基于采空區(qū)底板應(yīng)力分布規(guī)律劃分自燃“三帶”的方法與實(shí)踐*

程 龍，賈海林，陳 南，崔 博

(1.河南理工大學(xué) 煤炭安全生產(chǎn)與清潔高效利用省部共建協(xié)同創(chuàng)新中心，河南 焦作 454000；2.河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

0 引言

采空區(qū)煤自燃是煤礦井下火災(zāi)最主要的表現(xiàn)形式，嚴(yán)重威脅礦井安全生產(chǎn)[1]。確定采空區(qū)自燃三帶的范圍是掌握采空區(qū)煤自然發(fā)火規(guī)律和采取主動(dòng)防火措施的基礎(chǔ)，對(duì)礦井安全回采具有至關(guān)重要的作用。目前對(duì)采空區(qū)自燃三帶的劃分方法主要有3種[2]：第1種是根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)埋管實(shí)測(cè)采空區(qū)內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)的變化，此種方法操作簡(jiǎn)單，是應(yīng)用最為廣泛的一種，但前期埋管監(jiān)測(cè)工作耗時(shí)費(fèi)力，若遇到突水嚴(yán)重地帶導(dǎo)致束管進(jìn)水，采取氣樣工作將無(wú)法進(jìn)行；第2種是依據(jù)升溫率來(lái)劃分，但采空區(qū)隱蔽熱源多且復(fù)雜，以局部的升溫變化來(lái)判斷整體區(qū)域劃分是不合理的，因此，這種方法僅作為輔助手段；第3種是依據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速劃分自燃三帶，此種方式難以現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，主要以數(shù)值模擬劃分，但結(jié)果誤差較大不宜采用。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于上述3種方法對(duì)采空區(qū)自燃三帶劃分開(kāi)展了大量的研究，但均未考慮采場(chǎng)底板應(yīng)力分布規(guī)律與采空區(qū)自燃三帶特征之間的相互關(guān)系。李宗翔[3]通過(guò)數(shù)值模擬建立了工作面推進(jìn)過(guò)程中采空區(qū)自燃數(shù)值模型；賈海林等[4]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)和數(shù)值計(jì)算模擬對(duì)采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行了立體劃分；段春生等[5]分析了采空區(qū)自燃三帶在不同風(fēng)量下的變化規(guī)律；Deng等[6]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的氣樣和溫度，采用網(wǎng)格數(shù)據(jù)插值的方法給出了采空區(qū)溫度和氣樣三維分布圖；Pan等[7]根據(jù)O2和CO的體積分?jǐn)?shù)變化對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分；Xie等[8]提出了以溫度變化和CO體積分?jǐn)?shù)劃分采空區(qū)自燃三帶的方法；劉新德等[9]結(jié)合O2體積分?jǐn)?shù)、溫度變化和漏風(fēng)情況得到了采空區(qū)自燃三帶范圍。

許多學(xué)者提出采空區(qū)自燃三帶和冒落帶“橫三區(qū)”內(nèi)煤巖體壓實(shí)程度有密切關(guān)系，即認(rèn)為采空區(qū)冒落巖體之間的空隙率會(huì)影響漏風(fēng)強(qiáng)度，進(jìn)而影響采空區(qū)內(nèi)部氣體體積分?jǐn)?shù)分布情況，從而來(lái)劃分采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域。蔣東杰[10]通過(guò)數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)分析了自燃煤層采空區(qū)自燃規(guī)律與礦山壓力的關(guān)系；上官建華[11]研究了采空區(qū)冒落帶內(nèi)橫三區(qū)與自燃三帶的關(guān)系；文虎等[12]分析了空隙率對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度和熱量積聚的影響；楊永良等[13]將采空區(qū)頂板冒落規(guī)律和采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性緊密結(jié)合，得出破碎區(qū)內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)變化和自燃三帶中的氧化升溫帶基本對(duì)應(yīng)。但缺少對(duì)實(shí)際情況下采空區(qū)應(yīng)力區(qū)分布和自燃三帶范圍之間的定量分析，因此，本文通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬采空區(qū)底板應(yīng)力區(qū)分布和空隙率變化，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)，提出以應(yīng)力分布特征直接劃分自燃三帶的范圍，對(duì)充實(shí)采空區(qū)自燃三帶劃分方法具有重要參考意義。

1 底板應(yīng)力分布對(duì)采空區(qū)自燃影響

工作面回采后，采場(chǎng)原巖應(yīng)力被破壞，圍巖應(yīng)力重新分布勢(shì)必會(huì)影響冒落帶煤巖體的壓實(shí)程度，從而影響采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度和氣體分布，進(jìn)而影響采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的劃分。

由圖1可看出工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面后方采空區(qū)底板應(yīng)力場(chǎng)在水平方向上形成應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力升高區(qū)和應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，即對(duì)應(yīng)冒落帶中的“橫三區(qū)”：自然堆積區(qū)、破碎堆積區(qū)和重新壓實(shí)區(qū)[14]。不同應(yīng)力區(qū)域內(nèi)的煤巖體承壓不同導(dǎo)致其壓實(shí)程度不同，從而導(dǎo)致采空區(qū)空隙率不同，進(jìn)而影響采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度和遺煤自然發(fā)火危險(xiǎn)性。

圖1 采空區(qū)底板走向應(yīng)力分布模型Fig.1 Strike-stress distribution model of goaf floor

在應(yīng)力降低區(qū)內(nèi)，遺落煤巖體基本無(wú)承壓，煤巖體呈自然堆積狀態(tài)空隙較大，雖然有充足的氧氣供遺煤接觸，但由于臨近工作面的漏風(fēng)強(qiáng)度大，遺煤氧化產(chǎn)生的熱量易散失，相當(dāng)于自燃三帶中的“散熱帶”。在應(yīng)力升高區(qū)內(nèi)，堆積的煤巖體受到基本頂及其覆巖載荷引起的應(yīng)力傳遞，煤巖體破碎壓實(shí)度增加，因而采空區(qū)內(nèi)的空隙相比應(yīng)力降低區(qū)大大減小，相應(yīng)地漏風(fēng)通道和漏風(fēng)量也減少，但煤巖體此時(shí)尚未徹底壓實(shí)，遺煤氧化環(huán)境良好，且生成的熱量不易散失，造成遺煤內(nèi)部熱量積蓄，相當(dāng)于自燃三帶中的“氧化升溫帶”。應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，圍巖應(yīng)力又恢復(fù)平衡，上覆巖層破斷運(yùn)移趨于穩(wěn)定，采空區(qū)內(nèi)冒落的巖體和遺煤基本壓實(shí)，采場(chǎng)漏風(fēng)通道大大減少，生成的熱量極少，不足以形成持續(xù)蓄熱環(huán)境，氧化可能性極低，相當(dāng)于自燃三帶的“窒息帶”[15]。

2 實(shí)例模擬與結(jié)果分析

2.1 模型設(shè)計(jì)與建立

本文以高河煤礦E1302工作面為模擬對(duì)象，3號(hào)煤層為主要開(kāi)采煤層，煤層平均厚度約為6 m，埋深445.255～484.298 m，煤層傾角接近水平，頂?shù)装逵缮百|(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖和中細(xì)砂巖等組成，力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1，圖2為工作面物理模型，模型尺寸：長(zhǎng)×寬×高=600 m×300 m×123 m，為了消除邊界效應(yīng)的影響，在采空區(qū)走向方向兩端和傾向兩側(cè)各預(yù)留100 m煤柱。模型邊界條件：模型頂部自由面施加11.25 MPa垂直應(yīng)力，模型底部和側(cè)面進(jìn)行位移約束。通過(guò)FLAC3D軟件對(duì)工作面推進(jìn)過(guò)程中采空區(qū)底板應(yīng)力變化進(jìn)行模擬，本構(gòu)模型采用 Mohr-Coulomb模型，在保證模型運(yùn)算結(jié)果最優(yōu)的前提下調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量以提高運(yùn)算速度，網(wǎng)格單元數(shù)量為61 220個(gè)，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)量為66 185個(gè)，模型數(shù)值模擬計(jì)算過(guò)程用大變形模式，通過(guò)歷史記錄方式監(jiān)測(cè)單元應(yīng)力和節(jié)點(diǎn)位移變化。

表1 模型各巖層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of each rock in the model

圖2 實(shí)例模型Fig.2 Example model

沿采空區(qū)底板布置2條應(yīng)力測(cè)線如圖3所示，其中測(cè)線1沿采空區(qū)走向中部布置，測(cè)線2沿采空區(qū)傾向中部布置，分別監(jiān)測(cè)隨著工作面推進(jìn)，采場(chǎng)底板走向和傾向垂直應(yīng)力分布變化規(guī)律。

圖3 采空區(qū)底板測(cè)線布置Fig.3 Layout of goaf floor survey line

2.2 采場(chǎng)底板應(yīng)力區(qū)分布特征

工作面回采過(guò)程中，直接頂失去支撐斷裂垮落，基本頂逐漸破斷運(yùn)移，直至采空區(qū)被完全充填壓實(shí)。在采空區(qū)巖體垮落過(guò)程中，圍巖應(yīng)力重新分布，應(yīng)力轉(zhuǎn)移至采空區(qū)四側(cè)煤壁和底板垮落巖體。如圖4所示采空區(qū)走向兩側(cè)煤壁中部位置的側(cè)向支承壓力最大，向開(kāi)切眼和工作面推進(jìn)方向逐漸遞減；工作面前方煤壁中部位置超前支承壓力最大，向工作面兩端頭方向降低，底板中部出現(xiàn)應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)，從三維應(yīng)力圖中可明顯看出采空區(qū)底板應(yīng)力場(chǎng)呈現(xiàn)類似一個(gè)“浴盆”形狀。

圖4 采空區(qū)垂直應(yīng)力演化Fig.4 Evolution of vertical stress in goaf

由圖5可看出采空區(qū)底板應(yīng)力區(qū)分布特征，靠近工作面附近斷裂的直接頂由煤壁和底板煤巖體支承，部分直接頂和未垮落的基本頂形成懸臂梁結(jié)構(gòu)，因此，底板受到的載荷作用小，此區(qū)域?yàn)閼?yīng)力降低區(qū)；工作面后方，基本頂逐步破斷觸底，采空區(qū)底板應(yīng)力又逐漸升高，此時(shí)底板出現(xiàn)應(yīng)力升高區(qū)；在基本頂及其上覆巖層的沉降作用下，采空區(qū)內(nèi)煤巖體逐漸被壓實(shí)，采空區(qū)中部呈現(xiàn)出“橢圓形”的應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。

2.3 采空區(qū)底板應(yīng)力演變及空隙率變化特征

由圖6測(cè)線應(yīng)力監(jiān)測(cè)可看到，工作面前方煤壁和采空區(qū)中部出現(xiàn)2個(gè)動(dòng)態(tài)應(yīng)力峰值，并且隨著工作面推進(jìn)而不斷移動(dòng)。當(dāng)工作面推進(jìn)至250 m時(shí)，基本頂彎曲下沉未觸底，此時(shí)采空區(qū)底板僅存在應(yīng)力降低區(qū)；當(dāng)工作面推進(jìn)至280 m時(shí)，基本頂破斷后沉降在底板冒落巖體上，應(yīng)力開(kāi)始逐漸恢復(fù)升高，可以較為明顯地劃分3個(gè)應(yīng)力區(qū)；當(dāng)推進(jìn)至310，340 m時(shí)應(yīng)力進(jìn)一步恢復(fù)增大，接近10 MPa；當(dāng)工作面推進(jìn)至370，400 m時(shí)，應(yīng)力逐漸恢復(fù)穩(wěn)定，垂直應(yīng)力恢復(fù)至最大11 MPa，接近原巖應(yīng)力。沿走向100～189 m，底板垂直應(yīng)力由拉應(yīng)力逐漸降低至0 MPa；沿走向189～290 m，底板垂直應(yīng)力升高至最大并恢復(fù)穩(wěn)定。工作面前方煤壁的超前支承壓力峰值16.8 MPa，深入煤壁30 m，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.5；采空區(qū)側(cè)向支承壓力峰值21.3 MPa，深入煤壁40 m，垂直應(yīng)力集中系數(shù)達(dá)到1.9。由上述應(yīng)力分布規(guī)律初步判斷出采空區(qū)自燃三帶的范圍，即：散熱帶0～89 m，氧化升溫帶89～190 m，窒息帶在190 m以外，為了進(jìn)一步驗(yàn)證模擬的準(zhǔn)確性，采用現(xiàn)場(chǎng)埋管實(shí)測(cè)的方法對(duì)采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行觀測(cè)。

圖6 底板測(cè)線垂直應(yīng)力Fig.6 Vertical stress of bottom line

應(yīng)力重新分布后，巖體間的應(yīng)力傳遞對(duì)采空區(qū)內(nèi)煤巖體空隙率影響很大，而空隙率和采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度緊密相關(guān)，最終影響到采空區(qū)自燃三帶的分布。由于FLAC3D軟件是基于連續(xù)介質(zhì)及有限差分法原理的程序，所以可通過(guò)監(jiān)測(cè)采空區(qū)頂板沉降位移量，利用式(1)～(2)計(jì)算采空區(qū)內(nèi)煤巖空隙變化率。

εv=Δh/h

(1)

φ=(φ0+εv)/(1+εv)

(2)

式中：εv為體應(yīng)變；Δh為回采后采空區(qū)高度，m；h為煤層厚度，m；φ為采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖體空隙率；φ0為原始空隙率。

由圖7可以看出采空區(qū)空隙率在工作面向采空區(qū)內(nèi)部降低，經(jīng)歷“快速-平緩”，在采空區(qū)中部應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)空隙率降到最低，呈“U”型分布，這與其他學(xué)者的研究一致。

圖7 采空區(qū)走向空隙變化Fig.7 Variation of goaf strike voids

3 采空區(qū)自燃三帶的劃分

為精確觀測(cè)和研究試驗(yàn)工作面采空區(qū)氣體分布規(guī)律，在工作面布置2個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)布置位置如圖8所示，通過(guò)在采氣點(diǎn)采樣分析得到隨著工作面推進(jìn)采空區(qū)內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)分布情況。

圖8 采空區(qū)束管測(cè)點(diǎn)布置Fig.8 Layout of measurement points of beam pipe in goaf

3.1 O2體積分?jǐn)?shù)分析

進(jìn)風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)變化如圖9(a)所示，由于E1302工作面運(yùn)輸巷漏風(fēng)較大，工作面推過(guò)37 m后，O2濃度依然維持在20%左右，隨后O2體積分?jǐn)?shù)下降速度逐漸加快，當(dāng)工作面推進(jìn)86.4 m時(shí)，測(cè)點(diǎn)1 O2體積分?jǐn)?shù)降至18%，采空區(qū)進(jìn)入氧化升溫帶。因?yàn)椴煽諈^(qū)內(nèi)冒落巖體之間的空隙率隨著工作面的推進(jìn)逐漸減小，漏風(fēng)強(qiáng)度減弱，進(jìn)而O2體積分?jǐn)?shù)也隨之減小，測(cè)點(diǎn)1距工作面距離187 m時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)降至8%，采空區(qū)進(jìn)入窒息帶。

圖9 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Field measured gas volume fraction distribution

回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)變化如圖9(b)所示，由于回采初期采空區(qū)內(nèi)部冒落巖體之間空隙率大，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)回流至回風(fēng)側(cè)導(dǎo)致測(cè)點(diǎn)2 O2體積分?jǐn)?shù)起初下降緩慢，但O2體積分?jǐn)?shù)整體小于進(jìn)風(fēng)側(cè)，隨后O2體積分?jǐn)?shù)下降速度加快，當(dāng)工作面推進(jìn)83.2 m后，回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)降至18%，采空區(qū)遺煤進(jìn)入氧化升溫帶；測(cè)點(diǎn)2距工作面距離170 m時(shí)，O2體積分?jǐn)?shù)降至8%，采空區(qū)進(jìn)入窒息帶。

以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)8%～18%為指標(biāo)劃分出采空區(qū)自燃三帶：0～86.4 m為散熱帶，86.4～187 m為氧化升溫帶，187 m以外為窒息帶，這與上述以應(yīng)力分布規(guī)律劃分采空區(qū)自燃三帶范圍基本一致。

3.2 CO體積分?jǐn)?shù)分析

進(jìn)風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)變化如圖9(a)所示，測(cè)點(diǎn)1的CO體積分?jǐn)?shù)逐漸上升，CO體積分?jǐn)?shù)峰值較高區(qū)域在91.8～143.8 m，測(cè)點(diǎn)1距工作面距離120 m時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值，最大值為33×10-6，此時(shí)該范圍內(nèi)的O2體積分?jǐn)?shù)為16.43%，說(shuō)明此處漏風(fēng)強(qiáng)度適宜，遺煤蓄熱環(huán)境良好，此后隨著O2體積分?jǐn)?shù)下降，遺煤供氧不足，遺煤氧化反應(yīng)減弱，CO體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，測(cè)點(diǎn)1距工作面距離198 m處，O2體積分?jǐn)?shù)為7.61%時(shí)，CO體積分?jǐn)?shù)為19×10-6。

回風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)如圖9(b)所示，CO體積分?jǐn)?shù)峰值較高區(qū)域在87.2～140 m，此范圍內(nèi)煤氧復(fù)合反應(yīng)增強(qiáng)，與進(jìn)風(fēng)側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)相比，受采空區(qū)漏風(fēng)回流的影響，測(cè)點(diǎn)2的CO體積分?jǐn)?shù)整體較高，測(cè)點(diǎn)2距工作面距離120 m，CO峰值達(dá)到最大值326×10-6。

4 結(jié)論

1)針對(duì)目前劃分采空區(qū)自燃“三帶”3種常規(guī)方法的局限性，以及定量分析采空區(qū)應(yīng)力區(qū)分布和自燃危險(xiǎn)區(qū)域的研究較少，提出以采場(chǎng)底板應(yīng)力分布規(guī)律劃分采空區(qū)自燃“三帶”的方法。

2)由FLAC3D數(shù)值模擬得到的采空區(qū)底板應(yīng)力區(qū)分布規(guī)律，初步劃分得出采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，即散熱帶0～89 m，氧化升溫帶89～190 m，窒息帶190 m以外。

3)為進(jìn)一步驗(yàn)證上述方法的準(zhǔn)確性，通過(guò)采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的氣樣分布，得到進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)O2，CO體積分?jǐn)?shù)變化，劃分出采空區(qū)自燃“三帶”范圍，0～86.4 m為散熱帶，86.4～187 m為氧化升溫帶，187 m以外為窒息帶；2種方法劃分采空區(qū)自燃“三帶”具有較好的一致性，從而驗(yàn)證了以采空區(qū)底板應(yīng)力劃分自燃“三帶”方法的可行性。