浅埋近距离煤层内错布置采空区自燃危险区域研究*

  贺  飞1,2，王继仁1，郝朝瑜1，岑  旺3，邢国富3，祁学谦3

（1．辽宁工程技术大学安全科学与工程学院，辽宁阜新123000；2．煤矿重大动力灾害防控协同创新中心，辽宁阜新123000；3．伊泰集团酸刺沟煤矿，内蒙古鄂尔多斯017000）

摘要：浅埋近距离煤层内错布置开采下部煤层时，地表裂隙易与复合采空区相互贯通，造成地表漏风，使采空区，特别是上部老采空自燃危险区域的分布难以预测。针对此问题，以酸刺沟煤矿6上109工作面至地表空间为研究对象，在漏风测定及束管监测的基础上，建立地表与复合采空区漏风模型，借助FLUENT数值模拟软件，研究地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。研究表明，地表漏风最终汇入下部采空区回风侧，加大了其自燃危险区域范围；漏风流在向回风侧偏移的过程中，由于煤柱的阻挡，风速逐渐降低，与下部漏人的风流共同作用，使上部老采空区形成了氧浓度中间低四周高的不规则环状自燃危险区域；下部采空区进风侧向上的漏风增加了本煤层采空区的总漏风量，加大了其自燃危险区域宽度，同时增加了上部老采空区局部氧浓度，使其自燃危险性增大。

关键词：浅埋近距离煤层；内错布置；复合采空区；漏风；自燃危险区域

中图分类号：X936doi: 10.11731/j．issn．1673 -193x．2016. 02. 012

0 引言

 浅埋近距离煤层开采时，因多次采动影响，采空区易与地表连通，造成地表及采空区间漏风，一旦发生遗煤自燃，产生的有毒有害气体将在多煤层间流动，发火地点难以判断，治理困难。因此对浅埋近距离煤层采空区自燃危险区域进行研究，对掌握上下采空区氧浓度分布、自然发火地点的判断及防治有重要意义。

 近年来，我国学者对采空区自燃危险区域进行了很多研究。曹凯等通过采空区松散煤体内氧气迁移模型，研究浅埋煤层采空区自燃危险区域；张辛亥等通过数值方法求解近距离煤层采空区渗流三维稳态模型，划分采空区自燃危险区域；肖肠等通过近距离煤层采空区自然发火预测模型，指导近距离煤层自燃火灾的防治。虽然我国学者对浅埋煤层以及近距离煤层采空区自燃危险区域都进行了研究，但没有将浅埋及近距离两种煤层赋存形式结合起来，对地表与复合采空区相互连通时的复杂漏风进行研究。

 本文以酸刺沟煤矿浅埋近距离煤层为研究对象，在地表漏风测定及采空区束管监测的基础上，建立由地表覆岩、上部老采空区、本煤层顶板岩层及采空区四层空间构成的地表与复合采空区三维漏风模型，并在建模过程中考虑了来压步距对顶板裂隙的影响，借助FLUENT数值模拟软件，模拟上下采空区氧浓度分布及采空区漏风情况，对自燃危险区域进行研究。

1  现场概况及采空区氧浓度实测

1.1  现场概况

 酸刺沟煤矿4#与6上两煤层同时开采，上下煤层工作面内错布置。4#煤层为浅埋煤层，平均煤厚3.82 m，已基本开采完毕，大部分为封闭的老采空区，地表出现大量裂隙。下部回采的6上  109工作面长240 m，综放开采，平均煤厚9. 76 m，位于上部4#煤层4109与4111采空区下方，间距43.2 m，上下煤层内错布置如图1所示。

1.2  现场氧浓度实测

 为确定6上 109工作面采空区自燃危险区域分布，在其采空区铺设束管监测系统连续监测一个月，根据各测点氧浓度变化，划分采空区自燃“三带”，实测结果如图2所示，图中7%与18%氧浓度线之间范围为自燃危险区域。

2  酸刺沟煤矿地表与复合采空区漏风模拟

 由于地表与上下采空区间的漏风及上部老采空区氧浓度分布通过实测很难实现，因此通过漏风数值模型，对复合采空区自燃危险区域进行研究。

2.1  采空区漏风CFD模型理论

采空区冒落岩石压实程度K p值近似呈负指数衰减规律变化，相对于采空区某边界f单一方向上：

 

2.2  几何模型建立与网格划分

 为使模型更符合实际，来压步距28 m范围内未让顶板垮落，该区域顶板无裂隙。由于地表裂隙多、分布广，且地表漏风风速难以确定，因此将地表整体看作一个进风通道，地表裂隙均匀分布且为压力入口，工作面进风口、回风口分别设置为速度入口和自由出口，其余壁面均为“wall”，模型如图3所示。模型运用Gambit建模，采用结构化网格技术划分网格，进回风巷、工作面及煤柱网格步长0.5 m，采空区、岩层网格步长分别为1m与1.5 m，网格划分如图4所示。

2.3数值模拟及分析

2.3.1  模拟参数设置

 采空区中的碎胀系数、孔隙率等参数在采空区及岩层中是按一定规律变化的，如果在模拟中将参数直接赋值设置为常数，将与实际产生很大偏差，因此本文模拟所用参数，根据用户自定义函数，将采空区漏风圈理论与渗透率分布相结合编写程序控制。由于6上煤层近水平，进回风巷标高近似相同，且巷道断面相同，因此只考虑静压，地表相对气压设为0 Pa，工作面入风口相对静压-1 253 Pa，与回风口静压差39 Pa，工作面进风口风速1.4 m/s。

2.3.2  模拟结果与现场实测比对

 在模拟结果中，首先将6上109工作面采空区自燃“三带”与现场实测比对，若两者分布相符，则表明模拟中参数取值合理，模拟结果中上部老采空区氧浓度分布及采空区间风流的流动都接近真实情况。

 采用Tecplot截取氧浓度模拟结果中6上109工作面采空区距底板0.5 m处水平剖面（图5），通过与现场实测比对，两者基本相符，因此可借助该模拟结果对上部采空区氧浓度分布及地表漏风进行研究。通过与无地表漏风及上下采空区连通情况下自燃“三带”模拟结果（图6）对比看出，地表与上下采空区都连通时，下部采空区进风侧与回风侧自燃危险区域范围都有所增加，自燃危险性加大。

2.3.3  漏风对氧浓度分布的影响

 采空区氧浓度分布与漏风有关，FLUENT模拟结果中的风流流线图既可以反映风速大小，又可以标出风流流动方向，因此可借助漏风流线图对6上109工作面采空区氧化带宽度增加的原因进行研究。将模拟结果中风速范围设定为0~0. 01m/s，以便查看采空区与岩层中极小风速的变化情况，风速大于等于0. 01m/s的区域同色，漏风流线如图7所示。

  通过图7看出，漏风流通过地表裂隙垂直进入岩层，在接近上部老采空区时，逐渐向4109老采空区侧偏移，最终汇聚加速进入下部采空区回风侧，增加了下部采空区回风侧漏风量，使其自燃带宽度加大。另外，下部工作面进风隅角漏人采空区的风流，一部分流向回风侧，另一部分穿过顶板岩层裂隙流入上部采空区，增加了总漏风量，并使上部4111老采空区前部低风速区出现一高氧浓度带。工作面上部岩体由于未来压产生裂隙，无风流经过，使从下部以及地表漏入的两股风流在此岩体上方采空区煤柱附近交汇碰撞，风流处于漩涡流动状态，持续被遗煤耗氧，氧浓度减小。

2.3.4  上部老采空区氧气与风速分布

 在氧浓度模拟结果中截取上部老采空区距底板0.3m即Z =55.3 m处水平剖面（图8），结合漏风流线图，对上部老采空区氧浓度分布进行研究。

 通过图8看出，上部老采空区不同氧浓度带相互交错，总体以煤柱对称分布。4111老采空区前部，有一局部高氧浓度区，通过图7可知，是由于底部采空区进风侧向上漏风造成的。上部老采空区中前部低氧浓度圈由于风流的漩涡流动，被遗煤持续耗氧形成。

 上部老采空区漏风主要来自地表，漏风断面大，但风速较小，这与回采工作面采空区漏风不同，因此有必要对上部老采空区漏风风速进行研究。在风速模拟结果中，取与图8位置相同的水平切面（图9），查看上部老采空区风速分布情况。

 通过图9看出，上部老采空区风速近似平行煤柱向两侧递减，中部由于煤柱的支撑，采空区冒落不严，风速较大，随着煤柱两侧压实程度的增加，风速逐渐降低，但4109老采空区由于地表漏风的偏移汇人，风速较大，局部达到自燃带风速(0. 004~0.001 6 m/s)。

 将风速大于0. 001 6 m/s的区域在氧浓度分布图上标出，如图10所示。从图中看出，风速、氧浓度都满足自燃条件的区域在4109老采空区中前部，但该区域并不连续，被低氧圈隔断。老采空区前部两侧区域，不仅氧浓度高，且处于低风速区，更有利于热量积聚，引发

自燃。

3  结论

 1)对于存在地表漏风的近距离浅埋煤层，研究采空区，特别是上部已封闭老采空区的自燃危险区域分布，数值模拟解决了人为监测困难的弊端，并可以更直观的展现自燃危险区域的分布。

 2)地表漏风在向下流动的过程中，逐渐向下部工作面回风侧采空区偏移，使4109老采空区煤柱附近压实程度较低的区域风速较大，但由于煤柱及遗煤的耗氧，此区域氧浓度并不高，上部老采空区自燃危险区域主要分布于其中前部风速较低区域。

 3)地表漏风的汇入使6上109工作面采空区回风侧自燃危险区域宽度加大，局部甚至大于进风侧，增加了回风侧遗煤的蓄热增温时间，自燃危险性加大。

 4)由于6上109工作面进风口同时向本煤层及上部采空区漏风，增加了总漏风量，使本煤层进风侧采空区自燃危险区域范围变宽、位置后移，并使上部4111老采空区前部低风速区氧浓度过高，氧化升温的热量容易积聚，易引发该区域自然发火。