車(chē)德高CHE De-gao；朱長(zhǎng)海ZHU Chang-hai；辛世龍XIN Shi-long

（①黑龍江省應(yīng)急管理廳，哈爾濱150000；②七臺(tái)河嵐峰礦業(yè)有限公司，七臺(tái)河154500；③黑龍江科技大學(xué)，哈爾濱150022）

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，采空區(qū)自燃帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)長(zhǎng)期以來(lái)一直是工程安全的重大挑戰(zhàn)。煤層的自然發(fā)火不僅導(dǎo)致了資源的巨大損失，還會(huì)引起一系列的安全問(wèn)題，包括毒氣釋放和地下火災(zāi)，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí){礦工生命安全和礦井設(shè)施安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)自然發(fā)火礦井占全國(guó)重點(diǎn)煤礦的50%以上，由于煤炭自燃引起的礦井火災(zāi)占總數(shù)的90%以上。尤其是厚煤層，采空區(qū)煤層自燃發(fā)生率高達(dá)80%以上[1]。煤層自燃現(xiàn)象與采空區(qū)遺煤有很大關(guān)系，在采高較大的區(qū)域移速慢，漏風(fēng)量大，導(dǎo)致遺煤自燃概率增大[2]，這嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)，與價(jià)值工程核心目標(biāo)相背離。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)采空區(qū)遺煤自燃“三帶”分布做出成果，從理論建立、模型的改進(jìn)及演變規(guī)律等方面分別給出有效的措施建議。宋萬(wàn)新[3]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)與模擬相結(jié)合，提出了基于氧氣氣體體積分?jǐn)?shù)的高瓦斯采空區(qū)自燃“三帶”的劃分方法；王俊峰[4]等利用CFD 模擬預(yù)測(cè)了采空區(qū)遺煤自燃多發(fā)的區(qū)域，得出采空區(qū)氧化帶呈“O”型分布的特征；楊勝?gòu)?qiáng)[5]等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和Fluent 模擬分析采空區(qū)自燃氧化反應(yīng)、熱源反應(yīng)過(guò)程及自燃“三帶”的分布，為采空區(qū)防滅火給出了最佳的通風(fēng)量；郭重托[6]等提出了一種研究工作面長(zhǎng)度與氧化帶寬度相關(guān)性的方法，得出工作面長(zhǎng)度與采空區(qū)自燃氧化帶呈正相關(guān)，鑒于以上，本文深度挖掘價(jià)值工程的七個(gè)邏輯步驟，系統(tǒng)地研究了煤礦采空區(qū)自燃問(wèn)題的防治措施。選定寧夏金鳳煤礦大采高工作面采空區(qū)自燃問(wèn)題作為改進(jìn)對(duì)象，通過(guò)收集和分析煤礦作業(yè)環(huán)境、工作面特點(diǎn)及煤層自燃機(jī)理等情報(bào)資料，進(jìn)行了詳細(xì)的功能分析，確定了煤炭自燃風(fēng)險(xiǎn)的核心影響因素。提出了采空區(qū)注漿技術(shù)作為改進(jìn)方案，并通過(guò)應(yīng)用氣體流動(dòng)方程、溫度氧化方程和滲透演變方程對(duì)改進(jìn)方案的有效性進(jìn)行了深入分析和評(píng)價(jià)。

1 改進(jìn)研究對(duì)象概況

本次價(jià)值工程的改進(jìn)研究對(duì)象選擇寧夏金鳳煤礦011811 工作面，該工作面走向長(zhǎng)度為1300m，傾斜長(zhǎng)度200m，煤層傾角平均15°，煤層厚度平均為9.4m，回采率為93%。采用長(zhǎng)臂后退式放頂采煤法，并且采空區(qū)全部垮落。巷道斷面為矩形，凈高寬為4.5m×5.2m。設(shè)計(jì)通風(fēng)量為1500m3/min。煤層自燃傾向性等級(jí)屬于I 類容易自燃，最短自然發(fā)火期為41 天，礦井擁有注漿防滅火系統(tǒng)。

2 情報(bào)收集與功能分析

根據(jù)價(jià)值工程的七個(gè)邏輯要素對(duì)寧夏金鳳煤礦011811 工作面開(kāi)展情報(bào)收集與工能分析工作，該工作面初采初放、收尾期間，沿工作面風(fēng)巷向采空區(qū)埋入三根φ108mm 鋼管，埋深分別為30m、60m、90m。正常回采期間，沿工作面風(fēng)巷向采空區(qū)埋入2 根φ108mm 鋼管，管口間距為30m，交替向前埋設(shè)。一根埋管深度達(dá)到30m 時(shí)開(kāi)始灌漿，深度達(dá)到60m 時(shí)停止該埋管灌漿，采用另一根埋管灌漿，如此循環(huán)，直至工作面灌漿結(jié)束。工作面初采初放及回采期間，采用埋管開(kāi)放式灌漿。工作面回收結(jié)束封閉后，根據(jù)采空區(qū)自然發(fā)火標(biāo)志性氣體情況，采用密閉插管封閉式灌漿。注漿管路示意圖如圖1 所示。

圖1 注漿管路示意圖

功能分析是價(jià)值工程的核心環(huán)節(jié)，針對(duì)寧夏金鳳煤礦011811 工作面進(jìn)行功能分析，找出如下防滅火效果和成本的關(guān)鍵因素：

①注漿防滅火系統(tǒng)：該系統(tǒng)對(duì)于金鳳煤礦011811 工作面煤炭自燃取得了一定效果，但其效果受到注漿管布局、灌漿量、注漿材料等多種因素的影響，不合理的布局和灌漿量不足都可能導(dǎo)致防滅火效果不佳。

②礦井通風(fēng)與自然發(fā)火期：設(shè)計(jì)的通風(fēng)量對(duì)于控制礦井內(nèi)的氧氣濃度至關(guān)重要，可以延長(zhǎng)煤層的自然發(fā)火期。然而，如果通風(fēng)管理不當(dāng)，可能會(huì)增加自燃的風(fēng)險(xiǎn)，降低防滅火效果。

③煤層自燃傾向性與開(kāi)采深度：煤層的自燃傾向性直接影響防滅火的難度。在I 類容易自燃的情況下，隨著開(kāi)采深度的增加，地溫升高，自燃傾向性可能會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)，這對(duì)防滅火系統(tǒng)提出了更高的要求。

④煤層自燃傾向性：煤層屬于I 類容易自燃，最短自然發(fā)火期為41 天，這要求高標(biāo)準(zhǔn)的防滅火措施，進(jìn)而增加了防滅火的成本。注漿防滅火系統(tǒng)雖然有效，但在容易自燃的煤層中，維護(hù)和運(yùn)行成本較高。

3 價(jià)值研究手段選擇

鑒于以上價(jià)值關(guān)鍵因素，直接現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐難度大，且應(yīng)用效果具有不確定性，極易造成額外的治理成本，綜合考量?jī)r(jià)值工程的核心目標(biāo)，采用數(shù)值模擬技術(shù)可以減少現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和物理模擬的需求，降低試驗(yàn)成本和時(shí)間成本。通過(guò)數(shù)值模擬，可以在設(shè)計(jì)階段就預(yù)測(cè)和評(píng)估工程效果，避免浪費(fèi)和返工。此外，優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案和施工方案還可以提高礦山的生產(chǎn)能力和經(jīng)濟(jì)效益，為企業(yè)創(chuàng)造更多的價(jià)值。同時(shí)數(shù)值模擬技術(shù)可以為礦業(yè)企業(yè)的決策制定提供科學(xué)依據(jù)。通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果的分析和解讀，企業(yè)可以了解礦山開(kāi)采過(guò)程中的關(guān)鍵問(wèn)題和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，制定針對(duì)性的策略和措施。同時(shí)，數(shù)值模擬技術(shù)還可以用于科學(xué)研究領(lǐng)域，推動(dòng)礦業(yè)工程技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展。故本次研究選擇數(shù)值模擬的手段開(kāi)展價(jià)值研究，數(shù)值模型結(jié)合氣體流動(dòng)、采空區(qū)滲透率演變、溫度對(duì)遺煤氧化速率的影響和遺煤氧化反應(yīng)，分別建立不同物理場(chǎng)的控制方程。不同物理場(chǎng)之間相互耦合，最終得到不同時(shí)間下的采空區(qū)氣體情況。

3.1 幾何模型建立

根據(jù)011811 工作面實(shí)際情況建立采空區(qū)幾何模型如圖2 所示，由工作面、采空區(qū)和垮落帶三部分組成，如圖2所示。采空區(qū)走向長(zhǎng)250m，傾向長(zhǎng)200m，工作面采高9.4m，垮落帶高度為60m。模型總高度為69.4m。進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷設(shè)計(jì)寬為5m，高為5m，進(jìn)風(fēng)風(fēng)量約為1500m3/min，從而計(jì)算出風(fēng)速約為1.1m/s。注漿孔在回風(fēng)巷道30m 處開(kāi)始澆灌，隨著工作面推移到60m 停止?jié)补唷?/p>

圖2 數(shù)值模型示意圖

3.2 氣體流動(dòng)方程

采空區(qū)的空氣流動(dòng)規(guī)律則視為多孔介質(zhì)內(nèi)的氣體滲流運(yùn)動(dòng)，通過(guò)Brinkman 方程來(lái)進(jìn)行描述：

式中：μ——混合氣體的動(dòng)力粘度，Pa·s；

k——?dú)怏w滲透率，m2；

ci——?dú)怏w組分i 的摩爾濃度，mol/m3。

煤與氧的氧化反應(yīng)速率QO2與氧濃度和環(huán)境溫度有關(guān)，根據(jù)Arrhenius 方程可定義為：

式中：A——指前因子，s-1；

Ea——表觀活化能；

cO2——氧氣濃度，mol/m3。

3.3 采空區(qū)滲透方程

采空區(qū)多孔介質(zhì)內(nèi)的滲透率與孔隙度的關(guān)系可以用Blake-Kozeny 方程近似表征：

式中：ε——采空區(qū)的孔隙度；

k——采空區(qū)滲透率，m2；

Dp——采空區(qū)多孔介質(zhì)平均粒徑，m。

采空區(qū)孔隙度隨著與工作面的距離增大而逐漸減小，從工作面附近的0.32 降低到距工作面110m 處的0.1。且與兩幫距離的增大而緩慢減小，在工作面附近從0.58 下降到0.32 左右。三維示意圖中可以看出孔隙度隨著標(biāo)高的上升而下降，從底板附近的0.3 到垮落帶頂部的0.1 甚至更低。

3.4 注漿擴(kuò)散方程

設(shè)置注漿條件的相關(guān)參數(shù)作為與無(wú)注漿模型的對(duì)比，模擬采空區(qū)注漿防治措施。在回風(fēng)巷道中距工作面30m處設(shè)置注漿孔，漿液流速按照施工工藝設(shè)置為1m/s。模擬采空區(qū)注漿防治措施，漿液的擴(kuò)散方程如下：

式中：DF——流體的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

?p——滲透率；

τF——有效擴(kuò)散系數(shù)。

漿液的擴(kuò)散系數(shù)取1e-9m2/s，滲透率取方程所得結(jié)果，有效擴(kuò)散系數(shù)。其原理是漿液擴(kuò)散范圍所覆蓋的區(qū)域?qū)⑦z煤與空氣隔絕開(kāi)來(lái)，使得該區(qū)域的遺煤不是發(fā)熱升溫的區(qū)域，且不參與氧化反應(yīng)。

4 價(jià)值結(jié)果評(píng)價(jià)

4.1 未注漿采空區(qū)氧濃度時(shí)空演化規(guī)律

為了方便觀察注漿對(duì)采空區(qū)自燃的效果，首先對(duì)未注漿下的采空區(qū)自燃進(jìn)行模擬。圖3 為標(biāo)高為1m 時(shí)，不同時(shí)間內(nèi)未注漿條件下采空區(qū)及垮落帶內(nèi)氧濃度三維分布圖。從圖中可以看出，高氧濃度隨著時(shí)間變化逐漸向采空區(qū)深部延伸，由于進(jìn)風(fēng)風(fēng)流的帶動(dòng)作用，進(jìn)風(fēng)巷處的高氧氣濃度范圍比回風(fēng)巷大。注漿1d 時(shí)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)在距工作面約110m 處的氧濃度達(dá)到了12%以上，到注漿4d 時(shí)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面180m 處的氧濃度達(dá)到了12%以上，高氧濃度范圍向采空區(qū)深部擴(kuò)散了70m。

圖3 無(wú)注漿采空區(qū)氧濃度時(shí)空演化

4.2 注漿后采空區(qū)氧濃度時(shí)空演化規(guī)律

圖4 為注漿條件下采空區(qū)氧濃度時(shí)空演化模擬結(jié)果?？梢钥吹剑瑵{液擴(kuò)散的范圍對(duì)氧濃度的降低有著顯著作用，對(duì)氧氣的擴(kuò)散有著較大阻礙作用。對(duì)比無(wú)注漿情況下，在4d 時(shí)，回風(fēng)巷附近都處于氧濃度較低的狀態(tài)，沒(méi)有出現(xiàn)上圖回風(fēng)巷氧氣全部覆蓋的情況?？梢?jiàn)漿液覆蓋范圍對(duì)氧濃度的升高有著顯著作用。

圖4 注漿采空區(qū)氧濃度時(shí)空演化

4.3 注漿前后采空區(qū)自燃“三帶”演化結(jié)果

采空區(qū)自燃按照氧濃度和風(fēng)速將其劃分成三個(gè)區(qū)域，也稱“三帶”，分別為散熱帶、氧化帶和窒息帶，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)

圖5 為未注漿時(shí)分別按照氧濃度劃分和風(fēng)速劃分的采空區(qū)自燃“三帶”分布。從圖中可以看出，由于進(jìn)風(fēng)巷具有風(fēng)量大的特點(diǎn)，采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣相對(duì)回風(fēng)側(cè)氧氣更為活躍，采空區(qū)靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣的滲流范圍相對(duì)于采空區(qū)中部以及回風(fēng)側(cè)更加明顯，氧濃度隨距工作面距離的增加而降低。

圖5 無(wú)注漿條件下氧濃度和風(fēng)速自燃“三帶”分布

圖6 為注漿之后的采空區(qū)自燃“三帶”分布?？梢钥闯霭凑昭鯘舛葎澐?，在注漿孔半徑為30m 范圍內(nèi)形成了氧濃度幾乎為0 的區(qū)域，這使得采空區(qū)回風(fēng)巷附近的氧化帶向工作面方向移動(dòng)了50m 左右。再觀察按風(fēng)速劃分的結(jié)果，氧化帶在注漿孔附近減少了20m 左右距離。可以見(jiàn)得采空區(qū)注漿對(duì)回風(fēng)巷附近的遺煤自燃問(wèn)題有較為明顯的減弱。

圖6 注漿條件下氧濃度和風(fēng)速自燃“三帶”分布

5 結(jié)論

本文依靠?jī)r(jià)值工程七個(gè)邏輯步驟，針對(duì)采空區(qū)注漿防滅火技術(shù)開(kāi)展專項(xiàng)研究，得到結(jié)論如下：①選定對(duì)象：針對(duì)寧夏金鳳煤礦011811 工作面采空區(qū)自燃風(fēng)險(xiǎn)管理的問(wèn)題，特別是注漿處理對(duì)于降低自燃風(fēng)險(xiǎn)的效果，開(kāi)展專項(xiàng)研究。②收集情報(bào)資料，進(jìn)行功能分析得出，金鳳煤礦011811 工作面應(yīng)用的注漿防滅火系統(tǒng)中，雖然取得了抑制煤炭自燃的效果，但系統(tǒng)的性能受注漿管布局、灌漿量及材料等因素影響，需細(xì)致調(diào)整以優(yōu)化效能。通風(fēng)管理的合理性對(duì)于控制自燃風(fēng)險(xiǎn)同樣關(guān)鍵，設(shè)計(jì)的通風(fēng)量需要在安全與成本之間找到平衡。此外，由于煤層隨開(kāi)采深度增加自燃傾向性加強(qiáng)，I 類易自燃煤層的防滅火措施要求更為嚴(yán)格，相應(yīng)提高了成本。價(jià)值工程的應(yīng)用有助于優(yōu)化防滅火和通風(fēng)策略，以實(shí)現(xiàn)成本效益最大化和安全標(biāo)準(zhǔn)之間的最佳平衡，并以此提出價(jià)值工程改進(jìn)方案。③實(shí)施方案：運(yùn)用空氣流動(dòng)模型和滲透率演化方程，結(jié)合采空區(qū)氧濃度的時(shí)空演化數(shù)據(jù)，進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出注漿顯著影響了氧濃度分布和自燃“三帶”的區(qū)域大小，為工程實(shí)踐提供了理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。④評(píng)價(jià)活動(dòng)成果：注漿處理通過(guò)減少氧供應(yīng)和調(diào)整通風(fēng)模式，有效地降低了自燃風(fēng)險(xiǎn)，在數(shù)值模擬驗(yàn)證了注漿方案的價(jià)值效果，表明了其在降低氧濃度和自燃“三帶”分布方面的有效性，注漿處理作為一種風(fēng)險(xiǎn)緩解措施，有效地降低了采空區(qū)自燃的可能性，并優(yōu)化了礦井的安全環(huán)境。進(jìn)一步展示了價(jià)值工程方法論在礦業(yè)安全技術(shù)中的應(yīng)用潛力，為未來(lái)類似風(fēng)險(xiǎn)管理問(wèn)題提供了一個(gè)系統(tǒng)的解決方略。