复合采空区“三带”变化规律；ZHANG 等[10]研究了液压支架之间的间隔注入隔离材料前后采空区煤自燃“三带”的变化；黄帆等[11]、张子军等[12]数值模拟研究了不同煤层赋存条件下的采空区煤自燃危险区域分布规律；宋博等[13]、HU 等[14]采用数值模拟研究了不同漏风条件下采空区煤自然发火“三带”分布特征，并计算了工作面最小安全推进速度；GU 等[15]、鲁义等[16]通过实验测试和数值模拟，研究了煤层再生顶板漏风和氧气体积分数变化规律，划定了煤层再生顶板自燃危险区域；LI 等[17]研究了留巷法开采的U+L 通风采空区自燃危险区域分布。随着开采深度及规模的不断增大，煤炭储量日益减少，高效率的煤炭开采方式成为煤矿开采的主要研究方向[18]。为此，沙曲一矿率先开展了双巷切顶留巷开采工艺，从而实现无煤柱高效开采；但随着2 条留巷的形成，增加了采空区的暴露面积，这也加剧了采空区的漏风，使采空区煤自燃防控的难度增大。目前关于双巷切顶成巷开采工艺下采空区煤自然发火“三带”分布的研究尚少，为此，基于现场观测与数值模拟相结合的方式开展双切顶留巷采空区煤自然发火“三带”分布特征研究，以期为双切顶无煤柱开采工艺和类似通风方式工作面采空区煤自燃防控提供参考。

1 数学模型构建

1.1 双切顶留巷工作面概况

4502 工作面为沙曲一矿下龙花垣区首采工作面，采用运输巷、轨道巷同时切顶成巷无煤柱开采，4502 轨道巷为主进风巷，4502 运输巷为辅助进风巷。为保留4502 轨道巷通风系统，在4502工作面切眼东侧留设40 m 煤柱施工补巷，作为4502 轨道巷切顶成巷在4 501 工作面贯通前的回风通道，工作面布置如图1。4502 工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化一次采全高采煤工艺，全部垮落法管理顶板，煤层平均厚度4.2 m，煤层倾角平均为6°，轨道巷长为1 107 m，运输巷长为1 095 m，切眼长为220 m。

图1 4502 工作面布置示意图Fig.1 Layout of working face 4502

1.2 基本假设

采空区是垮落煤岩体组成的多孔介质区域，外界空气随着工作面漏风进入采空区形成采空区风流场[19]。空气在采空区内部的流动极其复杂，为方便理论模拟，需要对其进行简化，因此针对工作面采空区流场做出以下假设：

1）采空区内的岩石及残煤随机分布，近似认为采空区内多孔介质为各向同性。

2）采空区内的气体均视为理想不可压缩气体，其流动符合线性渗流规律。

3）不考虑温度的变化，采空区内各气体之间无化学反应。

1.3 采空区流场数学模型

在回采过程中，主进风巷、工作面、补巷、辅助进风巷构成自由流动区域，在该区域内新鲜风流由主进风巷及辅助进风巷流入，流经工作面并由切眼流出，流动过程遵循Navier-Stokes 方程，其表达式为：

式中：η为黏性系数，kg/(m·s)；u为速度矢量，m/s；ρ为流体密度，kg/m3；p为压力，Pa；T为温度，K。

风流在流经工作面及留巷时会产生向采空区漏风现象，气体在采空区内的流动规律可用Brinkman 方程来描述，其表达式为：

式中：ε为孔隙率。

随着风流不断进入采空区形成风流场，引起采空区内气体的扩散，达到1 个动态平衡，该动态平衡符合Fick 定律，其表达式为：

式中：x、y、z为距离，m；D为扩散系数，一般取常数；C为扩散物质的体积浓度，mol/m3；t为扩散时间，s。

多孔介质的孔隙率与渗透率是研究多孔介质内气体扩散规律极为重要的参数。基于“O”形圈理论，采空区的孔隙率变化特征可表示为[20]：

式中：ε为采空区某点孔隙率； εx为采空区沿x轴方向的孔隙率； εy为采空区沿y轴方向孔隙率；εz为采空区沿z轴方向孔隙率；L为工作面宽度，m；A为常数，取1.05。

采空区渗透率的大小主要取决于孔隙率及采空区内岩石及残煤粒度的大小[21]：

式中：k为采空区渗透率，m2；d为岩石及残煤平均粒度大小，取0.03 m。

1.4 几何模型与边界条件

以沙曲一矿4502 工作面为例，鉴于采空区煤自然发火“三带”现场监测过程中监测范围为距离初始切眼100～300 m 范围，因此，为了与现场监测结果形成对比与验证，此处模拟建立几何模型的采空区尺寸设置为300 m×220 m×45 m，轨道巷尺寸为350 m×3.5 m×4 m，运输巷尺寸为310 m×5 m×4 m，工作面尺寸为220 m×5 m×4 m，补巷尺寸为226 m×3.5 m×4 m，以轨道巷与采空区边界交点为原点，以轨道留巷方向为x轴正方向，以工作面风流流向方向为y轴正方向，z轴正方向为垂直底板向上，构建采空区几何模型。

在自由流场中，进风巷入口为速度边界，根据沙曲一矿的通风实际情况，轨道巷与运输巷入口速度分别设置为2.35 m/s 和0.275 m/s，在采空区流场中，进风巷的入口为体积分数边界，空气体积分数为1，切眼的出口为流出边界，采空区的孔隙率及渗透率取值由式（4）和式（5）得出，其他参数为①空气密度：1.29 kg/m3；②瓦斯密度：0.717 kg/m3；③空气动力黏度：1.79×10-5pa∙s；④氧气扩散系数：1.9×10-5m2/s；⑤瓦斯扩散系数：1×10-5m2/s；⑥温度：293.15 K。

2 采空区自然发火“三带”现场观测

2.1 采空区自然发火“三带”现场监测方法

由于4502 工作面采用双切顶成巷，故此，束管监测采用两巷留巷侧倾向埋管采样分析。在工作面液压支架后埋入3～20 m 4 芯束管和热电偶温度探头，束管和热电偶温度探头铺设过程中使用φ50 mm 钢管作为保护套管，保护套管两端用胶泥封堵，以防漏气或者进水，埋入采空区端头设置透气孔。在采空区分段布置3 个监测“三带”的采样点，每个采样点之间相距50 m。当采样点进入采空区后开始对该采样点每天进行取样分析，以此类推依次启用下1 个采样点，直至工作面回采结束，4502 工作面采空区测点布置示意图如图2。

图2 4502 工作面采空区测点布置示意图Fig.2 Layout of measurement points in the goaf of working face 4502

2.2 采空区自然发火“三带”监测结果

在铺设束管时，工作面已回采100 m，根据现场情况，在束管铺设过程中，运输留巷束管监测点编号分别为1#、2#和3#，轨道留巷束管监测点编号分别为4#、5#和6#。1#和4#束管插入采空区3 m，2#和5#束管插入采空区10 m，3#和6#束管插入采空区20 m。最终在现场正常取得气样结果的是1#、2#、4#和5#监测点，采空区煤自然发火“三带”监测结果如图3。

图3 采空区煤自然发火“三带”监测结果Fig.3 Monitoring results of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf

从图3（a）中监测点温度数据可知：采空区几个监测点的温度最高均不超过27 °C，距离切眼相同距离处的温度整体上运输留巷侧采空区温度高于轨道留巷侧采空区温度，这主要是因为轨道留巷回风量远大于运输留巷，煤氧化产生的温度被分流带走，整体上温度更低，并且距离留巷侧越近，温度整体更低。从图3（b）中数据分析可知：随着工作面回采，采空区氧气体积分数逐渐降低，整体上运输巷相对于轨道巷氧气体积分数下降速度更快。

根据氧气体积分数7%～18%的划分标准确定采空区煤自然发火“三带”，现场监测得出的煤自然发火“三带”结果见表1。

表1 采空区不同监测点“三带”分布范围Table 1 Distribution range of the “three zones” at different monitoring points in goaf

由表1 可知：在距离双切留巷侧采空区3 m范围内没有窒息带，运输留巷侧采空区深度72 m以后即是氧化带，轨道留巷侧在采空区深度104 m以后进入氧化带，之前都是散热带；在距离双切留巷侧10 m 左右的采空区存在明显的煤自然发火“三带”，运输留巷侧氧化带范围在58～86 m，轨道留巷侧氧化带范围在89～112 m。

3 双切顶留巷采空区“三带”分布特征

3.1 模拟结果分析

双巷切顶成巷开采工艺的通风方式属于“两进两回”H 型通风。采用COMSOL Multiphysics 软件开展数值模拟研究，依据模拟设置，4502 工作面采空区内气体流场分布如图4。

图4 4502 工作面采空区内气体流场分布Fig.4 Gas flow field distribution in the goaf of working face 4502

从图4（b）可知：漏风区域主要为4502 切眼，但采空区内风流方向有着明显差异；4502 工作面采用H 型通风方式，轨道留巷连接补巷，风流汇流后由4 503 工作面切眼流出，漏风区域包含整个工作面，风流主要由4502 轨道巷隅角漏入采空区，采空区内大部分风流由运输留巷漏出，少部分风流由轨道留巷漏出。

采空区内漏风流场分布影响采空区氧气的分布，以采空区氧气体积分数作为划分采空区自然发火“三带”的指标，氧气体积分数18%作为氧化带与散热带的临界值，氧气体积分数7%作为氧化带与窒息带的临界值。采空区煤自然发火“三带”分布如图5。

图5 采空区煤自然发火“三带”分布Fig.5 Distribution of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf

由图5 可知：采空区两侧氧气积聚，氧气体积分数两侧高、中间低，双留巷侧存在细长的氧化带，氧化带在采空区内整体呈U 型分布。

采空区煤自然发火氧化带分布范围具体如图6，距离轨道巷不同距离处的煤自然发火“三带”分布范围见表2。

表2 距轨道巷不同距离处采空区“三带”分布范围Table 2 Distribution range of the “three zones” in goaf at different distances from rail lane

图6 采空区煤自然发火氧化带范围Fig.6 Oxidation zone range of coal spontaneous combustion in goaf

采空区中部在深度为32～65 m 范围为氧化带，在采空区深度120 m 以后，轨道留巷侧宽度为5 m 范围和运输留巷侧宽度为4.4 m 范围内为氧化带，该区域是煤自燃防控重点区域。

3.2 模拟结果验证

数值模拟得到的氧气体积分数与现场实测数据进行对比如图7。

图7 数值模拟结果对比验证Fig.7 Comparison and verification of numerical simulation results

从图7 可以看出：随工作面持续回采，采空区氧气体积分数模拟结果与实测数据变化规律基本一致，模拟结果能够很好地吻合现场实际。

3.3 不同开采时期采空区“三带”范围

不同开采时期采空区煤自然发火“三带”分布如图8，采空区煤自然发火“三带”范围具体量化见表3、表4。

图8 不同开采时期采空区煤自然发火“三带”分布Fig.8 Distribution of the “three zones” of coal spontaneous combustion in goaf during different mining periods

从图8 可以看出：采空区煤自然发火“三带”中期和后期整体趋势一致，氧化带呈“U”形分布，靠近轨道巷一侧均是散热带，而靠近运输巷一侧均是氧化带。

根据4502 工作面在不同开采时期采空区煤自然发火“三带”分布特征可知，双切顶成巷采空区煤自然发火“三带”整体呈“U”形分布，在开采初期（采空区深度300 m），采空区中部32～65 m 范围内为氧化带，在采空区深度120 m 以后，轨道留巷侧宽度为5 m 范围和运输留巷侧宽度为4.4 m 范围内是氧化带；在开采中期，采空区中部52～74 m 范围内为氧化带，在采空区深度200 m 以后，运输留巷侧宽度2.5 m 范围内是氧化带，而在轨道留巷侧宽度38 m 以内均为散热带，38 m 以后12 m 宽度为氧化带，且该氧化带越往采空区深部越靠近轨道留巷；在开采后期，采空区中部49～78 m 范围内为氧化带，在采空区深度200 m 以后，运输留巷侧也是在宽度2.5 m 范围内是氧化带，而在轨道留巷侧宽度40 m 以内均为散热带，40 m 以后12 m 宽度为氧化带，该氧化带越往采空区深部越靠近轨道留巷。因此，对于双切顶成巷工作面，在开采初期要加强双留巷侧5 m 范围和采空区中部32～65 m 范围内的煤自燃防控，在开采中后期，要加强运输留巷侧2.5 m 范围内、距离轨道留巷38 m 以后12 m 范围内和采空区中部30～80 m范围内煤自燃防控。

与常规U 型回采工作面相比，U 型回采工作面采空区煤自然发火“三带”分布更加规律，在不同开采时期，开采条件不变的情况下，煤自然发火“三带”分布基本一致，其随工作面推进范围稳定不变。而H 型通风双切顶成巷工作面采空区煤自然发火“三带”分布更加复杂，一方面“三带”分布范围动态变化，在开采的不同时期，煤自然发火“三带”分布存在较大差异；另一方面，采空区沿双留巷侧均存在氧化带，氧化带整体呈类“U”型分布，在开采中后期往运输留巷侧偏移。因此，对于双切顶成巷工作面采空区应加强双留巷侧漏风控制和采空区中部煤自燃状态监测监控，确保工作面安全回采。

3.4 双切顶留巷采空区煤自燃防控措施

结合4502 工作面采空区煤自然发火“三带”划分结果和工作面自然发火环境分析，4502 双切顶留巷采空区中部氧化带与留巷侧采空区是4502 工作面最容易发生自燃的位置。

对于采空区中部氧化带煤自燃防控，主要防控措施有：监测预警、喷洒阻化剂、喷洒高含水材料、钻孔注氮和钻孔注液态CO2等技术；针对留巷侧采空区，在不同的开采时期，防控范围存在一定差异，在开采初期要加强双留巷侧5 m 范围内，在开采中后期，运输留巷侧2.5 m 范围内、距离轨道留巷38 m 以后12 m 范围内的煤自燃防控，主要防控措施有：监测预警、工作面风量控制、双留巷侧堵漏、喷洒阻化剂、喷洒高含水材料、钻孔注氮、钻孔注二氧化碳和钻孔注胶体等技术。

4502 工作面采用双切顶成巷无煤柱开采工艺，为后续工作面回采和避免煤炭资源浪费带来了极大优势，但也增加了煤自燃重点防控范围，尤其是区别于U 型回采工艺的双留巷侧采空区煤自燃防控，特别要注意该区域的监测监控与堵漏，只有这样才能确保工作面安全回采。

4 结 语

1）以沙曲一矿4502 双切顶成巷工作面为原型，结合采空区孔隙率、渗透率变化规律及多孔介质气体扩散规律，构建了双巷切顶留巷采空区三维氧期体积分数场模型，通过现场监测数据与模拟数据对比，证明了模拟的可靠性。

2）双切顶留巷采空区漏风区域主要为工作面隅角及两侧留巷，风流主要由两侧隅角漏入采空区，同时采空区与两侧留巷都有风量交换；采空区留巷侧氧气聚集，氧气体积分数靠近留巷侧高、中间低，双留巷侧存在细长的氧化带，氧化带在采空区内整体呈U 型分布。

3）双切顶留巷工作面开采初期要加强双留巷侧5 m 范围和采空区中部32～65 m 范围内的煤自燃防控，在开采中后期，要加强运输留巷侧2.5 m范围内、距离轨道留巷38 m 以后12 m 范围内和采空区中部30～80 m 范围内煤自燃防控。