含聚氨酯充填陷落柱采空區(qū)煤自燃規(guī)律研究

郭剛

（中煤陜西榆林大海則煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719099）

0 引 言

陷落柱是一種由上覆堅(jiān)硬的非可溶性巖層的古老基巖塌陷而形成的地質(zhì)體，是一種在特定的地質(zhì)條件下形成的地質(zhì)現(xiàn)象[1]。在煤層形成陷落柱的過程中伴隨產(chǎn)生大量的裂隙，為煤層氧化提供有利條件。采空區(qū)內(nèi)陷落柱的發(fā)育將增加采空區(qū)漏風(fēng)，漏風(fēng)作用于采空區(qū)遺煤且加速其氧化，易引發(fā)采空區(qū)煤自燃[2-3]。

聚氨酯因其獨(dú)特的力學(xué)性能和密封性能等諸多優(yōu)勢(shì)，在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用越發(fā)普遍，極大地提升了生產(chǎn)效率及煤礦安全生產(chǎn)[4]。目前聚氨酯廣泛應(yīng)用于煤巖加固、冒頂充填、堵水防滲和噴涂防漏風(fēng)等方面。在煤巖加固方面，將聚氨酯漿液注入煤巖裂隙，聚氨酯材料在煤巖裂隙中膨脹并發(fā)生固化反應(yīng)，由此將松散煤巖加固成凝結(jié)固體[5]。在冒頂充填方面，利用聚氨酯材料對(duì)高冒區(qū)內(nèi)的實(shí)體進(jìn)行充填，使充填材料充分占有冒落空間的同時(shí)也將其內(nèi)部的瓦斯置換出來，從而防止瓦斯積聚現(xiàn)象[6]。在堵水防滲方面，聚氨酯漿液中的異氰酸酯基團(tuán)遇水可快速發(fā)生固化反應(yīng)，并逐漸形成不透水的固結(jié)層，由此達(dá)到封堵、防滲地下水的目的[7]。在噴涂防漏風(fēng)方面，聚氨酯材料的高密度閉孔結(jié)構(gòu)使其具有良好的防漏風(fēng)性能；對(duì)礦井主要漏風(fēng)源頭進(jìn)行噴涂聚氨酯則可有效防止漏風(fēng)[8]。

利用聚氨酯對(duì)含陷落柱采空區(qū)進(jìn)行修復(fù)是防止采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃的有效手段之一。然而，目前關(guān)于聚氨酯修復(fù)含陷落柱采空區(qū)對(duì)其自燃影響的研究相對(duì)較少。同時(shí)，若想直接獲取采空區(qū)煤自燃的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程也存在很大困難。因此，本文以現(xiàn)場實(shí)測(cè)為基礎(chǔ)，結(jié)合數(shù)值模擬方法，研究聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)對(duì)煤自燃的影響，旨在為含陷落柱采空區(qū)充填及煤自燃防治提供有效的理論基礎(chǔ)。

1 工程概況

本文所選示范煤礦工作面整體是一個(gè)背斜和向斜交替變形區(qū)域，工作面可采長度1 777 m，切眼長度320 m。示范煤礦工作面采用兩進(jìn)一回的Y 型通風(fēng)方式進(jìn)行通風(fēng)（圖1）。工作面共布置4 條順槽，其中膠帶、輔運(yùn)順槽和進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)。工作面風(fēng)流由輔運(yùn)、膠帶和進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)，乏風(fēng)經(jīng)沿空留巷、回風(fēng)流至回風(fēng)順槽；工作面總風(fēng)量5 810 m3/min，其中膠帶順槽進(jìn)風(fēng)1 820 m3/min，輔運(yùn)順槽進(jìn)風(fēng)2 300 m3/min，進(jìn)風(fēng)順槽進(jìn)風(fēng)1 040 m3/min，切眼風(fēng)量2 700 m3/min。

圖1 示范煤礦工作面及陷落柱區(qū)域示意Fig.1 Demonstration coal mine working face and collapse column area

膠帶順槽在掘進(jìn)期間探、揭露出異常區(qū)陷落柱，經(jīng)過2 次探查確定了異常區(qū)陷落柱水平和垂直方向的范圍、巖性以及水文地質(zhì)情況。該陷落柱位于工作面膠帶順槽附近，陷落柱內(nèi)富水和填充物，主要為中、粗粒砂巖，塊狀，且大小不等，堆積無序，經(jīng)地測(cè)部圈定該陷落柱范圍，長軸為近東西方向，長度41 m，短軸為近南北方向，長度27 m，面積940.7 m2。2015 年10 月，瓦檢員在工作面膠帶順槽巡查時(shí)發(fā)現(xiàn)該膠帶順槽附近有煙霧，隨即對(duì)該處有害氣體進(jìn)行了檢測(cè)，最終測(cè)得該地點(diǎn)的CO濃度為12 000 ppm，CH4濃度為2.3%，疑似工作面采空區(qū)有發(fā)火現(xiàn)象。

2 含陷落柱采空區(qū)自燃數(shù)值模擬參數(shù)

2.1 采空區(qū)物理模型

基于示范煤礦工作面的實(shí)際情況，建立Y 型通風(fēng)含陷落柱采空區(qū)的物理模型，采空區(qū)及其內(nèi)部模型尺寸如圖2 所示。

圖2 含陷落柱采空區(qū)物理模型Fig.2 Physical model of goaf with collapse column

2.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

（1）邊界條件。根據(jù)井下實(shí)際情況，將主進(jìn)風(fēng)巷和副進(jìn)風(fēng)巷設(shè)為速度入口，風(fēng)速分別為3 m/s和0.6 m/s，水力直徑分別設(shè)置為4.25 m 和4.68 m，氧氣質(zhì)量濃度為23.2%。沿空留巷出口為壓力出口，采空區(qū)和巷道壁面無滑移，以UDF 方式定義采空區(qū)中的耗氧源項(xiàng)。

（2）化學(xué)反應(yīng)參數(shù)設(shè)置。采空區(qū)煤自燃屬于化學(xué)反應(yīng)較慢的燃燒，選用層流有限速率模型模擬化學(xué)反應(yīng)。自燃反應(yīng)采用揮發(fā)分燃燒近似代替，揮發(fā)分為自燃源項(xiàng)，揮發(fā)分的產(chǎn)量與煤體溫度相關(guān)。煤、聚氨酯、煤和聚氨酯混合的密度、熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱容參數(shù)見表1。

表1 參數(shù)設(shè)置Table 1 Parameter settings

（3）采空區(qū)孔隙度。相比于采空區(qū)，陷落柱區(qū)域和利用聚氨酯修復(fù)陷落柱區(qū)域孔隙率發(fā)生較大變化。模型中采空區(qū)部分孔隙率采用式（1）進(jìn)行表征[9]。陷落柱位置依據(jù)陷落柱松散介質(zhì)特性，其孔隙率大于采空區(qū)。假設(shè)陷落柱內(nèi)孔隙率分布均勻，取值0.5。聚氨酯修復(fù)陷落柱區(qū)域，由于聚氨酯的填充作用，修復(fù)陷落柱區(qū)域孔隙率降低，取值0.05。

式中：nx為沿采空區(qū)回采方向上（x 軸）的孔隙率變化系數(shù)；L 為工作面長度，m；y 為沿采空區(qū)高度方向（y 軸）的坐標(biāo)值，m。

3 結(jié)果與分析

3.1 自燃“三帶”變化規(guī)律

采空區(qū)煤自燃與漏風(fēng)強(qiáng)度關(guān)系密切，漏風(fēng)給采空區(qū)帶來氧氣，并且漏風(fēng)促進(jìn)對(duì)流換熱換。通常，氧氣體積濃度可以用來劃分自燃三帶，主要為散熱帶（O2＞18%）、氧化帶（O2∶8%～18%）和窒息帶（O2＜8%）[10-11]。

不同類型采空區(qū)的氧濃度分布如圖3 所示。正常采空區(qū)含氧量與距工作面和沿空留巷距離呈正相關(guān)，距離工作面和沿空留巷越近，采空區(qū)內(nèi)氧量越高（圖3a）。含陷落柱采空區(qū)的氧濃度分布由于陷落柱的存在，影響了氧化帶分布，氧化帶范圍在陷落柱處出現(xiàn)擴(kuò)增（圖3b）。與正常采空區(qū)對(duì)比，含陷落柱采空區(qū)的氧濃度分布發(fā)生較大變化。這是因?yàn)橄萋渲鶇^(qū)域內(nèi)由于孔隙率增大，內(nèi)部漏風(fēng)增多，致使陷落柱區(qū)域氧濃度上升，采空區(qū)內(nèi)氧化帶范圍擴(kuò)大。聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)的氧濃度發(fā)生明顯變化，由于陷落柱被聚氨酯充填，陷落柱區(qū)域孔隙率減小，風(fēng)流進(jìn)入陷落柱較少，陷落柱內(nèi)氧氣濃度顯著降低（圖3c）。與含陷落柱采空區(qū)氧濃度分布對(duì)比，聚氨酯修復(fù)陷落柱區(qū)域由氧化帶轉(zhuǎn)變?yōu)橹舷?，氧化帶面積顯著縮小。

圖3 不同類型采空區(qū)氧濃度分布Fig.3 Distribution of oxygen concentration in different types of goaf

對(duì)不同采空區(qū)高度的氧化帶面積進(jìn)行計(jì)算，得到氧化帶面積隨采空區(qū)高度變化的關(guān)系（圖4）。對(duì)于正常采空區(qū)，隨著采空區(qū)高度的增加，氧化帶面積變化整體呈現(xiàn)先增加然后在減小，接著再增加最后再減小的變化趨勢(shì)。這是由于隨著空區(qū)高度的增加，沿空留巷處氧化帶面積逐漸減少最后消失，所以氧化帶面積隨著采空區(qū)高度的增加會(huì)出現(xiàn)一個(gè)谷點(diǎn)。對(duì)于含陷落柱采空區(qū)，氧化帶面積變化整體呈現(xiàn)先增加然后再減小。聚氨酯修復(fù)采空區(qū)后的氧化帶面積變化趨勢(shì)與正常采空區(qū)相似。

圖4 不同類型采空區(qū)氧化帶面積隨采空區(qū)高度的分布Fig.4 Distribution of oxidation zone area of different types of goaf with goaf height

對(duì)于不同采空區(qū)下的氧化帶面積可知，整體氧化帶面積由大到小依次為含陷落柱采空區(qū)＞聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)＞正常采空區(qū)。由此可見，含陷落柱采空區(qū)的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)較大，通過聚氨酯修復(fù)采空區(qū)后，其氧化帶面積明顯下降，降低了煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 采空區(qū)自燃溫度場變化規(guī)律

陷落柱對(duì)采空區(qū)火區(qū)蔓延有較大影響，通過對(duì)不同類型采空區(qū)火區(qū)溫度場進(jìn)行對(duì)比，可得出其自燃火區(qū)蔓延規(guī)律。不同采空區(qū)自燃溫度場隨時(shí)間的分布見表2。

表2 不同采空區(qū)自燃溫度場隨時(shí)間的分布Table 2 Distribution of spontaneous combustion temperature field with time in different goafs

正常采空區(qū)火區(qū)蔓延面積隨時(shí)間推移逐漸擴(kuò)大，向各個(gè)方向蔓延速度幾乎相等?；饏^(qū)最高溫度區(qū)（T ＞800 ℃）逐漸向工作面方向發(fā)展。這是因?yàn)榭拷ぷ髅婊饏^(qū)新鮮風(fēng)流匯入，氧氣補(bǔ)給充分，自燃反應(yīng)更劇烈，火區(qū)蔓延速度較快。采空區(qū)存在陷落柱時(shí)，自燃蔓延速度明顯大于正常采空區(qū)。自燃向采空區(qū)深部蔓延速度較大于向工作面方向。這是因?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)換熱方式主要為對(duì)流換熱，風(fēng)流由工作面方向采空區(qū)深部流動(dòng)，因此熱量流動(dòng)方向與風(fēng)流方向保持一致。陷落柱內(nèi)風(fēng)流增大，向采空區(qū)深部沿空留巷方向流動(dòng)，因此自燃向此方向蔓延速度較大。聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)發(fā)生自燃時(shí)，其自燃溫度略大于正常采空區(qū)，明顯小于含有陷落柱采空區(qū)。自燃溫度向沿空留巷方向速度明顯大于向工作面方向擴(kuò)散。這是因?yàn)榫郯滨バ迯?fù)陷落柱內(nèi)部孔隙率減小，陷落柱區(qū)域兩側(cè)風(fēng)流速度增大，自燃產(chǎn)生熱量隨風(fēng)流流向沿空留巷方向。

不同采空區(qū)的高溫區(qū)域面積（T ＞127 ℃）隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖5 所示?？傮w來看，隨著時(shí)間的推移，含陷落柱采空區(qū)的整體高溫區(qū)域面積較大，明顯大于正常采空區(qū)的高溫區(qū)域面積；在聚氨酯修復(fù)采空區(qū)后，其高溫區(qū)域面積明顯降低并接近正常采空區(qū)的數(shù)值。由此可見，聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)火區(qū)蔓延速度略大于正常采空區(qū)火區(qū)，遠(yuǎn)低于含聚氨酯陷落柱采空區(qū)。因此，采用聚氨酯修復(fù)陷落柱能夠有效降低含陷落柱采空區(qū)自燃的蔓延速度。

圖5 高溫區(qū)域面積（T ＞127 ℃）隨時(shí)間的變化規(guī)律Fig.5 The variation of high temperature area(T ＞127 ℃)with time

3.3 采空區(qū)自燃?xì)怏w濃度分布變化規(guī)律

研究不同類型采空區(qū)火區(qū)氣體釋放規(guī)律，對(duì)了解其自燃火區(qū)蔓延規(guī)律有重要作用[12-13]。對(duì)沿空留巷處的自燃?xì)怏w成分進(jìn)行監(jiān)測(cè)，得到不同類型采空區(qū)的CO 釋放規(guī)律。如圖6（a）所示，正常采空區(qū)與含陷落柱采空區(qū)的平均CO 濃度整體呈現(xiàn)一個(gè)先升高、再下降、然后保持穩(wěn)定的特征；聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)自燃時(shí)的平均CO 濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)與正常采空區(qū)與含陷落柱采空區(qū)類似。聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)的平均CO 濃度明顯高于含陷落柱采空區(qū)，這是因?yàn)榫郯滨ピ谌紵^程中產(chǎn)生大量的CO。

不同類型采空區(qū)沿空留巷CO 最高濃度與火區(qū)（T ＞127 ℃）面積比例系數(shù)隨時(shí)間變化曲線如圖6（b）所示?？梢钥闯?，曲線均快速上升然后緩慢降低；這是因?yàn)樽匀奸_始時(shí)氧氣供應(yīng)較為充足，火區(qū)內(nèi)氧氣濃度隨時(shí)間而下降，由此抑制了燃燒和CO 產(chǎn)率。聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)自燃火區(qū)單位面積對(duì)CO 濃度變化貢獻(xiàn)率出現(xiàn)時(shí)間早，并且明顯高于正常采空區(qū)與含陷落柱采空區(qū)。因此，聚氨酯修復(fù)采空區(qū)自燃的CO 產(chǎn)率顯著上升。由此可見，在對(duì)聚氨酯修復(fù)采空區(qū)自燃進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，若以CO作為指標(biāo)氣體，容易產(chǎn)生對(duì)火區(qū)自燃情況的誤判。

圖6 不同類型采空區(qū)的CO釋放規(guī)律Fig.6 CO release lawof different types of goaf

4 結(jié) 論

（1）正常采空區(qū)含氧量與距工作面和沿空留巷距離呈正相關(guān)，含陷落柱采空區(qū)的氧化帶范圍在陷落柱處出現(xiàn)擴(kuò)增。經(jīng)聚氨酯修復(fù)后，含陷落柱采空區(qū)的氧濃度發(fā)生明顯變化，聚氨酯修復(fù)陷落柱區(qū)域由氧化帶轉(zhuǎn)變?yōu)橹舷?，氧化帶面積顯著縮小。

（2）不同類型采空區(qū)的整體氧化帶面積由大到小依次為含陷落柱采空區(qū)＞聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)＞正常采空區(qū)。由此可見，含陷落柱采空區(qū)的煤自燃風(fēng)險(xiǎn)較大，通過聚氨酯修復(fù)采空區(qū)后，其氧化帶面積出現(xiàn)明顯下降，降低了煤自燃風(fēng)險(xiǎn)。

（3）采空區(qū)存在陷落柱時(shí)，自燃蔓延速度明顯大于正常采空區(qū)。聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)發(fā)生自燃時(shí)，火區(qū)蔓延速度略大于正常采空區(qū)，明顯小于含有陷落柱采空區(qū)。采用聚氨酯修復(fù)陷落柱能夠有效降低含陷落柱采空區(qū)自燃的蔓延速度。

（4）3 種類型采空區(qū)自燃時(shí)的平均CO 濃度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)類似，聚氨酯修復(fù)陷落柱采空區(qū)的平均CO 濃度明顯高于含陷落柱采空區(qū)和正常采空區(qū)。同時(shí)，在對(duì)聚氨酯修復(fù)采空區(qū)自燃進(jìn)行勘測(cè)時(shí)，若以CO 作為指標(biāo)氣體，容易產(chǎn)生對(duì)火區(qū)自燃情況的誤判。