工作面沿空侧采空区煤自燃危险区域研究

王 洋，董小明，吴建宾，吴明明，郭睿智

（1.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054；2.贵州安晟能源有限公司，贵州 贵阳 550000；3.兖州煤业鄂尔多斯能化有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017010；4.鄂尔多斯市营盘壕煤炭有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300）

留设窄煤柱沿空掘巷已成为一种提高煤炭回收率的有效开采方式[1]。但沿空掘巷会破坏煤体原始应力初始平衡状态，使煤柱破坏产生裂隙，导致漏风通道增多，加大沿空侧采空区遗煤自燃的危险性[2-3]。学者们针对采空区煤自燃危险性做了大量研究。牛阔、程卫民等[4-5]研究了采空区流场立体分布规律，以O2体积分数为指标划分了采空区遗煤自燃危险区域；褚廷湘、李品等[6-7]得到由于工作面推进初期的采空区氧化带范围不断变化，推进后期氧化带范围趋于稳定；文虎等[8-9]建立了高地温综放工作面沿空留巷煤自燃多物理场耦合动态模型，研究了采空区氧气浓度场及漏风流场；蒯多磊等[10]采用煤柱测温、位能测定等方法对五沟矿沿空掘巷煤柱和沿空侧采空区进行了研究，得到煤柱完整性是导致采空区漏风和遗煤自燃的主要原因；鲁义等[11]采用Fluent模拟研究了受压小煤柱易自燃区域，得出小煤柱沿空侧采空区25~75 m为煤自燃氧化带。综上，以营盘壕煤矿2202综采工作面和2201采空区为研究对象，分析采空区遗煤自燃极限参数，提出沿空侧采空区煤自燃危险区域的判别条件；采用Fluent模拟研究2202工作面回采过程中2201采空区的氧气体积分数分布规律，确定沿空侧2201采空区煤自燃危险区域，最后提出以控制漏风为主的沿空侧采空区煤自燃防治方法。

1 工作面概况

营盘壕煤矿煤自燃倾向性为Ⅰ类容易自燃煤层，最短自然发火期为47 d。2201工作面底板平均标高为524.1 m，工作面长300 m，推进长度2 556 m，平均煤层厚度为6.40 m。2201采空区北侧为2202工作面，2202工作面平均煤层厚度为6.30 m，煤层倾角为3°。2202工作面辅运巷与2201采空区运输巷留有约5 m的保护煤柱。随着2202工作面采动影响，容易导致煤柱被压裂产生漏风通道，增加了沿空侧2201采空区遗煤自燃的可能性。工作面位置布置关系图如图1。

图1 工作面位置布置关系图Fig.1 Position layout diagram of working face

2 沿空侧采空区气体监测

2.1 钻孔测点布置

通过保护煤柱向2201采空区施工若干个钻孔，在距离开切眼和停采线处各施工1个间隔20 m的钻孔，其余钻孔分别间隔50 m。钻孔距底板高度为1 m，钻孔深度为6 m，直径为65 mm，从开切眼处到停采线对钻孔进行编号，共计50个，测点布置如图2。钻孔内使用φ50 mm钢管以保护束管与温度探头，测点剖面图如图3。

图2 测点布置图Fig.2 Layout of measuring points

图3 测点剖面图Fig.3 Sectional view of measuring points

通过温度仪采集记录钻孔内的温度数据，同时，采用负压抽气泵连续2 min预抽取排出钻孔内的残余气体，再将随后抽取的气体收集于气袋中，送至地面利用气相色谱仪检测气体组分及体积分数。

2.2 监测结果

根据2202工作面的现场工作安排，选取2202工作面在不同回采阶段的测点数据进行分析。分别选取2019-04-13—2019-05-09的2202工作面回采期间的22、24、27测点的数据以及2019-11-21—2019-12-18的2202工作面停采前的42、44、46测点的数据，监测数据分布图如图4。

图4 监测数据分布图Fig.4 Distribution diagrams of monitoring data

在钻孔监测期间，测点CO体积分数均小于1.6×10-5，CO2体积分数分布在1.7%~2.5%，未出现CH4、C2H4和C2H6等气体。

由图4可知，测点氧气体积分数普遍较低，少部分测点在短时间内氧气体积分数较高。在2202工作面回采期间，氧气体积分数分布在10.1%~13.8%之间，温度在27~35℃之间波动上升，最高温度不超过35℃。在2202工作面停采前，测点氧气体积分数在10.3%~15%范围内波动幅度较大，最高温度不超过36℃。由于煤柱受外界应力破坏后出现大量裂隙形成漏风通道，导致2201采空区内部氧气体积分数较高。同时，2201采空区内遗煤缓慢氧化产生热量导致测点温度缓慢升高。

3 煤自燃危险区域判别条件

采用单个指标划分对沿空侧采空区煤自燃危险区域划分缺乏准确性，需要综合考虑以下因素：氧气体积分数、浮煤厚度、温升速率和最短自然发火期等。

3.1 煤自然发火实验测试

采用西安科技大学自主研发的煤自然发火试验台（XK-Ⅶ型），将破碎后的1 766 kg煤样装入实验炉，待炉内通气稳定后进行煤自然升温实验。煤样温度从33.7℃升至170℃，观测煤样在氧化升温过程中温度分布情况，分析气体组分变化规律，计算煤自燃特性参数。

最小浮煤厚度hmin和下限氧体积分数Cmin是采空区内遗煤发生自燃的2个关键参数，其计算过程分别如式（1）和式（2）[12]：

式中：Tm为遗煤温度，℃；T¯m为遗煤平均温度，℃；Ty为岩层温度，℃；Tg为风流温度，℃；λe为煤样的等效导热系数，J/（g·s·℃）；cg为风流比热容，J/（g·℃）；ρg为风流密度，g/cm3；为漏风强度，cm/s为新鲜风流氧气体积分数，%；为氧气体积分数为时对应温度的放热强度，J/（cm3·s）；h为浮煤的厚度，cm；x为沿空侧采空区内部距离巷道的距离，cm。

围岩温度取25℃，松散煤体导热系数为0.844 7×10-3J/（cm·s·℃），代入相应公式计算得出2201采空区遗煤下限氧气体积分数、上限漏风强度。不同浮煤厚度时的下限氧体积分数和上限漏风强度见表1，不同漏风强度时的极限浮煤厚度见表2。

表1 不同浮煤厚度时的下限氧体积分数和上限漏风强度Table 1 Lower limit oxygen volume fraction and upper limit air leakage intensity under different floating coal thickness

表2 不同漏风强度时的极限浮煤厚度Table 2 The ultimate floating coal thickness at different air leakage intensities

3.2 煤自燃危险区域判别条件

沿空侧采空区遗煤能够自燃其所处环境应满足如下条件[13]：

1）（h＞hmin）∩（C＞Cmin），即沿空侧采空区浮煤厚度h大于极限浮煤厚度hmin、氧气体积分数C不低于下限氧体积分数Cmin。

2）在满足条件1）的基础下这种状态维持的时间T长于煤最短自然发火期Tmin，T＞Tmin。

3）煤体温升速率不小于1°C/d。

4 沿空侧采空区数值模拟

4.1 理论分析

根据多孔介质传质学的理论，采空区内氧气的质量平衡方程为[14-15]：

式中：Qx、Qy、Qz为x、y、z方向上的漏风强度分量，m/s；Dx、Dy、Dz为x、y、z方向上的氧气扩散系数，m2/s；V（T）为某一时刻的耗氧速率，mol/（cm3·s）；V0（T）为新鲜风流中的耗氧速率，mol/（cm3·s）；C为某一时刻的氧气体积分数，%；C0为空气中的氧气体积分数，%。

4.2 数值模型及边界条件设定

设2202工作面长度为300 m，宽度为10 m，高度为6 m，采空区长度为300 m，进、回风巷的高为5 m，宽为5 m。在2202工作面回采和停采前，2201采空区长度为600 m，宽度为300 m，采用负压通风方式。2201和2202工作面采空区平均遗煤厚度为1.05 m，煤炭采出率为86%。沿空侧采空区三维计算模型如图5。

图5 沿空侧采空区三维计算模型Fig.5 Three-dimensional calculation model of the adjacent goaf

为了便于数值模拟计算，做出假设：松散煤体及采空区遗煤为均匀的、各向同性的多孔介质，采空区漏风风流仅在破碎的煤岩体内流动，模型部分参数见表3[16-18]。

表3 模型部分参数Table 3 Some parameters of the model

4.3 模拟结果

沿空侧采空区模拟结果如图6。

图6 沿空侧采空区模拟结果云图Fig.6 Cloud diagram of the simulation results in the adjacent goaf

选取工作面回采时期的22#、24#、27#和停采前的42#、44#、46#钻孔数据与沿空侧采空区数值模拟结果进行对比，数值模拟得到的氧气体积分数数值略高于现场监测氧气体积分数，其相对误差分别约为3.8%和4.2%，模拟结果与监测数据基本一致，证明了数值模型的可靠性。

由图6可知，2202工作面回采期间，回风隅角与沿空侧采空区交汇位置处的氧气体积分数较高，沿空侧采空区内氧气体积分数随采空区深度增加而递减，这是由于漏风风流在采空区内遇遗煤发生氧化反应逐渐消耗氧气，导致氧气体积分数逐渐减小；2202工作面停采前，回风隅角与沿空侧采空区位置交汇处的氧气体积分数仍然较高，且影响区域较回采期间的范围有所扩大，这是由于此时的保护煤柱逐渐减少导致应力集中明显，破碎程度加剧，漏风裂隙增多。

在2202正常回采期间，沿空侧2201采空区沿保护煤柱内侧的氧气体积分数较大。在高度为1 m的切面上，2201采空区氧气体积分数沿采空区深部呈扩散状态，沿空侧采空区沿保护煤柱内侧最远55 m范围内氧气体积分数高于8%；高度为3 m的切面上，氧气沿采空区扩散明显，氧气体积分数区域的面积增大；高度为5 m的切面上，氧气沿采空区深部扩散更加明显。随着工作面回采，保护煤柱的裂隙多增加于煤柱上部，煤柱上部区域漏风通道较下部增多。

在2202工作面停采前，高度为1 m的切面上，沿空侧2201采空区沿保护煤柱内侧的氧气体积分数较大。此时的工作面距离停采线只有300 m的距离，在2201采空区的停采线附近形成了低氧区域。沿空侧采空区沿保护煤柱内侧最远42 m范围内氧气体积分数高于8%；高度为3 m的切面上，氧气体积分数分布区域的面积增大。在高度为5 m的切面上，氧气沿采空区深部扩散更加突出，回风隅角与沿空侧采空区交汇位置处的氧气体积分数高达20%。

通过CFD-Post后处理软件导出的2201采空区沿保护煤柱内侧高1 m直线上的氧气体积分数示意图如图7。

图7 2201采空区沿保护煤柱内侧高1 m直线上的氧气体积分数示意图Fig.7 Schematic diagram of the oxygen volume fraction along the straight line with a height of 1 m inside the protective coal pillar in the 2201 goaf

根据煤自燃危险区域判别条件，沿空侧采空区内部氧气体积分数介于8%~18%，属于煤自燃危险区域[19-20]。从图7可以看出，营盘壕煤矿2202工作面回采过程中，2202工作面前部45 m至后部119 m宽55 m靠近煤柱侧的狭长区域，该区域氧气体积分数介于8%~15%之间，属于沿空侧采空区煤自燃危险区域。营盘壕煤矿2202工作面停采前，2202工作面前部63 m至后部107 m宽42 m靠近煤柱侧的狭长区域，该氧气体积分数介于8%~16%之间，属于沿空侧采空区煤自燃危险区域。

针对于沿空侧采空区煤自燃危险区域，2202工作面回采期间和停采前，需要对沿空侧采空区进行超前处理，降低其遗煤自燃的危险性。主要采取控制漏风技术防治沿空侧采空区遗煤自燃，采用对沿空侧采空区分段注凝胶高分子材料，阻断漏风通道，降低沿空侧采空区漏风量。同时，通过对沿空侧巷道半断面喷浆，进风隅角增设挡风帘等措施，减少向本面及沿空侧采空区的漏风量，最终减小沿空侧采空区漏风影响区域。

5 结 论

1）2202工作面回采时期，沿空侧采空区测点氧气体积分数在10.1%~13.8%范围内，最高温度不超过35°C。工作面停采前，测点氧气体积分数波动幅度较大且主要在10.3%~15%之间，最高温度不超过36°C。

2）沿空掘巷工作面回风隅角与沿空侧采空区位置交汇处氧气体积分数较高，且影响区域范围逐渐增大，同时沿空侧采空区氧气体积分数随着切面高度的增加而升高。

3）回采期间，沿空侧采空区煤自燃危险区域为2202工作面前部45 m至后部119 m宽55 m靠近煤柱侧的狭长区域；停采前，沿空侧采空区煤自燃危险区域为2202工作面前部63 m至后部107 m宽42 m靠近煤柱侧的狭长区域。