杜海剛李龍飛褚廷湘

（1.六盤水師范學院，貴州省六盤水市，553004；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

★煤礦安全★

瓦斯抽采下沿空留巷采空區(qū)遺煤自燃危險識別研究*

杜海剛1，2李龍飛2褚廷湘2

（1.六盤水師范學院，貴州省六盤水市，553004；2.河南理工大學安全科學與工程學院，河南省焦作市，454003）

針對瓦斯抽采下沿空留巷采空區(qū)遺煤自燃問題，以試驗礦24208工作面為研究背景，采用UDEC4.0和Fluent進行數(shù)值模擬，識別了工作面回采過程中頂?shù)装辶严栋l(fā)育形成機制及演化規(guī)律，分析了風量對采空區(qū)流場及風排瓦斯的擾動關系，采用示蹤氣體實測了工作面立體空間的漏風去向及漏風比例。結果表明：當工作面推至65 m時覆巖層達最大程度卸壓，垂直裂隙發(fā)育高度最大達25 m，有效滿足瓦斯抽采；采空區(qū)的漏風去向：工作面—采空區(qū)—壓埋管鉆孔、工作面—采空區(qū)—沿空留巷、工作面—采空區(qū)—鄰近層高位鉆孔；隨風量的增加，采空區(qū)氧化帶寬度不斷擴大且向深部靠攏，下邊界整體后移，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u下降。

瓦斯抽采 沿空留巷 煤自燃 數(shù)值模擬 示蹤氣體

沿空留巷具備提高煤炭資源回收率、減少巷道掘進、緩解礦井采掘接替、有效解決隅角瓦斯積聚超限的優(yōu)點而在部分礦井中得到應用。但是沿空留巷經(jīng)歷兩次采動影響，特別是本工作面回采后原巖應力與強采動應力疊加，導致巷道圍巖變形，且沿空留巷充填墻因承壓易破碎而形成漏風通道，對具備煤自燃的工作面采空區(qū)增加了漏風來源。袁亮通過對首采關鍵層留巷采空區(qū)邊緣巖體結構變形破壞和裂隙演化規(guī)律的分析，揭示了采動影響區(qū)內(nèi)頂板巖層裂隙的動態(tài)演化及采空區(qū)側豎向裂隙發(fā)育區(qū)的形成規(guī)律；周保精等研究了留巷頂板與充填體相互作用機理、充填體-圍巖協(xié)調(diào)變形機理、軟介質接頂充填體應力均布效果以及軟介質接頂充填體和冒落矸石膠結固化充填體的穩(wěn)定性，同時，確定了合理的巷旁充填寬度；趙兵文等研究Y型通風下煤與瓦斯共采技術，比較了U型和Y型通風條件下瓦斯的運移規(guī)律；郭厚洋等分析了Y型沿空留巷的三帶分布規(guī)律，同時研究了有無瓦斯抽采條件下的三帶分布特征，并提出綜合防治措施。綜上，沿空留巷在工作面滯后開采影響下，巷道圍巖的變形很大，其頂板下位巖層在不同時期會受到來自不同方向上力的擾動作用，這種擾動作用既具有反復性，又具有多次性，每一次擾動都會造成巖層內(nèi)部節(jié)理裂隙的變化，因此會進一步破壞下位巖層的完整性，從而造成頂板破碎。隨著工作面開采深度的增加，上區(qū)段回采后，采空側上覆巖體斷裂，沿空留巷易造成覆巖破碎，形成大量豎向裂隙，沿空留巷外側應力集中，上部巖層壓縮膨脹形成橫向裂隙，而沿空留巷外側與回風相連，可見若內(nèi)外壓差不平衡，易形成漏風，這對具有自然發(fā)火的煤層開采是不利的。鑒于此，以試驗礦24208工作面為研究背景，通過識別工作面回采過程中頂?shù)装辶严栋l(fā)育形成機制及演化規(guī)律，實測立體區(qū)域漏風走向，分析風量對采空區(qū)氧氣濃度場、漏風流速場以及風排瓦斯效果的擾動關系，對于煤自燃防治提供基礎參數(shù)及研究思路是十分有必要的。

1　工作面概況

24208工作面開采4#煤層，東面為北回、北膠、北軌大巷；南面為24207采空區(qū)，采空區(qū)在傾向上距離24208軌道巷45 m；西面為未開掘區(qū)；北面為22201采空區(qū)，其垂直投影距離24208帶式輸送機巷60 m。24208工作面走向長1563 m，傾斜長260 m。4#煤層平均傾角為4°，平均厚度為4.3 m，瓦斯含量10.89 m3/t，具有突出危險性和爆炸性，爆炸指數(shù)21%～30%，其垂直上方10 m處是3#自燃煤層，垂直上方15 m處是2#自燃煤層。24208工作面回采過程中，由于3#煤層位于頂板裂隙帶較低層位，其有可能垮落于下部采空區(qū)中，增加了4#煤層采空區(qū)遺煤量。為安全回采24208工作面，在24208回風巷距切眼20 m處開始布置第1組高位鉆場，在距第1組鉆場間距100 m布置第2組鉆場，每組鉆場布置5個鉆孔，鉆孔間距為0.5 m，鉆孔終孔端間距20 m，鉆孔終孔端控制在8～12倍采高，每組鉆孔連接充填施工過程中引出的瓦斯管路。沿空留巷工作面采空區(qū)瓦斯抽采管路布置如圖1所示。

圖1　沿空留巷工作面采空區(qū)瓦斯抽采管路布置

2　煤巖裂隙發(fā)育誘導漏風通道形成機制

針對24208工作面的巷道布置及煤巖賦存條件，為了掌握頂?shù)装辶严栋l(fā)育形成機制及應力變化特征，利用UDEC4.0軟件數(shù)值模擬煤巖裂隙發(fā)育隨推進距離的變化規(guī)律。

24208工作面煤層為近水平煤層，工作面基本頂?shù)某醮慰迓洳骄酁?5 m左右，因此設計24208工作面的開采寬度為25 m（方案1）和45 m（方案2）；為了研究裂隙分布隨工作面推進的演化規(guī)律，同時由于周期來壓步距為14 m，模擬工作面推進兩個周期來壓后的裂隙分布情況，因此設計24208工作面的開采寬度為65 m（方案3）；為了模擬出24208工作面充分壓實后的裂隙分布情況，設計24208工作面的開采寬度為100 m（方案4）。

2.1裂隙發(fā)育特征

模擬結果表明:工作面推進25 m時，4#煤層直接頂隨著開采空間的擴大而垮落，直接頂上方基本頂圍巖強度大，破壞較輕，巖層下沉不同步，各個層間產(chǎn)生層間裂隙，同時受采動影響，直接底發(fā)生底鼓，且開采空間小，底板受到兩側煤體超前壓力變形大，底鼓量達到50 mm左右，產(chǎn)生層間和豎向裂隙，裂隙貫通厚度達煤層下方4 m，頂、底板裂隙發(fā)育特征如圖2所示。

圖2　工作面推進25 m時頂、底板裂隙發(fā)育特征

圖2中橫坐標代表工作面走向，縱坐標代表覆巖垂向；當工作面推至45 m時，采空區(qū)基本頂巖及上部巖層發(fā)生剪切破壞，上覆巖層出現(xiàn)大范圍移動，基本頂發(fā)生垮落，冒落帶高度達煤層上方22 m左右，基本頂附近巖層隨之發(fā)生拉伸破壞，頂板裂隙發(fā)育較大，上覆巖層產(chǎn)生豎向、層間裂隙，另外，采空區(qū)底板發(fā)生變形，最大壓縮變形發(fā)生在切眼外側10 m和工作面前方10 m附近，變形范圍在上述方向達到25 m左右，在切眼內(nèi)側10 m和工作面后方采空區(qū)10 m附近處產(chǎn)生最大底鼓變形；當工作面繼續(xù)推進至100 m過程中，直接頂自行冒落，上位巖層和底板巖層在主應力和剪應力的作用下，不斷地發(fā)生破壞運動，且隨著離層和豎向裂隙的不斷發(fā)展，垂直裂隙發(fā)育高度達到25 m左右，隨著工作面的移動，在垂直方向上覆巖豎向裂隙發(fā)育較穩(wěn)定。

2.2覆巖應力變化特征

模擬結果表明:隨著工作面推進，覆巖應力卸壓區(qū)域在采空區(qū)上、下方發(fā)展。當開采到25 m左右時，見圖3（a）（圖中橫坐標代表工作面走向，縱坐標代表覆巖垂向），采空區(qū)上方2#煤層和3#煤層之間受采動影響，煤層應力為4 MPa左右，為原始應力的1/3，卸壓范圍較小，距離4#煤層底板5 m的5#煤層同樣受采動影響，采空區(qū)垂直方向上垂直應力為4 MPa，卸壓范圍小，卸壓程度比較低，3#煤層和5#煤層基本沒有卸壓；當工作面推進至45 m時，工作面前方和切眼外側附近煤巖應力集中，應力最大值達到14 MPa，應力影響范圍約為20 m，同時在工作面后方采空區(qū)側和切眼內(nèi)側約10 m范圍應力降低，而采空區(qū)中間區(qū)域圍巖應力有所恢復，最大應力值為10 MPa，但仍為卸壓區(qū)；當推進65 m時，4#煤層上方22 m左右垂直應力進一步降低，約為4 MPa，為其原始應力的1/3，且卸壓充分，5#煤層垂直應力值約為6 MPa，為原巖應力值的1/2，卸壓程度進一步增大，同時5#煤層和2#煤層卸壓范圍擴大；當推進100 m時，見圖3（b），采空區(qū)中部的覆巖重新趨于壓實，位于采空區(qū)中部煤巖垂直應力已基本恢復至原巖應力，但在采空區(qū)兩側仍各保持一個卸壓區(qū)，因而在采空區(qū)四周形成一個垂直應力降低區(qū)，對應采動裂隙O形圈理論，且由模擬可知，沿走向任一點，在工作面采過65 m左右時達最大程度卸壓，當工作面采過100 m后趨于重新壓實，上鄰近層層位在22 m左右裂隙充分發(fā)育。而通過經(jīng)驗公式計算出，24208采空區(qū)頂板圍巖導氣帶高度為27.2～38.4 m，表明模擬結果可信，即隨工作面的推進，頂?shù)装辶严栋l(fā)育充分，能夠有效滿足瓦斯抽采，提供漏風通道及漏風動力。

2.3工作面漏風 “源匯”定量分析

采空區(qū)瓦斯抽采主要通過高位鉆孔和裂隙帶鉆孔及沿空留巷壓埋管抽采相配合的立體瓦斯抽采技術方式。然而，沿空留巷充填墻因承壓易破碎而形成漏風通道，再加上充填墻體上方埋管負壓抽采，極易造成漏風向采空區(qū)深部流動，增大工作面采空區(qū)漏風；高位鉆孔抽采條件下，采空區(qū)負壓增大，工作面漏風風流有可能在高位鉆孔負壓抽采動力作用下，通過采空區(qū)上覆裂隙通道，進入裂隙帶高位鉆孔，可見，采空區(qū)上覆煤巖裂隙發(fā)育及卸壓，形成大量煤巖裂隙，加上抽采負壓，就會形成工作面—采空區(qū)—鄰近層/沿空留巷—抽采斷口的橫向及縱向漏風通道及漏風動力。同時，覆巖層冒落的不規(guī)則性對于具有自燃傾向的煤層來說，瓦斯抽采及裂隙發(fā)育對采空區(qū)浮煤自然發(fā)火提供了氧化動力基礎及松散條件，對于礦井防滅火十分不利。根據(jù)數(shù)值模擬分析，隨工作面距離的不斷推進，頂板覆巖得到不同程度的卸壓，最大垂直裂隙發(fā)育高度達到25 m，且垂直應力和圍巖應力都呈規(guī)律性變化，說明在煤巖采動過程中，裂隙發(fā)育給工作面提供了漏風通道。為了確定工作面的漏風去向，對工作面進行合理布點，采用SF6示蹤氣體連續(xù)釋放進行現(xiàn)場觀測。監(jiān)測發(fā)現(xiàn):工作面漏入采空區(qū)風量為506 m3/min，根據(jù)質量守恒定律，采空區(qū)漏風量與采空區(qū)瓦斯涌出量之和為525.25 m3/min。沿空留巷流出風量347 m3/min。通過工作面“源匯”關系和質量守恒定律計算出工作面采空區(qū)漏風損失為178.25 m3/min。在24208立體瓦斯抽采中，高位鉆孔抽采混合量為60 m3/min，沿空留埋管抽采混合量為108.95 m3/min。工作面采空區(qū)漏風去向為:采空區(qū)漏風風量66.1%經(jīng)沿空留巷充填墻流入沿空留巷側，進入回風系統(tǒng)；20.7%從壓埋管抽走；11.4%通過采空區(qū)上覆裂隙進入高位鉆孔抽采系統(tǒng)，1.8%漏風風量進入鄰近采空區(qū)其他位置。漏風風流流動路徑為:工作面-采空區(qū)-壓埋管鉆孔；工作面-采空區(qū)-沿空留巷；工作面-采空區(qū)-鄰近層高位鉆孔。

圖3　工作面推進過程中圍巖垂直應力分布

3　瓦斯抽采下采空區(qū)流場特征分析

為有效地防治在瓦斯抽采下的遺煤自燃，本文建立數(shù)值模型，分析工作面風量對采空區(qū)的流場及風排瓦斯的擾動效應，為風量調(diào)節(jié)與煤自燃防治提供合理的技術參數(shù)。

以現(xiàn)場測定的數(shù)據(jù)作基礎，構建數(shù)值模型，模擬了風量1200 m3/min、1600 m3/min、2000 m3/ min、2400 m3/min時采空區(qū)漏風流速場、氧氣濃度場及風排瓦斯情況。

3.1漏風速度場擾動分析

模擬結果表明:當進風量在1200 m3/min時，采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域上限邊緣滯后工作面36.1 m，采空區(qū)進風側易氧化區(qū)域及中部易氧化區(qū)域上限邊緣滯后工作面7.2 m；采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面291 m（291 m的位置是沿空留巷模擬的第一個插管抽采的位置），采空區(qū)進風側易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面18.1 m，中部易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面45.2 m，靠近回風側；以采空區(qū)漏風速度上下邊界的空間位置來看，進風側易氧化區(qū)域寬為10.9 m，采空區(qū)中部易氧化區(qū)域寬度達38 m，采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域為工作面滯后36.1 m以里空間。隨著風量增加，采空區(qū)易氧化區(qū)域不斷擴大，采空區(qū)易氧化區(qū)域的下邊界整體后移，采空區(qū)易氧化區(qū)域向采空區(qū)深部靠攏，從漏風風速來看，進風側易氧化區(qū)域寬度、采空區(qū)中部易氧化區(qū)域寬度、回風側易氧化區(qū)域寬度隨風量增加逐漸增大。

3.2氧氣濃度場擾動分析

模擬結果表明:進風量在1200 m3/min時，在模擬采空區(qū)300 m范圍內(nèi)，采空區(qū)最低氧氣濃度為9.45%，沿空留巷側插管抽采區(qū)域氧氣濃度在14.7%～18.9%范圍內(nèi)波動，高位鉆孔控制區(qū)域氧氣濃度在9.45%～14.7%范圍內(nèi)波動。采空區(qū)漏風嚴重，易氧化區(qū)域范圍大，采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域上限邊緣滯后工作面95.7 m，采空區(qū)進風側易氧化區(qū)域上限邊緣滯后工作面78.3 m，中部易氧化區(qū)域上限邊緣滯后工作面69.6 m；采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面300 m，采空區(qū)進風側易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面243.6 m，中部易氧化區(qū)域下限邊緣滯后工作面280 m；從適宜遺煤自燃的氧氣濃度范圍及采空區(qū)氧氣濃度上下邊界的空間位置來看，進風側易氧化區(qū)域寬度達165.3 m，采空區(qū)中部易氧化區(qū)域寬度達210.4 m，采空區(qū)回風側易氧化區(qū)域為工作面滯后95.7 m以里空間；受高位鉆孔抽采及沿空留巷插管影響，回風側氧化區(qū)域不連續(xù)，在高位鉆孔影響區(qū)域出現(xiàn)不易自燃區(qū)，而與之鄰近區(qū)域氧氣濃度滿足自燃發(fā)生的需要。隨著風量增加，受抽采影響不連續(xù)區(qū)域范圍逐漸變小最終呈現(xiàn)連續(xù)，但采空區(qū)易氧化區(qū)域的邊界整體后移，采空區(qū)易氧化區(qū)域向采空區(qū)深部靠攏。

通過模擬可知，在不同風量及高位鉆孔抽采、沿空留巷插管抽采下，采空區(qū)氧氣濃度變化差異較大，采空區(qū)易氧化區(qū)域的分布受風量及抽采擾動較大，易氧化區(qū)域處于采空區(qū)深部。從模擬的結果可得，風量在1200 m3/min時易氧化區(qū)域滯后工作面的最小距離為69.6 m，氧氣濃度下邊界在回風側充斥整個流場邊界；風量在1600 m3/min時易氧化區(qū)域滯后工作面的最小距離為118 m，氧氣濃度下邊界在回風側充斥整個流場邊界；風量在2000 m3/min時易氧化區(qū)域滯后工作面的最小距離為137.7 m，氧氣濃度下邊界在回風側充斥整個流場邊界；風量在2400 m3/min時易氧化區(qū)域滯后工作面的最小距離為159.1 m，氧氣濃度下邊界在回風側充斥整個流場邊界。

3.3風排瓦斯擾動分析

通過對不同風量下回風巷急聯(lián)絡巷瓦斯?jié)舛葦_動模擬可知，當風量為1200 m3/min時，回風巷（軸線）瓦斯?jié)舛葹?.74%，回風聯(lián)絡巷隅角瓦斯?jié)舛葹?.32%，隨風量的增加，兩個區(qū)域瓦斯?jié)舛榷枷陆?，但回風巷的瓦斯?jié)舛认陆递^大，表明在保持采空區(qū)抽采的情況下，隨著風量的增加，風排瓦斯?jié)舛葏^(qū)域降低，在1200～2400 m3/min風量下風排瓦斯相對安全，但在生產(chǎn)過程中仍需重視回風聯(lián)絡巷隅角的瓦斯積聚。

4　結論

本文采用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測，識別了工作面推進過程中頂?shù)装甯矌r裂隙發(fā)育和垂直應力變化特征，定性分析了采空區(qū)的漏風通道和定量分析了漏風去向比例，分析了風量對漏風速度場、氧氣濃度場、風排瓦斯的擾動效應，為礦井煤自燃防治措施的實施提供了技術參考，避免單一角度識別采空區(qū)遺煤自燃危險的局限與不足。

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Study on the identification of gob coal spontaneous combustion hazard under gob-side entry retaining and gob gas drainage

Du Haigang1，2，Li Longfei2，Chu Tingxiang2
（1.Liupanshui Normal University，Liupanshui，Guizhou 553004，China；2.College of Safety Science and Engineering of Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454003，China）

For the gob coal spontaneous combustion problem under gob-side entry retaining and gob gas drainage，formation mechanism and evolution law of roof and floor fracture in the process of 24208 working face of test mine mining were identified by UDEC4.0 and Fluent software for numerical simulation.The influence of air volume and gob air flow field and the gas drainage by ventilation was analyzed.The flow trace and volume of air leakage of the stereo space of working face were measured by using tracer gas.The results show that overburden stratum achieves the maximum range pressure relief when the working face advancing to 65 m and vertical fracture maximum height reaches 25 m，which effectively meet the gas drainage；the passage of gob air leakage as follows:working face-gob-buried hole for gas drainage and working face-gob-gob side entry retaining and working face-gob-adjacent layer high hole；the gob oxidation zone width expands and draws close to the deep and the down boundary integral moves to backward with theincrease of the air volume，and then the gas concentration in return corner is gradually decline.

gas drainage，gob-side entry retaining，coal spontaneous combustion，numerical simulation，tracer gas

TD752.2

A

杜海剛（1985-），男，土家族，貴州省銅仁人，講師，碩士，主要從事火災防治及瓦斯抽采方面的科研與教學工作。

（責任編輯 張艷華）

貴州省教育廳青年基金（黔教合KY字〔2014〕313），國家自然科學基金（51404090，U1361205，51304071，51304073），六盤水師范學院校級基金項目（LPSSY201405）