采空区自燃是矿井火灾的重要表现形式，发生频率高、隐蔽性强，且极易引发瓦斯、粉尘爆炸等次生灾害[1,2,3],严重威胁煤矿高效生产和矿工的生命健康[4,5]。相较单一煤层，厚煤层在重复采动作用下，覆岩裂隙将再次扩展发育，使原有已压实裂缝重新扩张破裂，导致上下分层间易产生复杂裂隙通道，加剧采空区漏风[6,7,8]。此外，“重复采动”下极易形成复合采空区，空间结构复杂，造成采空区内部供氧条件充足，提高了遗煤自燃频率[9,10,11]。采空区内遗煤在不同的环境条件下，将发展成不同的自燃区域，按其影响程度，通常划分为散热带、氧化带和窒息带[12]。氧化带内部风速与氧气浓度适宜，为遗煤提供了良好的氧化与蓄热条件，因此是自燃的高发区域。目前，受重复采动影响后的采空区自燃“三带”分布规律尚不明确。因此，掌握“重复采动”采空区自燃“三带”分布及位移规律，降低其内部自燃风险，对煤矿安全生产尤为重要[13,14]。

为准确探究“重复采动”影响下采空区自燃“三带”分布规律，学者们运用诸多手段进行研究。因重复采动造成漏风通道增加，刘虎生等[15]通过钻孔技术监测煤层间的温度、气体变化，并定位出异常区域。刘贵文等[16]针对厚煤层下分层采空区遗煤自燃现象，提出堵漏、注惰等措施综合控制自燃风险。刘东洋等[17]针对上覆采空区漏风严重等问题，基于实测数据，利用Fluent软件模拟上覆采空区自燃危险区域分布，并提出管理措施。文虎等[18]模拟了分层开采中上、下层采空区内氧气变化规律，研究得到上、下分层危险区域的变化特征。西部地区煤层厚、间距较近，致使煤层群开采过程中覆岩裂隙多次发育，渗漏现象强烈，对复合采空区长期供氧；再者，复合采空区煤自燃及放热特征较为复杂，致使采空区内部自燃危险区域难以定位，对矿山灾害预防工作造成很大难度。高峰等[19]通过研究近距离煤层复合采空区煤自燃特性及漏风规律，模拟研究重复采动下采空区内气体流场分布特征，为火灾的防治提供参考。宋亚新等[20]基于束管监测数据并结合数值模拟手段，准确研究重复采动中煤层进、回风侧及上覆采空区气体变化规律，为防灭火体系建立奠定基础。

重复采动导致裂隙二次发育，增加采空区煤自燃风险。目前，对于煤层重复采动作用后采空区自燃“三带”位移变化研究较少。因此，以铜川下石节煤矿222工作面为工程背景，利用束管监测及Fluent数值模拟软件，研究重复采动作用下采空区自燃“三带”位移变化，确定煤自燃危险区域，对上煤层和下煤层煤自燃防控有重要的实际意义。

1、工程概况

下石节煤矿222工作面所采煤层为4号煤层，工作面煤层厚度7.4～13.1 m, 局部达15.0 m, 平均厚度10.5 m, 属特厚煤层。开采煤层自燃倾向性Ⅰ类，且煤尘具有爆炸性。4号煤层222工作面与上部3号煤层2301工作面形成“重复采动”工作面，层位分布如图1所示。

图1 下石节煤矿222工作面层位分布示意  

2、现场测试

2.1 现场测点布置方案

基于矿井早期监测数据，在222工作面进、回风两侧，预先铺设监测束管，长度200 m, 每侧3个测点，同侧相邻测点的间距为50 m。测点分布如图2所示，待测点即将进入采空区时，开始取样分析。每日早班下井测定，遇异常情况，需在异常点位多次测定。为确保监测的准确性，井下监测完毕后，抽取足量气样送至地面化验室，利用气相色谱仪再次验证。

图2 采空区“三带”观测点位分布示意   

2.2 现场测试结果

依据氧气浓度划分自燃“三带”是当前普遍应用的技术。具体指标选择，散热带氧气浓度大于18%;氧化带氧气浓度在8%～18%;窒息带氧气浓度小于8%。现场实测所得222采空区两侧距工作面不同距离处的氧气浓度变化特征如图3所示。

图3 工作面进、回风侧采空区内氧气浓度   

通过浓度标准，划分222采空区自燃“三带”分布见表1。散热带在进、回风侧分别为0～84 m及0～25 m; 氧化带在进风侧84～150 m, 回风侧为25～84 m, 最大范围为66 m。采空区自燃现象主要发生在氧化带。

表1 采空区自燃“三带”划分

3、采空区数值模型建立

3.1 采空区流场控制基本方程

研究中通常将采空区当作多孔介质[21]。多孔介质中的流动遵循质量、能量及动量守恒定律。

3.1.1 质量守恒方程

采空区内部气体反应遵循质量守恒定律，见式(1)。

式中，ρ为气流密度，kg/m3;t为时间，s; u为流速矢量，m/s。

3.1.2 动量守恒方程

流动问题中，动量守恒是必要的基础条件，其在各方向的表达见式(2)、式(3)、式(4)。

式中，μ为绝对粘度；Sx、Sy、Sz为广义源项。

3.1.3 能量守恒方程

流体传输中能量的产生与消耗满足能量守恒方程，见式(5)、式(6)。

式中，ρs、ρg分别为煤体密度和气体密度，kg/m3;cps为煤体比热，J/kg·K;cpg为空气热容，J/kg·K;q(T)为放热强度，W/m3;λs、λg分别为煤体和空气的导热系数，W/m·K。

3.2 采空区物理模型构建

根据工作面实际情况，分别构建单一采动和重复采动影响下的物理模型，具体参数见表2。

表2 采空区模型参数

模型①是单一水平开采下，所构建的222采空区模型。模型②是重复采动煤层三维模型。在原有模型①基础上，增加上层2301采空区及2301采空区底板岩层，设置漏风裂隙，即为实际采动模型，模型①和②如图4所示。

4、数值模拟结果分析

4.1 重复采动采空区的“三带”模拟结果与可靠性验证

建模完成后，用Mesh划分网格，并根据实际情况，利用UDF函数定义采空区内部物理特征参数。进风巷截面设为“inlet”,入口速度1.20 m/s。回风巷截面为“outlet”,其余默认为“wall”。实测数据为重复采动采空区内氧气浓度分布规律，模拟所得重复采动模型的氧气浓度分布如图5所示，散热带分别在进风侧<82 m, 回风侧<24 m; 氧化带在进风侧82～147 m, 回风侧24～86 m; 窒息带在进风侧>147 m, 回风侧>86 m。

图4 采空区物理模型示意  

图5 重复采动采空区自燃“三带”分布  

为检验模拟的可靠性，对比实测与模拟结果，具体见表3。

表3 采空区自燃“三带”模拟值与实测值对比

在采空区两侧，实测与模拟结果存在误差，但整体均低于6%,平均误差为2.89%,在可接受范围内，证明了模拟的可靠性。氧化带是煤自燃防治的重点区域，在矿井实际生产过程中，氧化带范围越大，煤体持续氧化升温过程越久，导致采空区自燃的可能性就越高。

4.2 重复采动采空区自燃“三带”位移变化研究

为准确判断重复采动对采空区自燃“三带”的影响，基于相同参数条件，模拟单一采动采空区内氧气的分布规律，具体如图6所示。

在单一采动模型中散热带在进风侧0～88 m内，回风侧为0～28 m, 氧化带在进风侧88～158 m, 回风侧28～97 m, 窒息带在进风侧>158 m, 回风侧>97 m。

图6 单一采动采空区自燃“三带”分布   

图7反映2种采动作用下采空区自燃“三带”分布情况。

图7 不同采动条件下煤自燃“三带”对比  

重复采动后采空区内部散热带和氧化带明显前移，由于重复采动作用影响，采空区内漏风更畅通，氧气浓度变化更快。进风侧采空区内部散热带极限由88 m减至82 m, 前移程度为6.8%,氧化带极限由158 m降至147 m, 前移程度7.0%;此外，回风侧采空区内散热带前移14.3%,氧化带前移11.3%,在回风侧前移现象更为严重。

基于上述研究内容，深入分析X、Y、Z方向上采空区内O2浓度变化规律，如图8～图10所示。

图8 采空区内部X方向上氧气浓度分布   

图9 采空区内部Y方向上氧气浓度分布   

图10 采空区内部Z方向上氧气浓度分布   

由图8可知，X方向上截取5个面。X方向为工作面推进方向，沿该方向深部蔓延，采空区内氧气浓度降低。在初始阶段，采空区内氧气浓度变化不明显，随着工作面推进，氧气变化呈现出不同变化。在X=50(150 m时，重复采动采空区内氧气下降速率高于单一采动，导致采空区内部，散热带、氧化带出现前移现象。待氧气浓度降至8%后，氧气浓度的变化则逐步趋于平稳，差异减小。

如图9所示，采空区沿Y方向上平均截取5个平面，Y方向表示风流方向。在采空区回风侧，氧气的变化速度明显超过进风侧，因进风侧的通风供氧充足，导致氧气浓度下降的速度较慢。分析Y=0 m和Y=170 m平面，沿进风侧进入采空区深部，重复采动导致氧气下降速率高于单一采动，回风侧具有相同特点。进一步对比2种采动下Y=42.5 m、85 m 和127.5 m的氧浓度变化，所得规律与上述一致，即重复采动导致氧浓度达到氧化带临界值更快，造成前移。

由图10可知，Z方向上截取3个截面，沿Z方向自下而上，采空区内氧浓度在不同高度的平面内变化规律无明显差异。在Z方向3个不同高度上，重复采动采空区内部氧气浓度下降趋势均优于单一采动采空区，达氧化带时间更短。

综上，氧气浓度的变化趋势在X、Y、Z方向的表现具有一致性，进一步证明重复采动会造成采空区散热带、氧化带前移，导致采空区内散热带，氧化带缩短。在重复采动中，随着工作面推进加深，覆岩充分垮落至采空区，造成采空区内进一步压实，减少深部采空区内的漏风通道，增大空气渗流扩散阻力，导致氧化带在一定程度上缩短。但在浅部采空区，覆层垮落的不稳定及随机性，导致短时间内出现较为畅通的漏风通道，加重了漏风现象，因此采空区内部氧气浓度在初始阶段内下降速率较快，引起氧化带前移，当达到一定浓度后，变化趋势则趋于稳定。

4.3 采空区煤自燃防治措施

结合222采空区煤自燃“三带”分布特征及工作面实际环境条件，为有效防治采空区因漏风复杂造成的氧化带前移，在实际生产中需加强通风管理，确保多方位控制漏风及全方位封堵漏风。

此外，为高效抑制自燃，务必加强采空区内部氧化带的防控工作，针对不同推采时期防治重点的差异性，在开采初期，需保证日常监测监控，加强井下人工巡回检查，实现“人-机”协同一体化监测；开采中后期，加强监测监控，并根据工作面实际，构建注浆(阻化剂)、惰化(压注N2、液体CO2)等多项技术综合作用的防灭火系统，保证工作面安全推采。

5、结论

(1)现场实测得出222采空区煤自燃“三带”进风侧范围：散热带<84 m, 氧化带在84～150 m, 窒息带>150 m。回风侧范围：散热带<25 m, 氧化带在25～84 m范围内，窒息带>184 m。对比数值模拟结果与实测数据，最大误差为5.08%,平均误差为2.89%,均在可接受的误差范围内，验证了模拟结果的准确性。

(2)相同边界条件下，模拟得出单一采动采空区内氧气浓度变化规律；与重复采动结果对比，得到重复采动将导致采空区进风侧散热带前移6.8%,氧化带前移7.0%;回风侧散热带前移14.3%,氧化带前移11.3%;但散热带和氧化带整体长度出现缩短趋势。

(3)氧化带即为煤自燃防治的重点范围，针对重复采动造成采空区危险区域前移，将构建多方位监测控制手段与注浆、惰化(压注N2、液体CO2)等多项防灭火技术联合防治体系，保障工作面的安全开采。

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