Research on gel plugging and fire prevention technology for roadway excavation in residual coal re-mining area
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摘要:
采空区中遗留煤炭自燃现象直接影响着煤矿的安全高效开采，而采用堵漏材料封闭漏风通道是解决采空区煤自燃问题的有效方法。以运河煤矿F1301复采工作面为工程背景，针对在采空区中掘进巷道时遗留松散煤体的自燃隐患问题，制定了松散煤体凝胶堵漏防灭火技术实施方案，采用COMSOL数值模拟方法研究了不同注胶时间与压力下的凝胶扩散规律，并进行了工程应用。结果表明：注胶时间和压力与凝胶扩散范围成正比，综合考虑注胶效果与成本，选取10 MPa、140~160 min为最佳的注胶压力与时间，注胶钻孔间距设置为5 m；实施凝胶堵漏防灭火方案后，巷道两侧观测钻孔监测数据显示，标志气体CO体积分数稳定于24×10−6以下，凝胶堵漏防灭火效果良好，有效消除了采空区遗留煤炭自然发火隐患。
Abstract:The phenomenon of spontaneous combustion of coal left in the goaf directly affects the safe and efficient mining of coal mines, and the use of plugging materials to close the air leakage channel is an effective method to solve the problem of spontaneous combustion of coal in the goaf. Taking the F1301 re-mining face of Yunhe Coal Mine as the engineering background, aiming at the hidden danger of spontaneous combustion of loose coal left in the tunneling roadway in the goaf, the implementation scheme of gel plugging and fire extinguishing technology for loose coal was formulated. The COMSOL numerical simulation method was used to study the gel diffusion law under different injection time and pressures, and the engineering application was carried out. The results show that the injection time and pressure are proportional to the gel diffusion range. Considering the injection effect and cost, 10 MPa and 140-160 min are selected as the best injection pressure and time, and the distance between the injection holes is set to 5 m. After the implementation of the gel plugging fire prevention and extinguishing scheme, the monitoring data of the observation boreholes on both sides of the roadway show that the volume fraction of the iconic gas CO is stable below 24×10−6, and the gel plugging fire prevention and extinguishing effect is good, which effectively eliminates the hidden danger of spontaneous combustion of coal left in the goaf.
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我国富煤贫油少气的能源禀赋决定着以煤为主的能源结构将长期保持，煤炭资源占我国化石能源消费比重达56.2%，研究表明未来一段时间内对煤炭的需求量都将保持在35亿t/a以上，煤炭在保障我国经济发展与能源安全中发挥着“压舱石”的作用[1]。为保证煤炭资源持续供应，早期受限于开采规划、技术水平等条件下未开采遗煤资源的复采逐渐受到重视，但采空区中遗煤自燃问题比较突出，初次开采后采空区中形成大面积松散煤体，大量裂隙构成漏风通道，含氧风流经漏风通道进入采空区内部氧化煤体，易引起煤体自燃现象，对复采工作面防灭火工作产生了负面影响，因此采空区中遗留松散煤体的防灭火问题是复采工作面安全生产中的重点和难点。
近几年，许多学者对防灭火技术进行了一系列研究。张创业等[2]以平煤十二矿为研究对象，阐明了扰动效应对被保护层煤岩体及瓦斯渗流产生的影响规律，制定了相应的瓦斯治理与煤自燃防治协同技术方案；赵亚明等[3]提出了以调压气室堵漏、“O形圈”堵漏和通风系统调压等措施为主的多层采空区漏风精确调控技术，构建了“控风-降氧-抑温”的立体化防治体系，并进行了应用；仲晓星等[4]采用量纲分析法对构建的地下煤火热交换系统数学模型进行了相似转换，基于提出的测试火区多个热平衡态温度场来认识火区温度变化规律的研究方法，分析了地下煤火热交换系统的相似准则；付伟等[5]针对单一防灭火材料的局限性，将胶体材料与泡沫材料相结合，研制了一种新型矿用防灭火凝胶泡沫材料。
凝胶作为应用广泛的防灭火材料，许多学者[6-8]也对其性能进行了研究。石政锋[9]构建了工作面采空区自燃“三带”立体取样分析系统，通过分析煤自燃指标气体变化规律，对采空区不同高度下自燃危险性区域进行了划分，并利用数值模拟软件进行验证；王正帅[10]利用束管抽气和数值模拟分析了自燃“三带”分布规律，通过自然发火模拟试验，确定了煤自燃临界温度，结合数值模拟与理论计算，确定了合理的注氮深度、安全推进速度和安全通风量；张嘉麟等[11]通过数值模拟研究，分析了注氮后采空区N2动态分布、最高温度变化规律以及采空区氧化带宽度、工作面和采空区瓦斯及CO浓度动态变化规律等。FLUENT、COMSOL及FLUIDYN等数值模拟软件[12-15]也被广泛应用于煤矿开采防灭火研究中。
综上所述，针对采空区遗煤自燃灾害的防治问题，防灭火技术已经取得较大发展[16-18]，但现有研究主要集中正常开采时采空区防灭火技术与自燃“三带”划分等方面，针对采空区中掘进巷道时松散煤体自燃防灭火技术方面的研究较欠缺，并且缺乏相应的松散煤体堵漏防灭火技术实际应用的研究成果。为此，在现有防灭火研究的基础上，以运河煤矿F1301复采工作面为背景，系统研究在采空区中掘进巷道时松散煤体漏风导致煤自燃隐患问题；提出向松散煤体压注凝胶材料构建堵漏墙的防灭火措施，采用COMSOL建立松散破碎煤体注胶扩散模型，进行数值模拟计算，研究注胶时间、注胶压力对凝胶扩散范围的影响，确定注胶钻孔间距，并进行工程应用，分析采空区遗煤凝胶防灭火效果。
1. 工作面概况
1.1 地质概况
运河煤矿F1301复采工作面布置于原1301、1302工作面之间，东至工业广场保护煤柱，西邻XDF23逆断层，北至1301采空区，南至1302采空区，F1301工作面布置示意如图1所示。原1301、1302工作面分别于2000年11月和2007年5月回采完毕，采用综采放顶煤回采工艺开采3号煤层，平均煤层厚度分别为9.42、8.00 m。
F1301复采工作面主采3号煤层，煤层残余厚度为3~4 m，井下标高为−440~−520 m，平均−480 m，直接顶与基本顶依次为砂质泥岩（1.34~4.84 m），细砂岩（7.89~8.90 m），直接底与基本底依次为泥岩（3.18~3.90 m），细砂岩（16.15~20.23 m）。工作面推进长度为989 m，内宽为66 m，采用综合机械化放顶煤开采工艺，全部垮落法管理顶板，受南张向斜影响煤层总体呈现东西高中间低的形态，煤层倾角为2°~15°，平均9°，可采面积为65 208 m2。
1.2 巷道支护方案
F1301工作面轨道巷和运输巷均采用梯形断面，上净宽3.324 m，下净宽4.4 m，净高3.05 m，净断面11.78 m2。巷道支护断面图如图2所示。
轨道巷未揭露采空区前采用锚网+矿用工字钢架棚+喷涂支护，棚距为1.0 m±0.1 m，揭露采空区后采用矿用工字钢架棚+铺网+喷涂支护；运输巷采用单体支柱+矿用工字钢棚+铺网+喷涂进行支护，棚距为1.0 m±0.1 m，锚杆间排距1.0×1.0 m（±0.1 m），最上部锚杆距顶板0.4 m。当巷道顶板破碎时，将棚距缩小至0.8 m，如顶板仍不能有效控制，继续缩小棚距至0.6 m。自巷道开门口向里200 m范围内喷浆厚度10 cm，200 m以外喷浆厚度3~5 cm。每隔50~100 m设置1组观测点，对掘进期间的巷道变形进行观测。
1.3 复采工作面煤层自燃隐患
F1301复采工作面轨道巷和运输巷掘进巷道大部分位于原工作面采空区内，工作面自燃倾向性属于Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为51 d，复采工作面自燃隐患主要包括以下3个方面：
1）原采空区中煤体较破碎，复采工作面巷道掘进时，在风流动压的影响下，空气经裂隙进入采空区内部，遗留煤炭将会被氧化，采空区内部存在自燃隐患。
2）复采工作面巷道掘进期间，巷道本身的煤柱较破碎，形成漏风通道，与空气接触后存在自燃隐患。
3）巷道掘进完成后，形成复采工作面，采空区内通过供氧蓄热，煤层中存在自燃隐患。
1.4 松散煤体凝胶堵漏煤自燃防治技术
为降低煤自燃风险，针对两帮松软煤体提出注凝胶材料的防灭火方案，该材料具有良好的挂壁和覆盖性能，能够在浮煤上形成1层致密、含水量高的保护层，不但阻止氧气与煤的接触，而且又具有很好的冷却降温性能。
凝胶材料为无机复合类材料，原料为水玻璃溶液与小苏打溶液，将水玻璃（基料）、小苏打（促凝剂）按一定比例加入水中，制成混合溶液，用气动注浆泵将两种液体压注到混合器后再压注到相应的地点中，形成防灭火凝胶墙。在泵压的作用下将混合液（胶体）注入煤体裂隙和微小孔隙中，堵塞松散煤体的裂隙和孔隙，使氧气无法渗透到煤体内部，阻止煤体表面氧化，预防CO标志气体的产生，在此过程中混合液（胶体）不断吸热，降低煤体温度；在降温与隔绝的双重作用下，煤体自身的氧化放热性能降低，有效地抑制了煤体的自燃，达到防灭火的目的。注胶工艺流程如图3所示。
注胶工作涉及多方面的参数，无论是胶体材料本身的性质，还是压注凝胶的不同方法，都会影响最终的注胶效果，其中注胶钻孔间距更是直接决定防灭火效果的优劣。钻孔间距过大时，超过凝胶扩散距离，会导致防灭火区域注胶不充分，影响防灭火效果；钻孔间距过小时，相邻2个钻孔所注凝胶重叠区域面积较大，增加了注胶工作面及成本，因此为确定合适的注胶钻孔间距，需要对凝胶的扩散范围进行分析，在压注凝胶期间，凝胶的扩散范围主要受注胶时间与注胶压力2个因素影响。因此，为确定适当的注胶压力、时间影响机制，通过数值模拟对2个因素影响下的凝胶扩散范围进行研究，进而可以确定合适的钻孔间距。
2. 松散煤体注凝胶扩散数值模拟
2.1 几何模型
采用有限元软件COMSOL Multiphysics中化学物质传递与流体流动模块模拟了凝胶材料在松散煤体中的传递扩散过程，真实围岩状态是三维的，截取注胶管末端剖面，将其简化为二维问题，可提高计算效率。模拟选定的剖面示意图如图4所示，图中蓝色线段为建立模型选定区域。
为得出凝胶在松散煤体中的扩散范围，数值模拟采用二维空间维度，建立尺寸为5 m×5 m的多孔介质模型，注胶孔布置在模型中间位置，孔径为25 mm。采用COMSOL地下水流模块中的内置插件discrete_fracture_network_2d在多孔介质模型中创建随机离散裂隙网络，插件中每条裂隙的位置、长度、宽度和角度都被明确定义，所有裂隙在空间上被相互独立的随机布置，既有相互连通的裂隙，又有彼此独立的联系，很大程度上提高了与实际情况的相似程度。注胶孔处为入口边界，模型上下左右边界为出口边界，网格划分采用自由三角形网格，为提高模拟精准程度，在裂隙与注胶孔处单独加密网格分布。
2.2 控制方程与数值模拟方案
使用达西定律方程研究流体的流动，在二维状态下的流体运动控制方程表达为：
$$ \frac{\partial }{\partial t}({\varepsilon }_{\text{p}}\rho )+\nabla ·(\rho {\boldsymbol{u}})={Q}_{\text{m}} $$ (1) 式中：εp为煤体的孔隙率；ρ为凝胶材料的密度，kg/m3；t为时间，s；$\nabla $为哈密顿算子；u为凝胶流体的达西速度场；Qm为质量源，kg/(m3∙s)。
凝胶流体的达西速度场控制方程可表示为：
$$ {{u}}= -\frac{\kappa }{\mu }\left( {\nabla p + \rho {\boldsymbol{g}}} \right) $$ (2) 式中：κ为煤体的渗透率，m2；μ为凝胶流体的动力黏度，Pa·s；p为压力，Pa；g为重力矢量。
采用化学物质传递接口中的多孔介质中的稀物质传递物理场分析凝胶材料的传递过程，其控制方程为：
$$ \begin{split} &\begin{gathered} \left\{ \begin{gathered} \frac{{\partial \left( {\theta c_{{i}}} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {{\rho _{\mathrm{b}}}{c_{{\mathrm{p}},i}}} \right)}}{{\partial t}} + \frac{{\partial \left( {{\alpha _{\mathrm{v}}}{c_{{\mathrm{G}},i}}} \right)}}{{\partial t}} + \nabla {{{J}}_i} + {{u}} \cdot \nabla {c_i} = {R_i} + {S_i} \\ {{{J}}_i} = - ({D_{{\mathrm{D}},i}} + {D_{{\mathrm{e}},i}})\nabla {c_i} \end{gathered} \right. \end{gathered}\\[-26pt]& \end{split}$$ (3) 式中：θ为凝胶材料液体的体积分数；ci为液体中凝胶材料的质量浓度，mg/L；cp,i为凝胶材料在固体上的吸附量，mg/kg；ρb为吸附于固相的凝胶材料密度，kg/m3；cG,i为凝胶材料在空气的质量浓度，mg/L；αv为注胶材料在气相的体积分数；Ri为化学反应项；Si为物质源项，mol/(m3∙s)；Ji为扩散通量；DD,i为机械弥散系数，m2/s；De,i为有效扩散系数，m2/s。
凝胶材料的扩散范围受注胶压力、注胶时间等因素的影响，随着注胶压力与注胶时间的变化，凝胶的扩散面积与形态也在不断变化。针对凝胶材料的扩散过程进行数值模拟，研究180 min内凝胶在不同注胶压力下的扩散速率及形态。根据实际条件，数值模拟计算时，注胶孔入口压力分别设为2、4、6、8、10、12 MPa，出口处压力为0 MPa，单位时间注胶量为13.5 m3/h，定义多孔介质渗透率为5×10−15 m2，孔隙率通过随机函数设定，平均值为0.4，凝胶密度设置为0.8 g/cm3，动力黏度设置为1.5 mPa·s[19]。模拟方案见表1。
表 1 数值模拟方案Table 1. Scheme of numerical simulation序号 注胶压力/MPa 时间/min 渗透率/m2 孔隙率 1 2 180 5×10−15 0.4 2 4 180 5×10−15 0.4 3 6 180 5×10−15 0.4 4 8 180 5×10−15 0.4 5 10 180 5×10−15 0.4 6 12 180 5×10−15 0.4 2.3 破碎围岩注凝胶数值模拟结果
凝胶扩散区域的计算形态采用浓度的方式表示，基于上述条件，对凝胶扩散规律进行研究，根据表1模拟了不同注胶压力下总共6种工况下凝胶的扩散形态。数值模拟结果如图5所示，图中：彩色区域代表凝胶的浓度。
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图 5 不同注胶压力、时间下凝胶扩散形态变化云图Figure 5. The cloud diagrams of gel diffusion morphology changes under different injection pressure and time conditions由图5可知：不同注胶压力下凝胶的扩散形态具有相似性，凝胶自钻孔注入后，大致以注胶钻孔为中心，呈圆形向四周扩散；当注胶时间为60 min时，注胶孔周围区域基本被充实，随着注胶时间的增长，凝胶在松散煤体中的扩散距离不断增大；当注胶时间达到180 min时，模型大部分区域都被凝胶覆盖；同时，随着注胶压力的增大，可以明显看出在相同时间下凝胶在松散煤体中的扩散范围不断扩大，因此单位时间内凝胶扩散速率与注胶压力成正比关系，在注胶时间为180 min时，除2 MPa注胶压力条件下，凝胶基本扩散至模型边界。
为了更直观地研究扩散规律，通过计算得出注胶过程中凝胶覆盖区域等效扩散半径与凝胶扩散面积占比，等效扩散半径计算公式为：
$$ {r_{\text{d}}} = \sqrt {\frac{S}{\pi }} $$ (4) 式中：rd为凝胶覆盖区域等效扩散半径，m；S为凝胶扩散面积，m2。
凝胶扩散面积占比计算公式为：
$$ \varphi = \frac{S}{{{S_{\text{m}}}}} \times 100\% $$ (5) 式中：$ \varphi $为凝胶扩散面积占比，%；Sm为模型面积，为25 m2。
等效扩散半径随时间变化曲线与凝胶扩散面积占比随时间变化曲线如图6、图7所示。
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图 7 凝胶扩散面积占比随时间变化曲线Figure 7. The curves of the proportion of gel diffusion area with time由图6可知：当注胶时间达到180 min时，注胶压力为2、4 MPa条件下等效扩散半径未达到2.5 m，只有注胶压力为6、8、10、12 MPa条件下等效扩散半径达到了2.5 m，所对应注胶时间分别为131、100、74、60 min；当凝胶面积占比达到90%以上，此时模型大部分区域基本充实，因此视为堵漏风防灭火效果最优。
由图7可知：当注胶时间达到180 min时，注胶压力为2、4、6、8 MPa条件下扩散面积占比均未达到90%，只有注胶压力为10、12 MPa条件下扩散面积占比达到了90%，所对应注胶时间分别为140、113 min，此时等效扩散半径分别为2.68、2.67 m。
综合图6、图7分析：凝胶等效扩散半径与扩散面积占比变化曲线有着相似的规律，凝胶等效扩散半径与扩散面积占比均随注胶时间不断增大，但随着时间的推移，凝胶逐渐进入煤体中，扩散阻力增大，导致当注胶时间在40~100 min之间时，等效扩散半径与扩散面积占比曲线斜率逐渐变小，凝胶扩散范围的增长速率不断下降，此时继续进行注胶，注胶难度将不断增大，并且由于凝胶的凝结特性，扩散范围最终将趋近于1个最大值；当注胶压力为2 MPa时等效扩散半径与扩散面积占比最小，随着注胶压力不断增大，当注胶压力为12 MPa时等效扩散半径与扩散面积占比最小，由于高压力下凝胶扩散的初始速度与扩散阻力较大，等效扩散半径与扩散面积占比增加至趋于稳定的时间逐渐变短，且相同时间下等效扩散半径与扩散面积占比逐渐增大，但增加幅度不断减小。
综上所述，当注胶压力为10、12 MPa，注胶时间分别超过140、113 min时，注胶效果达到要求，但12 MPa对于注胶设备水平的要求较高，为降低注胶成本，选取10 MPa为注胶压力；当扩散面积占比达到90%时，注胶压力为10 MPa对应的等效扩散半径为2.68 m，由于凝胶扩散形态呈现明显的轴对称特征，凝胶扩散范围可达5.36 m，因此确定注胶钻孔间距为5 m符合要求；当注胶时间达到160 min时，凝胶扩散速率最小，因此注胶时间确定为140~160 min，此时凝胶防灭火效果最优。
3. 凝胶防灭火工程应用
为解决运河煤矿复采工作面采空区煤自燃问题，开展F1301工作面注凝胶防灭火工作，主要流程如下：
1）注胶孔施工。F1301复采工作面轨道巷、运输巷掘进过程中，使用风葫芦配合麻花钻杆，在巷道两肩窝向巷中0.8~0.9 m范围内垂直于顶板各施工1个注胶钻孔，在巷道两帮距顶板向下不大于1.2 m处分别各布置1个注胶钻孔，仰角为45°，以上4个钻孔深度均不小于2 m，自F1301轨道巷开门口58.9 m开始沿空掘进时，每5 m施工1组钻孔。钻孔打设完毕后安设5 m的注胶管（注胶管采用ϕ25 mm钢管，管口加工螺纹），花管长度为1 m，直径不小于10 mm，注胶管外漏出棚腿50 mm，钢管连接堵头防止漏风。注胶孔施工示意如图8所示。
2）凝胶材料制备。凝胶防灭火材料是将基料、促凝剂和水按照一定的比例混合，配制成水溶液后发生絮凝作用，形成凝胶。凝胶制备原材料包括水玻璃（基料）、小苏打（促凝剂）和水，其中水玻璃溶液体积分数为 8%~10%，小苏打溶液体积分数为 5%~6%，在出胶口检查成胶情况，并根据成胶时间，合理调整配比。
3）凝胶材料压注。根据数值模拟结果，确定注胶压力为10 MPa，注胶时间为160 min，注胶设备为2ZBYSB13.2-3.3/1-10-18.5型矿用双液灌浆泵，A、B 两液箱分别注入水玻璃溶液和促凝剂溶液，依靠泵的吸力吸入A液和B液使之按10∶3的比例在混合器中混合，并添加一定比例的水搅拌混合，要求质量配比为水比胶液＝16∶1，通过气动注胶泵沿注胶管路被注入注胶钻孔中，喷注到相应的地点，完成松散破碎煤体覆盖、渗透的工作。
F1301复采掘进工作面在施工期间，曾出现高体积分数的CO气体，采空区内煤层自然发火形势十分严峻。通过在轨道巷、运输巷施工观测钻孔，对标志气体CO体积分数进行监测，应用凝胶防灭火措施治理前后CO体积分数变化规律如图9所示。
由图9（a）可知：应用凝胶防灭火措施前，轨道巷与运输巷附近采空区CO体积分数一直维持在较高水平，最高体积分数甚至达到120×10−6，采空区煤自燃隐患问题非常严重。
由图9（b）可知：经过防灭火治理1个月后，观测钻孔中CO标志气体体积分数数据整体呈下降的趋势，最终CO体积分数稳定于24×10−6以下。因此证明经过采取防灭火措施进行治理，有效减少了煤炭氧化现象，消除了煤层自燃隐患，保障了F1301复采掘进工作面顺利施工，保护了F1301复采工作面大约50多万t煤炭资源得以顺利回采，按原煤单价为800元/t进行结算，可以为煤矿企业带来约4.3亿元的经济效益，进一步延长了矿井服务年限，保障了矿井的正常生产接续。
4. 结 语
1）复采工作面巷道掘进过程中，严重的采空区煤层自然发火隐患增加复采工作的难度，采取压注凝胶防灭火材料封堵漏风通道，并且凝胶材料有很强的壁挂性、成膜性，含有大量水分，可以对煤体进行降温、充填、覆盖，覆盖煤体表面减少与氧气的接触面积，阻止煤氧化，减少CO等有害气体的产生，有效预防了采空区遗留煤层自然发火的问题。
2）通过数值模拟分析了不同注胶压力与注胶时间下凝胶的扩散规律，在保证注胶效果与成本的前提下，确定了合理的注胶压力与注胶时间分别为10 MPa和140~160 min，根据凝胶扩散面积占比与等效扩散半径确定了注胶钻孔的最佳间距为5 m，对凝胶防灭火工作的开展提供了理论依据。
3）在矿井防灭火形势极为严峻的情况下，F1301复采掘进工作凝胶防灭火技术顺利实施，保持巷道两侧采空区中标志气体CO体积分数稳定于较低水平，保障F1301复采工作面准备工作得以顺利完成。
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图 5 不同注胶压力、时间下凝胶扩散形态变化云图
Figure 5. The cloud diagrams of gel diffusion morphology changes under different injection pressure and time conditions
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图 7 凝胶扩散面积占比随时间变化曲线
Figure 7. The curves of the proportion of gel diffusion area with time
表 1 数值模拟方案
Table 1 Scheme of numerical simulation
序号 注胶压力/MPa 时间/min 渗透率/m2 孔隙率 1 2 180 5×10−15 0.4 2 4 180 5×10−15 0.4 3 6 180 5×10−15 0.4 4 8 180 5×10−15 0.4 5 10 180 5×10−15 0.4 6 12 180 5×10−15 0.4 
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