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断层区煤层自燃危险性分析及预判研究

2025-08-03 58 上传者：管理员

摘要：针对矿井在采煤过程中遇断层的情况，以察哈素煤矿为背景，系统研究了工作面回采过程中断层对采空区自然发火危险性的影响。通过理论分析和数值模拟，分析了断层条件下不同自燃区域的分布特点。结果表明：工作面直过断层时，自燃风险较高的区域主要集中在“两道两线”及断层附近形成的三角煤和破碎煤岩堆积区，当工作面遇断层搬家时，自燃风险较高的区域增加了“断层活化影响区”，由其形成的2处“两道两线”区域自燃风险较高。对不同进风巷压力、不同风量、不同地温等情况下的氧化带分布范围进行了合并，得到了较为准确的采空区自燃“三带”分布范围。通过FAHP-TOPSIS模型对标志性气体进行了量化分析，结合实验测点数据，评估了各测点的自燃危险性，提出了针对性防控措施。

关键词：
危险性评价
数值模拟
断层
采煤方法
采空区自然发火
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断层是地壳中常见的地质构造之一,是由破断面两层岩体发生明显位移而形成的｡在采煤过程中,断层的发育增加了开采的难度,影响采煤方法的选择和回采速度｡断层的大小､走向､数量,均会加剧煤层漏风问题,进而增加煤层自燃的风险,对此,诸多学者开展了大量研究[1-2]｡王升宇等[3]针对大倾角煤层穿过断层时采空区的漏风问题,运用示踪气体和数值模拟方法进行研究,结果表明,保留煤柱与巷道边帮之间形成的“走廊效应”,增加了漏风路径的形成时间和范围,由于压实时间延长,漏风现象更加严重｡王帅领等[4]对俯采过大断层时采空区自然发火“三带”研究,发现采空区“散热带”中存在“自燃带”现象｡梁潘等[5]对过断层期间CO超限原因进行分析,并提出综合防治措施｡杨元勋等[6]对过断层过程中遗煤量多､漏风量大等问题进行研究,提出防治采空区自燃的综合防灭火技术｡此外,相关学者对采空区氧化带分布也进行了大量研究[7-11],但对过断层期间煤层自燃问题及采空区氧化带分布2方面的研究较少｡本文以察哈素煤矿为工程背景,系统研究了工作面回采过程中过断层的情况,以期为具有相似地质条件的矿井生产提供参考｡

1、工程概况

察哈素煤矿现采2-2上煤层和3-1煤层,两煤层均为一类易自燃煤层,2-2上煤层和3-1煤层间距为38~45m,2-2上煤层综采工作面采高为2.8m,3-1煤层综采工作面采高为5.5m｡随着2-2上煤层和3-1煤层综采工作面的推进,3-1煤层综采工作面即将进入2-2上煤层综采工作面采空区下部｡3-1煤层大采高工作面在回采过程中,采场裂隙容易导通2-2上煤层采空区,2-2上煤层､3-1煤层采空区重叠并相互影响,极易引起综采工作面采空区遗煤自燃,给煤矿安全生产带来风险｡

2、理论分析

2.1工作面直过断层

当断层落差较小时(见图1(a)),在瓦斯涌出量较小且不存在冲击地压危险的情况下,工作面回采过程中可直过断层｡过断层过程中,由于采用截岩､放炮等手段,会产生大量热量,且推采速度慢,工作面原通风散热､温度积聚平衡状态被打破,为遗煤堆积蓄热自燃创造条件｡直过断层后(见图1(b)),断层附近会形成三角煤和破碎煤岩体堆积区域｡因此,对于直过断层工作面,易自燃区域为工作面“两道两线”以及断层附近三角煤和破碎煤岩体堆积区｡

图1工作面直过断层及煤矸堆积示意图

2.2工作面遇断层搬家

在工作面推采过程中,当遇到较大落差的断层特别是所采煤层有冲击地压危险时,为避免断层活化诱发采动灾害,需要将工作面搬家,在断层影响区域以外重新开切眼进行生产｡工作面搬家倒面后,断层活化引发的煤岩体应力重新分布｡同时,工作面底板应力呈现出突变现象,说明该区域的应力状态较其他区域更为不稳定,容易受到外部扰动的影响[12]｡

断层活化区保护煤柱由于受两侧工作面超前支撑压力作用,受张拉力影响,在其内部出现大量裂隙,这些裂隙与断层弱面沟通,漏风量增加(见图2)｡因此,断层活化区保护煤柱内部破碎煤体易发生氧化蓄热自燃｡特别是在工作面搬家倒面过程中,由于工作面回采速度较慢,使得煤层及其周围的煤岩体应力和温度环境发生变化,进而影响了断层活化区的煤柱状态｡断层活化区的保护煤柱在慢速回采的情况下,暴露于空气中的时间被显著延长,这为煤柱的氧化提供了充足条件,从而大大增加了自燃的风险｡通过对自燃区域的详细分析,发现此时最易发生自燃的区域,集中在包含“断层活化影响区”在内的“两道两线”处｡因此,在搬家倒面作业时,需要特别关注这些高风险区域,及时采取有效的通风防治措施,以降低煤层自燃危险｡

图2工作面遇断层搬家时的最可能自燃区示意图

3、数值模拟

3.1不同进风巷压力

本部分探讨了进风巷压力对工作面氧化带分布的影响｡进风巷的压力并非固定不变,而是随着外界环境的动态变化而不断调整,尤其在不同季节和昼夜温度变化中,进风巷的压力波动较大,会直接影响采空区氧化带的分布｡在模拟过程中,由于时间维度对模拟结果的影响较小,因此,研究合并了3种典型的进风巷压力条件:72.84､61.64､56.04kPa,以此来分析在不同压力情况下,工作面氧化带区域的分布变化｡通过这样的合并处理,模拟结果能够更加全面地反映出氧化带在不同进风巷压力条件下的分布情况｡

为准确获取采空区自燃“三带”的分布范围,在试验工作面沿倾向布置了6个测点,Y坐标分别为-100､-55､-10､35､80､125m｡其中,-100m处即进风巷,散热带宽度最大,因为此处空气压力和风速最大,能显著降低采空区部分区域的空气温度｡相比之下,回风巷侧的氧化带宽度略大于进风巷｡回风巷的情况较为复杂,回风巷侧的漏风与煤壁发生碰撞,导致风流产生紊乱现象｡风流的紊乱增强了回风巷内的空气混合和对流作用,增大了氧化的范围,从而使回风巷侧的氧化带宽度有所增加｡在工作面中部位置,散热带和氧化带宽度均较小,这主要是由于在工作面中部位置的采空区中的矸石被压得较为紧实,漏风风流流动时所受阻力大导致的｡

3.2不同风量

在井下实际生产过程中,工作面风量会因人员配备､CO2等因素而适时调整｡为分析工作面风量大小对氧化带宽度的影响,合并了3种模拟方案下的氧化带区域｡在试验工作面,沿倾向同样布置6个测点,收集各测点数据,得到采空区自燃“三带”的准确分布范围,如图3所示｡

图3试验工作面不同风量时氧化带分布图

结合图3得知,进风巷侧散热带宽度较大,宽度达到32.5m,窒息带距离工作面最远,这主要是由于风速高､漏风阻力小,矸石孔隙率大导致的;越靠近工作面中部,测点所对应的散热带和氧化带宽度越小,氧化带宽度最小为2.9m,氧化带最小宽度为9.8m,这主要是由于在采空区中部冒落的矸石被压得紧密,孔隙率小,漏风阻力大导致的｡

3.3不同地温

由于矿井建在地底,因此,地温在一定程度上可能会对氧化带分布范围产生影响,为了研究不同地温下氧化带宽度分布规律,现确定3种地温模拟方案:25℃､15℃､5℃,将这3种地温下氧化带的模拟结果进行合并,得到了氧化带的分布区域,如图4所示｡在试验工作面沿倾向同样布置6个测点,通过模拟,得到采空区自燃“三带”的准确分布范围｡由图4可知,在进风巷一侧,散热带和氧化带宽度最大,窒息带区域与工作面距离最大｡在回风一侧,氧化带宽度相对较宽,其原因是工作面倾角较大和地温变化｡

图4试验工作面不同地温时氧化带分布

4、矿井自然发火危险性评价指标体系

煤自燃预测指标优选,常采用TOPSIS模型,它是一种通过向量化变量和处理收集数据来完成模型计算的方法,TOPSIS法的核心在于通过计算评价方案与最优方案和最差方案的欧式距离,来确定每个方案的相对优劣程度[13]｡评价的基准是最优方案和最差方案,具体而言,X1代表评价方案与最优方案的距离,X2代表评价方案与最差方案的距离,通过这2个距离的比值,可以直接衡量方案的优劣｡如果X1/X2的比值越小,意味着该方案与最优方案更接近,方案的优越性也就越强;相反,如果X1/X2的比值越大,则说明该方案更接近最差方案,表现较差｡在多属性决策时,同一圆心圆弧上各点方案评分相同,X1和X2代表不同属性,A1-､A2+分别表示负､正理想解,且A1和A2则表示同时参与决策的2个方案,S1+､S1-表示A1与正理想解和负理想解的距离,S2+､S2-表示备选方案A2与正理想解和负理想解的距离,通过比较S1+与S2+､S1-与S2-,最终得出某一方案更优(见图5)

图5TOPSIS决策方案评价示意图

评估采空区自然发火的一个重要依据是实验室测定标志性气体｡然而,针对不同标志性气体因生成温度不同而导致反映出的自燃风险存在差异的问题,本文采用了一种基于FAHP-TOPSIS模型的解决方案｡即先通过FAHP(模糊层次分析法)对标志性气体进行分类,并为每类气体赋予不同的权重,依据其对自燃危险性的影响程度进行加权评估｡接着,结合TOPSIS模型,将各类标志性气体的影响纳入到统一的评估框架中,以多指标的方式对采空区的自燃风险进行综合评判｡FAHP-TOPSIS模型不仅考虑了标志性气体之间的差异,还通过赋权和量化分析,提高了自燃风险评估的精度｡通过此模型,能够更加准确地评估采空区的自燃危险性,为制定合理的防治措施提供科学依据｡

5、结语

(1)工作面直过断层时,自燃风险较高的区域主要集中在“两道两线”及断层附近形成的三角煤和破碎煤岩堆积区;而当工作面遇断层搬家时,自燃风险较高的区域增加了“断层活化影响区”,由其形成的两处“两道两线”区域自燃风险较高｡

(2)通过数值模拟,合并了不同进风巷压力､不同风量､不同地温各情况下的氧化带分布范围,得到了较为准确的采空区自燃“三带”分布范围｡

(3)采用FAHP-TOPSIS模型,对标志性气体进行了量化分析,并结合试验数据,评估了工作面各测点的自燃危险性,对现场工作面自燃防治工作具有参考价值｡

参考文献:

[1]李宗翔,张明乾,杨志斌,等.断层构造对煤结构及氧化自燃特性的影响[J].煤炭学报,2023,48(3):1246-1254.

[2]程亚东,戴广龙,骆大勇,等.袁店二矿7222综采工作面断层对采空区漏风流场影响试验研究[J].煤炭技术,2022,41(2):162-165.

[3]王升宇,宁连江,陈维良,等.大倾角综采工作面综合预防自然发火技术[J].煤矿开采,2011,16(6):97-99.

[4]王帅领,王德明,曹凯,等.易燃综采面俯采过大断层期间防灭火技术研究与探讨[J].中国矿业,2012,21(7):76-79.

[5]梁潘,郑克明,刘洋,等.近距离煤层开采面过断层期间防火技术[J].煤矿安全,2016,47(2):158-160.

[6]杨元勋,张凌.易自燃煤层工作面过断层期间自然发火防治技术[J].煤矿安全,2017,48(7):92-94.

[7]张子军,李正.浅埋深煤层采空区自燃危险区判定及防治技术[J].煤矿安全,2023,54(8):52-57.