含聚氨酯充填陷落柱采空区煤自燃规律研究

郭刚

（中煤陕西榆林大海则煤业有限公司，陕西 榆林 719099）

0 引 言

陷落柱是一种由上覆坚硬的非可溶性岩层的古老基岩塌陷而形成的地质体，是一种在特定的地质条件下形成的地质现象[1]。在煤层形成陷落柱的过程中伴随产生大量的裂隙，为煤层氧化提供有利条件。采空区内陷落柱的发育将增加采空区漏风，漏风作用于采空区遗煤且加速其氧化，易引发采空区煤自燃[2-3]。

聚氨酯因其独特的力学性能和密封性能等诸多优势，在煤矿生产中的应用越发普遍，极大地提升了生产效率及煤矿安全生产[4]。目前聚氨酯广泛应用于煤岩加固、冒顶充填、堵水防渗和喷涂防漏风等方面。在煤岩加固方面，将聚氨酯浆液注入煤岩裂隙，聚氨酯材料在煤岩裂隙中膨胀并发生固化反应，由此将松散煤岩加固成凝结固体[5]。在冒顶充填方面，利用聚氨酯材料对高冒区内的实体进行充填，使充填材料充分占有冒落空间的同时也将其内部的瓦斯置换出来，从而防止瓦斯积聚现象[6]。在堵水防渗方面，聚氨酯浆液中的异氰酸酯基团遇水可快速发生固化反应，并逐渐形成不透水的固结层，由此达到封堵、防渗地下水的目的[7]。在喷涂防漏风方面，聚氨酯材料的高密度闭孔结构使其具有良好的防漏风性能；对矿井主要漏风源头进行喷涂聚氨酯则可有效防止漏风[8]。

利用聚氨酯对含陷落柱采空区进行修复是防止采空区漏风及煤自燃的有效手段之一。然而，目前关于聚氨酯修复含陷落柱采空区对其自燃影响的研究相对较少。同时，若想直接获取采空区煤自燃的动态发展过程也存在很大困难。因此，本文以现场实测为基础，结合数值模拟方法，研究聚氨酯修复陷落柱采空区对煤自燃的影响，旨在为含陷落柱采空区充填及煤自燃防治提供有效的理论基础。

1 工程概况

本文所选示范煤矿工作面整体是一个背斜和向斜交替变形区域，工作面可采长度1 777 m，切眼长度320 m。示范煤矿工作面采用两进一回的Y 型通风方式进行通风（图1）。工作面共布置4 条顺槽，其中胶带、辅运顺槽和进风顺槽进风，回风顺槽进风。工作面风流由辅运、胶带和进风顺槽进风，乏风经沿空留巷、回风流至回风顺槽；工作面总风量5 810 m3/min，其中胶带顺槽进风1 820 m3/min，辅运顺槽进风2 300 m3/min，进风顺槽进风1 040 m3/min，切眼风量2 700 m3/min。

图1 示范煤矿工作面及陷落柱区域示意Fig.1 Demonstration coal mine working face and collapse column area

胶带顺槽在掘进期间探、揭露出异常区陷落柱，经过2 次探查确定了异常区陷落柱水平和垂直方向的范围、岩性以及水文地质情况。该陷落柱位于工作面胶带顺槽附近，陷落柱内富水和填充物，主要为中、粗粒砂岩，块状，且大小不等，堆积无序，经地测部圈定该陷落柱范围，长轴为近东西方向，长度41 m，短轴为近南北方向，长度27 m，面积940.7 m2。2015 年10 月，瓦检员在工作面胶带顺槽巡查时发现该胶带顺槽附近有烟雾，随即对该处有害气体进行了检测，最终测得该地点的CO浓度为12 000 ppm，CH4浓度为2.3%，疑似工作面采空区有发火现象。

2 含陷落柱采空区自燃数值模拟参数

2.1 采空区物理模型

基于示范煤矿工作面的实际情况，建立Y 型通风含陷落柱采空区的物理模型，采空区及其内部模型尺寸如图2 所示。

图2 含陷落柱采空区物理模型Fig.2 Physical model of goaf with collapse column

2.2 边界条件及参数设置

（1）边界条件。根据井下实际情况，将主进风巷和副进风巷设为速度入口，风速分别为3 m/s和0.6 m/s，水力直径分别设置为4.25 m 和4.68 m，氧气质量浓度为23.2%。沿空留巷出口为压力出口，采空区和巷道壁面无滑移，以UDF 方式定义采空区中的耗氧源项。

（2）化学反应参数设置。采空区煤自燃属于化学反应较慢的燃烧，选用层流有限速率模型模拟化学反应。自燃反应采用挥发分燃烧近似代替，挥发分为自燃源项，挥发分的产量与煤体温度相关。煤、聚氨酯、煤和聚氨酯混合的密度、热传导系数及比热容参数见表1。

表1 参数设置Table 1 Parameter settings

（3）采空区孔隙度。相比于采空区，陷落柱区域和利用聚氨酯修复陷落柱区域孔隙率发生较大变化。模型中采空区部分孔隙率采用式（1）进行表征[9]。陷落柱位置依据陷落柱松散介质特性，其孔隙率大于采空区。假设陷落柱内孔隙率分布均匀，取值0.5。聚氨酯修复陷落柱区域，由于聚氨酯的填充作用，修复陷落柱区域孔隙率降低，取值0.05。

式中：nx为沿采空区回采方向上（x 轴）的孔隙率变化系数；L 为工作面长度，m；y 为沿采空区高度方向（y 轴）的坐标值，m。

3 结果与分析

3.1 自燃“三带”变化规律

采空区煤自燃与漏风强度关系密切，漏风给采空区带来氧气，并且漏风促进对流换热换。通常，氧气体积浓度可以用来划分自燃三带，主要为散热带（O2＞18%）、氧化带（O2∶8%～18%）和窒息带（O2＜8%）[10-11]。

不同类型采空区的氧浓度分布如图3 所示。正常采空区含氧量与距工作面和沿空留巷距离呈正相关，距离工作面和沿空留巷越近，采空区内氧量越高（图3a）。含陷落柱采空区的氧浓度分布由于陷落柱的存在，影响了氧化带分布，氧化带范围在陷落柱处出现扩增（图3b）。与正常采空区对比，含陷落柱采空区的氧浓度分布发生较大变化。这是因为陷落柱区域内由于孔隙率增大，内部漏风增多，致使陷落柱区域氧浓度上升，采空区内氧化带范围扩大。聚氨酯修复陷落柱采空区的氧浓度发生明显变化，由于陷落柱被聚氨酯充填，陷落柱区域孔隙率减小，风流进入陷落柱较少，陷落柱内氧气浓度显著降低（图3c）。与含陷落柱采空区氧浓度分布对比，聚氨酯修复陷落柱区域由氧化带转变为窒息带，氧化带面积显著缩小。

图3 不同类型采空区氧浓度分布Fig.3 Distribution of oxygen concentration in different types of goaf

对不同采空区高度的氧化带面积进行计算，得到氧化带面积随采空区高度变化的关系（图4）。对于正常采空区，随着采空区高度的增加，氧化带面积变化整体呈现先增加然后在减小，接着再增加最后再减小的变化趋势。这是由于随着空区高度的增加，沿空留巷处氧化带面积逐渐减少最后消失，所以氧化带面积随着采空区高度的增加会出现一个谷点。对于含陷落柱采空区，氧化带面积变化整体呈现先增加然后再减小。聚氨酯修复采空区后的氧化带面积变化趋势与正常采空区相似。

图4 不同类型采空区氧化带面积随采空区高度的分布Fig.4 Distribution of oxidation zone area of different types of goaf with goaf height

对于不同采空区下的氧化带面积可知，整体氧化带面积由大到小依次为含陷落柱采空区＞聚氨酯修复陷落柱采空区＞正常采空区。由此可见，含陷落柱采空区的煤自燃风险较大，通过聚氨酯修复采空区后，其氧化带面积明显下降，降低了煤自燃风险。

3.2 采空区自燃温度场变化规律

陷落柱对采空区火区蔓延有较大影响，通过对不同类型采空区火区温度场进行对比，可得出其自燃火区蔓延规律。不同采空区自燃温度场随时间的分布见表2。

表2 不同采空区自燃温度场随时间的分布Table 2 Distribution of spontaneous combustion temperature field with time in different goafs

正常采空区火区蔓延面积随时间推移逐渐扩大，向各个方向蔓延速度几乎相等。火区最高温度区（T ＞800 ℃）逐渐向工作面方向发展。这是因为靠近工作面火区新鲜风流汇入，氧气补给充分，自燃反应更剧烈，火区蔓延速度较快。采空区存在陷落柱时，自燃蔓延速度明显大于正常采空区。自燃向采空区深部蔓延速度较大于向工作面方向。这是因为采空区内换热方式主要为对流换热，风流由工作面方向采空区深部流动，因此热量流动方向与风流方向保持一致。陷落柱内风流增大，向采空区深部沿空留巷方向流动，因此自燃向此方向蔓延速度较大。聚氨酯修复陷落柱采空区发生自燃时，其自燃温度略大于正常采空区，明显小于含有陷落柱采空区。自燃温度向沿空留巷方向速度明显大于向工作面方向扩散。这是因为聚氨酯修复陷落柱内部孔隙率减小，陷落柱区域两侧风流速度增大，自燃产生热量随风流流向沿空留巷方向。

不同采空区的高温区域面积（T ＞127 ℃）随时间的变化规律如图5 所示。总体来看，随着时间的推移，含陷落柱采空区的整体高温区域面积较大，明显大于正常采空区的高温区域面积；在聚氨酯修复采空区后，其高温区域面积明显降低并接近正常采空区的数值。由此可见，聚氨酯修复陷落柱采空区火区蔓延速度略大于正常采空区火区，远低于含聚氨酯陷落柱采空区。因此，采用聚氨酯修复陷落柱能够有效降低含陷落柱采空区自燃的蔓延速度。

图5 高温区域面积（T ＞127 ℃）随时间的变化规律Fig.5 The variation of high temperature area(T ＞127 ℃)with time

3.3 采空区自燃气体浓度分布变化规律

研究不同类型采空区火区气体释放规律，对了解其自燃火区蔓延规律有重要作用[12-13]。对沿空留巷处的自燃气体成分进行监测，得到不同类型采空区的CO 释放规律。如图6（a）所示，正常采空区与含陷落柱采空区的平均CO 浓度整体呈现一个先升高、再下降、然后保持稳定的特征；聚氨酯修复陷落柱采空区自燃时的平均CO 浓度随时间的变化趋势与正常采空区与含陷落柱采空区类似。聚氨酯修复陷落柱采空区的平均CO 浓度明显高于含陷落柱采空区，这是因为聚氨酯在燃烧过程中产生大量的CO。

不同类型采空区沿空留巷CO 最高浓度与火区（T ＞127 ℃）面积比例系数随时间变化曲线如图6（b）所示。可以看出，曲线均快速上升然后缓慢降低；这是因为自燃开始时氧气供应较为充足，火区内氧气浓度随时间而下降，由此抑制了燃烧和CO 产率。聚氨酯修复陷落柱采空区自燃火区单位面积对CO 浓度变化贡献率出现时间早，并且明显高于正常采空区与含陷落柱采空区。因此，聚氨酯修复采空区自燃的CO 产率显著上升。由此可见，在对聚氨酯修复采空区自燃进行勘测时，若以CO作为指标气体，容易产生对火区自燃情况的误判。

图6 不同类型采空区的CO释放规律Fig.6 CO release lawof different types of goaf

4 结 论

（1）正常采空区含氧量与距工作面和沿空留巷距离呈正相关，含陷落柱采空区的氧化带范围在陷落柱处出现扩增。经聚氨酯修复后，含陷落柱采空区的氧浓度发生明显变化，聚氨酯修复陷落柱区域由氧化带转变为窒息带，氧化带面积显著缩小。

（2）不同类型采空区的整体氧化带面积由大到小依次为含陷落柱采空区＞聚氨酯修复陷落柱采空区＞正常采空区。由此可见，含陷落柱采空区的煤自燃风险较大，通过聚氨酯修复采空区后，其氧化带面积出现明显下降，降低了煤自燃风险。

（3）采空区存在陷落柱时，自燃蔓延速度明显大于正常采空区。聚氨酯修复陷落柱采空区发生自燃时，火区蔓延速度略大于正常采空区，明显小于含有陷落柱采空区。采用聚氨酯修复陷落柱能够有效降低含陷落柱采空区自燃的蔓延速度。

（4）3 种类型采空区自燃时的平均CO 浓度随时间的变化趋势类似，聚氨酯修复陷落柱采空区的平均CO 浓度明显高于含陷落柱采空区和正常采空区。同时，在对聚氨酯修复采空区自燃进行勘测时，若以CO 作为指标气体，容易产生对火区自燃情况的误判。