宋亞新，王 帥，陳 凱，黃 云，于明生，李 剛

(1.國能包頭能源有限責(zé)任公司 李家壕煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦業(yè)學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

近距離煤層群開采中采空區(qū)層間裂隙導(dǎo)通，增加了采空區(qū)氣體流動的復(fù)雜性，增加了采空區(qū)煤自燃防治的難度[1]。采空區(qū)自燃“三帶”分布是防治采空區(qū)自然發(fā)火的基礎(chǔ)[2-4]。國內(nèi)外眾多專家、學(xué)者針對采空區(qū)自燃“三帶”展開大量研究，給定了劃分依據(jù)[5-7]。邸志乾等[8]以風(fēng)速為劃分標(biāo)準(zhǔn)，得到放頂煤綜采采空區(qū)“三帶”分布的形態(tài)及范圍；張辛亥等[9]以抽放工程為背景，提出了采空區(qū)滲流、氧化和擴(kuò)散的數(shù)學(xué)模型，對抽放條件下自燃“三帶”進(jìn)行劃分；余明高等[10]利用Matlab對采空區(qū)自燃“三帶”展開分析，得出采空區(qū)危險區(qū)域范圍；楊永良等[11]分析了頂板冒落規(guī)律與采空區(qū)自燃規(guī)律之間的相互關(guān)系；桂小紅等[12]對綜放工作面Y型通風(fēng)方式下的自燃“三帶”進(jìn)行劃分；雷焱云[13]采用數(shù)值模擬的方法對自燃“三帶”進(jìn)行劃分；宋萬新[14]給出了自燃“三帶”劃分的氧氣濃度指標(biāo)；劉忠全等[15]分析了采空區(qū)注氮對自燃“三帶”分布范圍的影響。劉清洲等[16]分析了淺埋煤層采動裂縫對采空區(qū)漏風(fēng)的影響。曹朕源等[17]開展了綜放面停采撤面期間的防滅火技術(shù)研究，形成了以注氮降氧惰化和膠體隔離堵漏的防滅火技術(shù)體系。眾多專家、學(xué)者對采空區(qū)自燃“三帶”及采空區(qū)火災(zāi)防治技術(shù)開展研究，對預(yù)防煤礦采空區(qū)自然發(fā)火具有重要意義[18-20]。然而，現(xiàn)有的采空區(qū)自燃“三帶”劃分成果大多以單一煤層為工程背景開展，針對近距離煤層群綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍的研究較少。為此，論文選取李家壕煤礦31114綜采工作面為工程背景，采用現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，針對近距離煤層群綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”開展研究，同時利用Fluent軟件對上鄰近層采空區(qū)遺留煤柱區(qū)域的氧濃度分布規(guī)律進(jìn)行模擬，最終給出煤層群開采條件下的防滅火措施。

1 工程概況

李家壕煤礦主采煤層為2-2煤和3-1煤，為易自燃煤層，煤層間距為30m。目前正在回采3-1煤，上方2-2煤已回采完畢，均為近水平煤層。當(dāng)前3-1煤回采工作面為31114工作面，該工作面采高為5m，采用一次采全高，但部分區(qū)域留頂煤仍然有遺煤存在。對應(yīng)上方為22中114工作面，該工作面采高為3m，煤層空間分布關(guān)系如圖1所示。31114工作面在回采過程中，頂板巖層垮落導(dǎo)通至上方采空區(qū)，且上方采空區(qū)遺留有20m寬的煤柱。31114工作面及22中114工作面采空區(qū)均具有發(fā)火危險。

圖1 煤層空間分布關(guān)系

2 本煤層采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測

本次測試依據(jù)氧濃度指標(biāo)進(jìn)行劃分，通過埋設(shè)束管對采空區(qū)內(nèi)的氣體成分、濃度進(jìn)行觀測。測點(diǎn)選取在31114綜采工作面，其上方對應(yīng)22中114工作面采空區(qū)，共布置測點(diǎn)6個，回風(fēng)巷、進(jìn)風(fēng)巷各3個，各測點(diǎn)間距均為30m，回風(fēng)巷測點(diǎn)沿回風(fēng)巷外幫布置，隨著工作面推進(jìn)向前延伸束管并取氣。運(yùn)輸巷測點(diǎn)布置在主運(yùn)巷，觀測孔穿過聯(lián)絡(luò)巷密閉墻，取氣點(diǎn)布置在輔運(yùn)巷。

回風(fēng)巷與運(yùn)輸巷三個測點(diǎn)均布置1根束管，采用多芯束管在不同接頭分支路，如圖2所示。在三通內(nèi)用黃土填實(shí)，保證氣密性，探頭外設(shè)置鐵罩保護(hù)；三個測點(diǎn)中間用三通連接。

圖2 各測點(diǎn)埋管觀測探頭布置

3 采空區(qū)自燃“三帶”觀測數(shù)據(jù)分析

3.1 自燃“三帶”劃定指標(biāo)

氧氣濃度是煤炭自燃發(fā)生的必要條件，依據(jù)前人研究成果在氧化升溫帶與散熱帶氧濃度臨界指標(biāo)選取時多以氧濃度18%為臨界值，在氧化升溫帶與窒息帶氧濃度臨界指標(biāo)選取時多以10%、8%、7%為臨界值，為確定氧化升溫帶與窒息帶氧濃度臨界指標(biāo)，選取3-1煤層煤樣在實(shí)驗(yàn)室開展氧化升溫測試，結(jié)果表明當(dāng)氧濃度低于7%時，CO增率出現(xiàn)拐點(diǎn)，如圖3所示，氧化進(jìn)程受到抑制。因此本方案中選取18%與7%氧氣濃度作為臨界指標(biāo)對31114綜采工作面采空自燃“三帶”進(jìn)行劃分。

圖3 煤樣CO濃度增率與煤溫關(guān)系曲線

3.2 采空區(qū)回風(fēng)巷氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

隨著工作面的不斷推進(jìn)，各測點(diǎn)逐步進(jìn)入采空區(qū)，對回風(fēng)巷中3個測點(diǎn)處每天的氧氣濃度進(jìn)行監(jiān)測記錄，繪制氧氣濃度與工作面推進(jìn)距離關(guān)系，如圖4所示。

圖4 回風(fēng)巷氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

由圖4可知，1號測點(diǎn)在工作面推過測點(diǎn)15m開始監(jiān)測測點(diǎn)氧氣濃度時已經(jīng)在18%以下，未監(jiān)測到散熱帶與氧化升溫帶界限。之后隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，當(dāng)工作面推過測點(diǎn)27m時，1號測點(diǎn)氧氣濃度首次下降至7%，表明1號測點(diǎn)測得的氧化升溫帶與窒息帶界限位于工作面后方27m。2號測點(diǎn)工作面推過測點(diǎn)6.3m后，測點(diǎn)氧氣濃度即下降至18%以下，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)推過測點(diǎn)35m后，測點(diǎn)氧濃度降至7%以下，表明2號測點(diǎn)測得散熱帶與氧化升溫帶界限為工作面后方6.3m處，氧化升溫帶與窒息帶界限為工作面后方35m處。3號測點(diǎn)在工作面推過測點(diǎn)2.2m后，測點(diǎn)氧氣濃度即下降至18%以下，隨著工作面進(jìn)一步推進(jìn)，當(dāng)推過測點(diǎn)29m后，測點(diǎn)氧濃度降至7%以下，表明3號測點(diǎn)測得的散熱帶與氧化升溫帶界限為工作面后方2.2m處，氧化升溫帶與窒息帶界限為工作面后方29m處。充分考慮防滅火安全問題，最終確定回風(fēng)側(cè)散熱帶為工作面后方0～2.2m，氧化升溫帶為工作面后方2.2～35m，窒息帶為工作面后方大于35m的范圍。

3.3 采空區(qū)運(yùn)輸巷氧氣濃度數(shù)據(jù)分析

運(yùn)輸巷氧氣濃度隨工作面推進(jìn)變化曲線如圖5所示。工作面推過該測點(diǎn)34.4m后，氧氣濃度開始緩慢下降，當(dāng)推進(jìn)至63m時，氧氣濃度降至18.0%，當(dāng)推進(jìn)至131m時，氧氣濃度下降至7%。最終確定散熱帶為工作面后方0～63m，氧化升溫帶為工作面后方63～131m，工作面后方大于131m范圍為窒息帶。

圖5 運(yùn)輸巷氧氣濃度隨工作面推進(jìn)距離變化曲線

4 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

4.1 31114工作面采空區(qū)自燃“三帶”

根據(jù)運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷中的觀測數(shù)據(jù)，按照氧氣濃度指標(biāo)劃分李家壕煤礦31114綜采工作面自燃“三帶”，如圖6所示。回風(fēng)側(cè)散熱帶0～2.2m，氧化升溫帶2.2～35m，窒息帶大于35m；進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶0～63m，氧化升溫帶63～131m，窒息帶大于131m；李家壕煤礦31114綜采面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬度為32.8m，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬度為68m。

圖6 31114綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分結(jié)果

4.2 工作面安全推進(jìn)速度確定

根據(jù)自燃“三帶”中散熱帶、氧化升溫帶的最大寬度可以判定回采工作面的最低推進(jìn)速度，保證合理的工作面推進(jìn)速度，使采空區(qū)內(nèi)的遺煤在其自然發(fā)火期內(nèi)甩入窒息帶。工作面安全推進(jìn)速度按照式(1)計(jì)算：

vz≥L/tm

(1)

式中，vz為工作面不含停產(chǎn)檢修時間的日平均推進(jìn)速度，m/d；L為采空區(qū)氧化升溫帶與工作面的最大距離，m；tm為煤層最短自然發(fā)火期，d。

李家壕煤礦煤層自然發(fā)火期為33d，31114工作面氧化升溫帶與工作面最大距離為131m，計(jì)算得到最小日推進(jìn)速度為3.97m/d；當(dāng)前李家壕煤礦3-1煤日推進(jìn)度約為10m/d，能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

5 鄰近采空區(qū)遺留煤柱發(fā)火防治技術(shù)

煤層群開采條件下，除了考慮本煤層發(fā)火威脅外還要考慮鄰近采空區(qū)遺煤自燃的威脅。當(dāng)前31114工作面采用一次采全高，在保證推進(jìn)度的條件下能夠保證本煤層安全回采?，F(xiàn)階段主要威脅為22中114工作面的回風(fēng)巷遺留煤柱，在31114工作面開采結(jié)束后，該煤柱落入到工作面上方裂隙帶范圍內(nèi)，易發(fā)生漏風(fēng)氧化自燃，因此需要對該煤柱位置氧濃度分布情況進(jìn)行分析。

5.1 采空區(qū)數(shù)值模擬模型建立

利用Fluent軟件對采空區(qū)遺留煤柱區(qū)域氧氣濃度進(jìn)行模擬研究，模擬以31114工作面、上部22中114工作面采空區(qū)及其上方巖層為研究對象，31114工作面斜長為300m，兩巷寬度為5.2m，高為3.8m，采空區(qū)走向長度選取為250m，兩工作面層間距選取為30m。滲透率通過已開展的煤層群開采相似材料模擬實(shí)驗(yàn)得到[21]，通過實(shí)驗(yàn)圖片中裂隙面積定量識別，得到裂隙演化規(guī)律及分布規(guī)律，基于裂隙面積計(jì)算得到滲透率分布規(guī)律，編寫程序?qū)δＰ蜐B透率進(jìn)行賦值。邊界條件設(shè)置中，由于煤層近水平，進(jìn)回風(fēng)巷標(biāo)高相同，巷道斷面相同，因此只考慮靜壓，地表相對氣壓設(shè)為0Pa，進(jìn)風(fēng)口相對靜壓-1200Pa，回風(fēng)巷為自由出口，進(jìn)風(fēng)入口風(fēng)速為1.2m/s。地表整體看作一個進(jìn)風(fēng)入口，設(shè)置為均布壓力入口，其余壁面全部為“wall”。

5.2 采場氧濃度分布規(guī)律模擬

對上鄰近層采空區(qū)內(nèi)氧濃度分布進(jìn)行研究，確定上鄰近采空區(qū)在未采取防滅火措施時的自燃危險區(qū)域分布，以便與采取防滅火措施后其內(nèi)部自燃危險區(qū)域的分布進(jìn)行比較，確定合理有效的綜合防滅火措施，模擬結(jié)果如圖7所示。

圖7 采空區(qū)遺留煤柱區(qū)域氧濃度分布

模擬結(jié)果表明，由于層間裂隙的存在，使得上部氧濃度分布較為復(fù)雜，并未像單一煤層開采時采空區(qū)氧濃度在工作面后方呈依次遞減規(guī)律分布，氧濃度在進(jìn)風(fēng)一側(cè)較高，在回風(fēng)一側(cè)相對較低，與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)基本保持一致，模擬結(jié)果能較真實(shí)的反映采空區(qū)實(shí)際情況。由于底部進(jìn)風(fēng)隅角通過頂板裂隙向上部采空區(qū)漏風(fēng)，使上部遺留煤柱所在位置部分區(qū)域處于高濃度氧氣區(qū)，增加了該區(qū)域自然發(fā)火的危險性；而該區(qū)域?yàn)楣ぷ髅嬷敛煽諈^(qū)后方50m范圍，因此對于上覆采空區(qū)遺留煤柱的重點(diǎn)防控區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婧蠓?0m范圍內(nèi)。

為驗(yàn)證數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性，選取疏放水孔作為觀測孔，內(nèi)部下入束管在工作面推進(jìn)超過疏放水孔30m的范圍內(nèi)對上方采空區(qū)開展取氣觀測，取氣孔布置如圖8所示。觀測結(jié)果表明，2-2煤采空區(qū)區(qū)域氧濃度為8%～9%之間，與模擬結(jié)果相近。

圖8 上覆采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律觀測

5.3 綜合防滅火措施

通過數(shù)值計(jì)算分析可以得到，當(dāng)前采空區(qū)漏風(fēng)通道為本煤層工作面漏風(fēng)及本煤層工作面通過頂板裂隙向上覆采空區(qū)煤柱漏風(fēng)，最終漏風(fēng)流由上覆采空區(qū)流回上隅角。因此可以通過密閉回風(fēng)隅角、進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮、遺留煤柱注漿相結(jié)合的綜合措施進(jìn)行防治。其中，地面封堵屬于日常火災(zāi)管理措施，回風(fēng)隅角密閉和進(jìn)風(fēng)側(cè)工作面后方20m處注氮屬于主要火災(zāi)預(yù)防措施，注漿為火災(zāi)發(fā)生處理措施，一旦監(jiān)測發(fā)現(xiàn)有火災(zāi)標(biāo)志性氣體時，向遺留煤柱區(qū)域進(jìn)行黃泥注漿，重點(diǎn)注漿區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婧蠓?0m范圍內(nèi)，并配合注入惰性氣體，進(jìn)行火災(zāi)撲滅。對地面封堵、回風(fēng)隅角密閉、進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮結(jié)合下遺留煤柱氧濃度分布進(jìn)行了模擬，地面封堵通過將模型地表漏風(fēng)壓力入口封閉得到，回風(fēng)隅角構(gòu)筑擋墻通過在模型回風(fēng)隅角建立寬5m、高3.2m、厚度為1m的密封擋墻幾何模型得到，注氮模擬通過在進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)后方20m設(shè)置氮?dú)馊肟诘玫?，結(jié)合礦井當(dāng)前防滅火設(shè)計(jì)設(shè)置注氮量為500m3/h，三種手段在模型中共同實(shí)施得到氧濃度分布結(jié)果如圖9所示。

圖9 綜合防滅火措施遺留煤柱區(qū)域氧濃度分布

通過模擬結(jié)果看出，在采取綜合防滅火措施后，上覆采空區(qū)全部區(qū)域氧濃度下降，氧濃度均降至7%以下，同時在生產(chǎn)中對本煤層及上覆采空區(qū)進(jìn)行取氣監(jiān)測，未發(fā)現(xiàn)火災(zāi)標(biāo)志性氣體及CO濃度持續(xù)升高的情況，因此該綜合防滅火措施是可行的。

6 結(jié) 論

1)獲取了煤層群開采本煤層采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，回風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶為0～2.2m；氧化升溫帶為2.2～35m；窒息帶大于35m；進(jìn)風(fēng)側(cè)范圍：散熱帶為0～63m；氧化升溫帶為63～131m；窒息帶大于131m；31114綜采面采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬度為32.8m，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬度為68m。

2)依據(jù)氧化升溫帶分布范圍，獲取了工作面最小日推進(jìn)度，31114綜采工作面最小日推進(jìn)度為3.97m/d，當(dāng)前李家壕煤礦3-1煤日推進(jìn)度約為10m/d，能夠滿足安全生產(chǎn)要求。

3)利用Fluent軟件模擬得到了煤層群開采上覆采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，氧濃度分布相互交錯，遺留煤柱氧濃度大于7%區(qū)域?yàn)楣ぷ髅婧蠓?0m范圍。

4)提出綜合防滅火措施，對于上方遺留煤柱，可以采用地面封堵、回風(fēng)隅角密閉、進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮、遺留煤柱位置注漿相結(jié)合的綜合防滅火技術(shù)。