堵漏技术在无煤柱开采防火中的应用＊

贾宝山，尹 彬，林立峰，张师一

（1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新123000）

堵漏技术在无煤柱开采防火中的应用＊

贾宝山1，2，尹 彬1，2，林立峰2，张师一2

（1.辽宁工程技术大学 安全科学与工程学院，辽宁 阜新123000；2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室，辽宁 阜新123000）

无煤柱开采技术已广泛应用。该技术虽然提高了回采率，但同时也加剧了采空区的漏风量，大面积采空区联通给防灭火带来了难题。由于采空区难以触及等原因很难直接探知采空区内煤岩体的自燃情况。文中采用有限单元法计算了采空区内渗流速度场和氧浓度场分布，通过两者叠加划出了采空区堵漏前后自燃“三带”分布，并对比分析了堵漏前后两种情况下自燃带宽度的变化，可以看出漏风对采空区“三带”分布的影响较大，显示了在无煤柱开采中应用堵漏技术防治采空区自燃的必要性。

堵漏技术；无煤柱开采；自燃“三带”；有限单元法；数值模拟

0 引言

从传统的留煤柱开采方法可知，由于回采工作面支撑压力的作用，使进风巷和回风巷的上帮煤柱破坏，产生大量裂隙，当煤柱两侧风压不等时，易引起自燃。同时，大量煤柱的滞留增加了采区的遗煤量、降低了采区的回收率。实践证明，无煤柱护巷技术是合理开发利用煤炭资源、提高回采率、降低掘进率、减少巷道维护费、提高技术经济效益的有效措施，是在开采工艺上的一项重要改革。无煤柱开采一般可使采区回采率提高10%～20%，有的甚至提高25%～30%。沿空掘巷可使巷道维护条件得到不同程度的改善，应用沿空掘巷使回采巷道维修量降低25%，巷道掘进率降低5%～10%，沿空留巷可使掘进率降低25%～33%，局部可达40%［1］。

结合煤矿现场实际，依据采空区边缘压力、开采煤层的厚度及煤层倾斜等情况，在长期的实践中区段无煤柱护巷形成了沿空留巷和沿空掘巷两大技术，但无论哪种方法都加剧了采空区之间的漏风。漏风量的加大势必加剧发火的危险性，通过多年的研究我国在防治煤炭自燃方面已经形成了以“阻化”和“惰化”为主体的一系列成型技术［2］。然而，从采空区煤炭自燃角度看，采空区始终存在散热带、自燃带和窒息带，自燃带宽度亦决定了采空区浮煤自燃危险性的大小，自燃带越宽危险性就越大［3］。作者通过对采空区自燃“三带”在堵漏前后差异的模拟，尤其通过比对自燃带，指出堵漏技术在无煤柱开采中的必要性。

1 采空区自燃“三带”划分依据

现今划分采空区自燃“三带”主要有临界风速法、临界氧浓度法和流场与氧气浓度结合法［4－6］。本文采用流场与氧气浓度结合法（｜v｜≤v＊∩c＊≤c（e）），其中v＊为自燃氧化蓄热的风速上限值，c（e）为单元平均氧浓度，c＊为煤自燃氧化的氧浓度下限值［7］。当漏风强度大于0.004m3（m2／s）时，由于渗流速度较大自燃失去了蓄热条件处于散热带，当氧气浓度小于7%时，由于含氧量较低，煤氧反应速度极其缓慢或停滞处于窒息带，当漏风强度小于等于0.004m3（m2／s）并且氧浓度大于等于7%时，既有充足的氧气又有良好的蓄热条件则处于自燃带［8］。为简化在漏风强度与渗流速度之间的转化，此次模拟孔隙率取采空区通用平均值0.25［9］，所以临界渗流速度为0.016m／s。

2 采区流场模型

2.1 数学模型

采空区冒落程度是非均匀的，一般随位置的不同差异很大，其渗流场可用变渗透性系数的达西渗流耦合计算来近似描述。假设采空区充分冒落，顶、底板不透气，则得到如下控制方程［10－12］：

式中，x、y、z为三维空间坐标；Qx、Qy、Qz分别为三维方向上的漏风强度，m3·m－2·s－1；P为压力，Pa；k为绝对渗透率，其值为实验所得，m2；u为空气粘性系数，kg·m－1·s－1；c为氧气的质量浓度，kg·m－3；D为氧气在煤体中的扩散系数，m2·s－1；W 为煤的耗氧汇项，mol·m－3·s－1。

综合考虑氧化及采空区内瓦斯涌出对氧气的稀释作用，可得出耗氧汇模型如下式：

式中，W（O2）为煤的氧化耗氧量，mol·m－3·s－1；W（c）为考虑采空区内瓦斯涌出的稀释作用，与之等价的耗氧强度，mol·m－3·s－1；W（CH4）为采空区内部瓦斯涌出量，mol·m－2·s－1；γ0为煤耗氧速度的待定系数，mol·m－3·s－1；C0为新风流中的氧浓度，21%；H1为遗煤厚度，m；n为孔隙度；α为工作面回采率；k1为松散系数；m1为上部不可采煤层厚度，m；kp为压实碎胀系数；k（0）p为初始碎胀系

数；M为采高，m；H为顶板冒落高度，m；。边界条件：

在工作面边界上：

在其他边界：

在新鲜风边界上：

式中：Γ1—第一类边界；

R1—工作面单位长度的风阻，

L—工作面长度，m；

y—距工作面进风侧的距离；

Q—工作面的平均风量。

初始条件：

图1 U型通风方式布置图Fig.1 “U”style of ventilation mode

2.2 物理模型

采空区流场高度远小于采空区平面尺寸，二维模型无论从精度还是节约计算时间上都要优于三维模型，基于上述原因文中在实际的数值计算时略去高度采用二维模型。图1中Ⅱ区为相邻采区采空区，Ⅰ区为回采区，本文选取Ⅰ区为研究对象，主要是采空区部分，时下工作面至开切眼为200m，工作面长度100m，进风巷风量1000m3／min。选取距工作面50m、100m、150m三处漏风点作为典型进行模拟比对分析。

3 数值计算与结果分析

3.1 数值计算与参数选择

对于非线性的数学方程，本文采用迎风格式的有限单元法进行求解。数值计算过程使用COMSOL软件，将计算区域划分成4112个三角形网格，如图2所示。在等式约束优化问题的处理时引入了拉格朗日因子，从而使有限元方法得到了一个比较好的解［13］。

基于矿山现场实际，数值计算中参数选择如下：

图2 计算区域网格划分Fig.2 Mesh division of calculation region

u＝1.8×10－5kg·m－1·s－1，D＝2.88×10－5m2·s－1，n取0.25，k＝1.404×10－6m2，b0＝0.0235℃－1，k1＝1.5，M＝4.5m，m1＝0.4m，kp＝1.1～1.5，γ0＝0.098mol·m－2·h－1，R1＝0.0013N·S2·m－8，W（CH4）＝0.12～4.7mol·m－1·h－1。

3.2 堵漏前状态

通过数值计算，无煤柱开采采空区流场情况如图3所示。进风主要集中在工作面的进风侧，回风则分布在工作面回风侧及三个漏风点，三个漏风点的存在使得采空区风流呈抛物线型分布，且漏风量自工作面向里逐渐减小。图中可明显看出开切眼附近亦有风流的出现，其主要原因有：

（1）上覆岩层裂隙发育诱导采空区漏风［14］；

（2）采空区岩石冒落压实后与原保护煤柱之间形成了砌体梁结构使得开切眼附近裂隙变大。

图3 采空区流线图Fig.3 Streamline diagram of goaf

图4 采空区内渗流场Fig.4 Seepage field in goaf

采空区漏风渗流场如图4所示，进、回风侧的速度较大，最大值为0.198m／s，在7m 处始出现渗流风速上限值0.016m／s，50m处漏风点出现较大的风速值0.0196m／s。同时，图中显示在工作面进、回风侧风速梯度较大，随着采空区的深入风速梯度线变疏，上述现象之所以出现与采空区顶板的冒落及压实程度有直接的关系。

采空区氧浓度分布如图5所示。采空区靠近工作面侧氧浓度值较大，自工作面向里逐渐变小，三个漏风点处氧浓度分别为15%、5%、0.5%，在90m处始出现自燃氧浓度浓度7%。

图5 采空区氧浓度分布Fig.5 Distribution of oxygen concentration in goaf

图6所示为采空区遗煤氧化自燃“三带”分布。可以看出：散热带最大宽度为20m，最小宽度为7m；自燃带最大宽度为150m，最小宽度为80m，平均宽度为115m；冷却带最小宽度30m，最大宽度115m。图中显示，散热带及自燃带靠近进风侧宽度较大，其主要是，由于漏风点的存在使得工作面回风侧风量小于进风侧风量所致。同时，由于风速值较大，依据指标三处漏风点附近被划分为冷却带，且在第一个漏风点附近同时出现了下限7%的等氧浓度线。

图6 采空区自燃“三带”分布Fig.6 “Three zones”distribution of spontaneous combustion in goaf

3.3 堵漏后状态

堵漏后，由于工作面两侧进、回风总量基本一致，故采空区内流场趋于规则分布。图7所示为采空区渗流场，流场整体呈对称分布。进、回风侧风速较大，最大值为0.0413m／s，8m处始出现自燃带上限风速值0.016m／s，随后逐渐降低。

图8所示为采空区氧浓度分布线，随采空区位置向里氧浓度分布呈现出规律性的梯次渐变状态，整体微呈S型，自燃下限氧浓度始出现在73m处。

图7 采空区内渗流场Fig.7 Seepage field in goaf

图8 采空区氧浓度分布Fig.8 Distribution of oxygen concentration in goaf

图9 采空区自燃“三带”分布Fig.9 “Three zones”distribution of spontaneous combustion in goaf

图9所示为堵漏后采空区“三带”的分布，采空区自燃带最大宽度为70m，最小宽度为56m，平均宽度为62m；散热带最大宽度为18m，最小宽度为8m；距工作面78m以后采空区进入窒息带。与图6比较：堵漏前进风侧无论是上限风速等值线、下限氧浓度等值线整体呈现向深处移动；堵漏前自燃带无论是最大宽度还是平均宽度都较大，自燃带面积亦较大；堵漏后散热带明显呈对称分布。堵漏前采空区流场不规则，不稳定因素较多，对于已存在发火情况的采空区，随机性过多对火点位置的确定较困难，从而给及时灭火带来较大的困难。

3.4 堵漏措施及应用效果

无煤柱开采在提高回采率的同时，其实质上在采空区形成了一源多汇场加剧了内部漏风。图6及图9的模拟结果清晰的显示了漏风对“自燃带”宽度及位置的影响；同时，在无煤柱开采时，采空区的漏风，是使风流携带瓦斯变化的主要因素，从减少瓦斯涌出的角度而言，也应使采空区减少漏风量。

减少漏风主要从降低风压差和增大风阻两方面采取措施，有在煤壁外表面建密封设施的，也有喷注树脂、凝胶、水泥浆等浆液材料到压实区或充填区的，另外在煤柱中打孔注入混凝土灰浆、塑性石膏浆、凝胶等也已经证明是有效果的［2，15］。现今国内外在无煤柱开采防止漏风的具体技术措施主要有：沿空巷道挂帘布、利用飞灰充填带隔绝采空区、利用水砂充填堵漏、喷涂塑料泡沫防止漏风、利用可塑性胶泥堵塞漏风及采取“均压”措施，减少漏风。上述措施已在兴隆庄矿、芦岭矿、古山矿、松藻矿及义马常村矿、枣庄柴里矿等多处得到应用，并取得了一定的应用效果。

4 结论

（1）在建立数学模型时，对于耗氧汇综合考虑了氧化及采空区内瓦斯涌出对氧气的稀释作用，在此基础上建立的数学模型较之以往一些忽略瓦斯稀释作用的模型，与实际情况更加相符；

（2）就现实情况而言采用二维稳态的数值模拟方法并结合采空区“三带”理论，划分采空区“三带”的方法对现场有一定的参考价值；

（3）从模拟结果比对可明显看出堵漏前后“自燃带”的差异，显示了堵漏技术在无煤柱开采防火中应用的必要性，然而由于采空区尚有一些数据如孔隙率无法测出准确数值，所以数值模拟的结果与实际存在一定的差异。

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Plugging technology applied to fire prevention of mining without coal pillar

JIA Bao-shan1，2，YIN Bin1，2，LIN Li-feng2，ZHANG Shi-yi2

（1.College of Safety Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China；
2.Key Laboratory of Mine Thermodynamic Disaster ＆Control of Ministry of Education，Fuxin 123000，China）

The popular technology of mining without coal pillar improves the recovery rate.However，this technology may also aggravate the air leakage of mined-out area，and the collusion of widespread mined-out areas may lead to fires which are difficult to control.It is so difficult to directly investigate the spontaneous combustion of coal-rock mass in gob beyond the touching.In this paper，the distributions of seepage velocity and oxygen concentration are numerical computed by using the finite element method.The“three zones”distribution of spontaneous combustion is respectively divided before and after plugging the minedout area through the superposition of seepage velocity field and oxygen concentration.The changes of spontaneous combustion width are comparably analyzed under different conditions.The results show that air leakage in mined-out area has larger effect on the“three zones”distribution of spontaneous combustion.It is so necessary to adopt the plugging technology to control the spontaneous combustion of coal-rock mass in mined-out area.

Plugging technology；Mining without coal pillar；“three zones”of spontaneous combustion；Finite element method；Numerical simulation

TD75＋2.2；X915.5

A

1004-5309（2012）-0035-05

2012-01-02；修改日期：2012-01-12

国家自然科学基金项目（51074086）

贾宝山（1972-），男，河北省阜平县人，教授，博士，博士生导师.主要从事矿山安全方面的教学与科研工作。