煤自燃与瓦斯共生灾害演化与预警

施式亮，曾明圣，李 贺，鲁 义

（湖南科技大学 资源环境与安全工程学院，湖南 湘潭 411201）

煤炭资源是我国经济社会发展的主要能源，2021 年我国煤炭消费量占能源消费总量的56.0%[1]。随着浅部煤炭资源逐渐消耗，煤炭进入深部开采后受高地温、高地应力、高瓦斯、低渗透性等复杂开采环境制约，煤自燃与瓦斯灾害交织共生，并与透水、粉尘等矿山灾害呈现交叉耦合态势[2]。近年来，煤自燃与瓦斯诱导的事故时有发生[3]。煤自燃与瓦斯共生灾害成为了煤矿重特大事故的主要类型，对煤矿安全生产构成了严重威胁。

针对煤自燃与瓦斯共生灾害的严重性及复杂性，相关学者对此展开了相关的研究。Beamish 等[4]利用实验装置研究瓦斯对煤自燃氧化升温过程的影响，研究结果表明相比含瓦斯煤样，无瓦斯煤样达到自燃条件所用时间更短；Li 等[5]通过数值模拟分析了瓦斯抽放与遗煤自燃的耦合问题，结果表明瓦斯抽采方式增加了漏风量，煤自燃所需的助燃物得到了补充；Yang 等[6]利用CFD 技术模拟了不同渗透率下采空区漏风场分布，结果表明渗透率增大将导致采空区漏风量增加；王伟东[7]利用理论分析等方法对耦合灾害进行了研究，得到了采空区内危险区域的分布规律；周福宝[8]提出共生灾害是由于瓦斯浓度场、氧气浓度场、温度场和裂隙场的多场时空耦合下形成的；李宗翔[9]从理论上研究了瓦斯和煤自燃耦合作用机理及其相互影响的一般规律，并探讨了瓦斯对煤自燃的影响；夏同强[10]考虑了煤氧反应场、气体扩散-渗流场、煤岩裂隙场的多场耦合的作用效应，建立了共生灾害物理数学模型；张巨峰等[11]分析共生灾害的耦合关系，并构建起多场耦合方程。

综上所述，共生灾害的危险性与耦合性高，致灾机理复杂，防控难度大，预警系统性强，深入运用理论分析、数值模拟、实验研究、系统评价等研究方法，为此，探究煤自燃与瓦斯共生灾害的耦合机理、演化规律及预警防控体系架构[12-18]。

1 煤自燃与瓦斯共生灾害耦合机理

1.1 共生灾害耦合特征及致灾机制

煤自燃与瓦斯共生灾害具有复杂性、隐蔽性、动态性和耦合性的特点，共生灾害的防治表现为风险大、辨识难、预警难、治理难的特点[19]。工程实践上多采用瓦斯抽采、调整风量等方式治理共生灾害，但该类技术措施对共生灾害的演化产生复杂影响。瓦斯抽采下煤自燃与瓦斯共生灾害耦合关系如图1。

图1 瓦斯抽采下煤自燃与瓦斯共生灾害耦合关系Fig.1 Coupling relationship between coal spontaneous combustion and gas symbiosis disasters under gas drainage

采空区煤自燃与瓦斯共生灾害是漏风场、氧浓度场、温度场、瓦斯渗流场等多场时空耦合演化而成，其演化过程的影响因素除生产系统本身各类参数外，还包括时空耦合因素的影响；一方面，共生灾害是采空区的主要灾害形式，该灾害是多尺度、多时度和多物理过程耦合作用的结果；另一方面，表明煤自燃和瓦斯灾害协同防控的难度较大。因此，探讨共生灾害的多场耦合机制，协同防控瓦斯与煤自燃共生灾害，已成为煤矿安全开采过程中灾害防控的重要课题。

1.2 多场耦合数学模型

由于漏风动力的作用，漏入风量造成采空区各处氧气体积分数及温度发生变化，而氧气体积分数、遗煤厚度及空气温度等因素又会造成遗煤自燃的耗氧速率发生变化，导致流场发生变化。煤氧化过程放出热量，导致周围煤岩及气体温度发生变化，但温度变化大小取决于产热量及散热量的动态平衡，空气流动使得热空气与垮落岩石发生热交换而相互影响，温度较高的垮落岩石的热量也向温度低的地方传递，导致温度场重新分布。温度上升，流体密度发生变化，影响流场的分布，气体迁移带走一部分热量又影响温度场分布，如此往复变化，如达到条件则导致煤自燃发生。垮落带及断裂带瓦斯涌出影响采空区内流场分布，区域内温度升高如遇合适条件则引发瓦斯燃爆而消耗瓦斯，同时产生新气体，放出大量热，对区域内温度场、流场及浓度场又会产生影响。

因此，对煤自燃与瓦斯共生灾害的研究必须以多场耦合为基础，其多场耦合过程可用连续方程、动量方程和传热传质方程表示。基于多场耦合建立的采空区流-热-化多场耦合的数学模型如下[20-22]：

式中：ρ 为气体密度，kg/m3；εp为孔隙率；u 为流体渗流速度，m/s；t 为时间，d；k 为渗透率，m2；▽为哈密顿算子；p 为流体压力，Pa；μ1为流体动力黏度，Pa·s；T 为温度，K；I 为单位向量；βf为Forchheimer系数；F 为体积力，N/m3；ρz为松散煤岩的当量密度，kg/m3；cz为松散煤岩的当量比热容，J/（kg·K）；λz为松散煤岩的当量导热系数，W/（m·K）；Q（T）为遗煤自燃时的放热强度，J/（s·m3）；ci为气体的浓度，mol/m3；Di为气体组分扩散系数，m2/s；Ui（x，y，z，T，c）为组分源（汇）项，mol/（m3·s）；Ui0（x，y，z，T0，c0）为遗煤在标准氧浓度下的耗氧速率或CO 等气体生成速率，mol/（m3·s）；c0为当地大气中标准氧浓度，取9.375 mol/m3。

2 煤自燃与瓦斯共生灾害演化过程与特征

2.1 灾害演化的物理模型及参数

结合现场实际情况，建立起了采空区的几何模型。模拟方案中，采空区尺寸为250 m×150 m×40 m，工作面尺寸为5 m×4 m×150 m，进回风巷尺寸为30 m×5 m×4 m，采用自由四面体网格对模型进行剖分，由于工作面、风巷及埋管抽采管路、工作面与采空区交界处等区域流体速度较大、参数突变较为严重，对网格质量要求较高，需对其进行加密处理，提升网格质量，以获得较准确的求解结果。几何模型及网格剖分如图2。

图2 几何模型及网格剖分Fig.2 Geometric model and mesh generation

根据工作面实际情况，结合多孔介质、流体力学、传热学理论，设置模拟的关键参数，煤岩温度为300 K，煤岩密度为1 326 kg/m3，煤岩比热容为1 430 J/（kg·K）；煤岩导热系数为2.10 W/（m·K）。煤岩孔隙率、渗透率、耗氧速率、放热强度等参数利用自定义函数进行定义。

2.2 风量对共生灾害演化的影响

现有研究及工程实践表明，回采工作面风速偏高时，漏风强度增大，采空区煤自燃危险区域面积及严重程度增加；风速过低时，虽然有利于采空区漏风量的控制，但工作面容易积聚瓦斯，导致瓦斯燃烧爆炸等事故风险增大。因此，工作面风量是影响煤自燃与瓦斯共生灾害演化的1 个重要因素，研究模拟风速为0.5～4 m/s 时煤自燃与瓦斯共生灾害的演化特征。不同风速下氧气和瓦斯体积分数分布如图3，不同风速下的温度分布如图4。

图3 不同风速下氧气和瓦斯体积分数分布Fig.3 Oxygen and gas volume fraction distribution at different wind speed

由图3、图4 可知，随着工作面风量增加，采空区漏风量增加，采空区内高体积分数氧气区域由0.5 m/s 时工作面后方50 m 处，到4.0 m/s 时的150 m 处，明显扩大了煤自燃风险的概率及自燃带宽度。在采空区与工作面交界区域，由于漏风携氧量较大，瓦斯体积分数相对较低，高瓦斯区域主要集中在采空区中深部，风速越大该类现象越明显。因此，风量对采空区煤自燃影响的同时对瓦斯积聚也产生较大影响，风量增大时瓦斯将向远离工作面的采空区中深部移动，近工作面侧氧气体积分数较高，渗流速度大，散热条件较好，降低了发生煤自燃的概率。风量对采空区内的温度场也产生不同程度的影响，高温点及区域随着风速增加出现增大的趋势，高温区域向采空区中深部处移动。因此，优化控制风量可有效降低煤自燃与瓦斯共生灾害风险并导致严重后果。

图4 不同风速下的温度分布Fig.4 Temperature distribution at different wind speed

2.3 通风系统对共生灾害演化的影响

工程上多采用“U”型、“Y”型、“L”型、“W”型、“U+L”型等通风方式。目前，关于采空区煤自燃与瓦斯共生灾害的研究主要针对一进一回的“U”型通风系统，而对于“Y”型通风系统的研究较少[23]。因此，主要围绕模拟“Y”型和“U”型通风系统的共生灾害演化过程与特征，数值模型中“Y”型通风系统主进风巷风速设置为2.5 m/s，留巷风速设置为1.5 m/s，尾巷回风，设置尾巷距工作面130 m，“U”型通风系统风巷风速设置为2.5 m/s。

不同通风系统下的氧气体积分数分布如图5，不同通风系统下的温度分布如图6。

图5 不同通风系统下的氧气体积分数分布Fig.5 Oxygen concentration distribution under different ventilation systems

图6 不同通风系统下的温度分布Fig.6 Temperature distribution under different ventilation systems

由图5 可知，相对于“U”型通风，“Y”型通风由于主、留巷的漏风影响，高体积分数氧气区域向采空区中深部移动，“Y”型工作面相对于“U”型工作面底板处的氧气体积分数较高的区域分布范围较广。“Y”型通风系统由于2 条进风巷为新鲜风流，在上下隅角处漏风量大，风流速度较大，煤自燃产生的热量无法积聚，该处的温度较低，但采空区内高温区域面积增大，不利于煤自燃防治。同时，“Y”型通风系统由于主留风巷漏风流的稀释作用，靠近工作面区域的瓦斯体积分数低，高瓦斯体积分数区域主要集中在采空区中深部。因此，相比于“U”型通风系统，当采用“Y”型通风系统时，上隅角及靠近工作面区域的瓦斯体积分数下降较为明显，共生灾害危险区域向采空区中深部移动，降低了工作面的事故风险。

3 煤自燃与瓦斯共生灾害预警及防控体系架构

采空区内遗煤自燃与瓦斯灾害共存具有特殊性，在高瓦斯且易自燃矿井中，一类灾害发生可能会诱发另一灾害发生，进而导致共生灾害发生并造成严重后果。因此，基于共生灾害的复杂性、关联性和耦合性，其共生灾害的预警和防控应从共生灾害的复杂演化过程及多场耦合指标等方面进行综合抉择，从而合理评估共生灾害的危险程度，实现共生灾害的有效预警与防控。

3.1 共生灾害风险预警模型

瓦斯爆炸需具备瓦斯体积分数处于爆炸极限区间、合理的氧气体积分数和引火源等条件，且爆炸后能通过一定的空间向外界传播，瓦斯爆炸极限与温度呈现函数关系[24]。瓦斯爆炸的风险程度RCH4为：

煤自燃需满足充足的氧气、合适的空隙、良好的蓄热条件和一定的点火能量等条件。当采空区内温度低于煤自燃临界温度时，遗煤不会发生自燃，而是处于一种积蓄热量的状态；热量积聚，温度不断升高，当温度超过煤自燃临界温度时，遗煤氧化进程加快，放热强度增加，遗煤氧化进入剧烈阶段；遗煤剧烈氧化过程中，温度呈指数上升，达到瓦斯爆炸所需最低温度时可诱发瓦斯爆炸。煤自燃温度对瓦斯灾害的影响程度RC计算如下：

式中：T′O2为煤自燃的临界温度，一般取60～80℃；T′CH4为满足瓦斯爆炸所需要的最低温度，一般取650～750 ℃。

预警可分为单指标预警及综合预警，以往的煤自燃、瓦斯灾害预警中多以氧气体积分数、一氧化碳体积分数或者瓦斯体积分数等气体体积分数作为预警指标，但单靠气体体积分数指标对共生灾害进行预警的有效性较低。因此，在综合式（2）和式（3）预警模型叠加融合的基础上，得到共生灾害的耦合预警模型，预警指标R 计算如下：

3.2 共生灾害预警等级

为了对煤自燃与瓦斯共生灾害的风险进行合理评价，以便采取针对性措施降低共生灾害发生的可能性及灾害后果的严重性，必须对灾害风险进行分级，并提出不同级别下的应对措施。风险分级是在风险接受准则的基础上对系统的危险性进行分类或分级描述。共生灾害风险预警等级划分见表1。

表1 共生灾害风险预警等级划分Table 1 Classification of symbiotic disasters risk early warning level

依据相关法律法规、行业标准规范及安全风险识别、分级标准，结合煤矿各系统状况及共生灾害特征，根据共生灾害综合预警模型中的R 值将煤自燃与瓦斯共生灾害的风险划分为5 个等级，分别为I级（安全）、II 级（较安全）、III 级（一般安全）、IV 级（较不安全）和V 级（不安全），针对不同等级的共生灾害，构建对应不同等级的应急响应机制，以期望将共生灾害发生概率和造成的损失降到最低。

3.3 共生灾害协同防控体系

共生灾害的协同防控关键在共生灾害风险的精准识别、实时预警以及快速响应机制[25]。采空区的煤自燃与瓦斯共生灾害主要从控氧气、控瓦斯、控温度、控时间等方面进行协同防控，将共生灾害消除在事故萌芽状态，共生灾害协同防控体系框架如图7。共生灾害智能化监控系统架构如图8。

图7 共生灾害协同防控体系框架Fig.7 Framework of collaborative prevention and control system for symbiotic disasters

图8 共生灾害智能化监控系统架构Fig.8 Intelligent monitoring system architecture for symbiotic disasters

由于共生灾害具有动态性、耦合性、复杂性等特点，建立功能完善的共生灾害监控监测预警系统是研发的重要内容[26]。系统依托共生灾害智能化监控系统架构进行研发，通过设置瓦斯、一氧化碳、温度和可燃气体传感器等设备，动态感知各指标因素的数据及变化，将监测数据或者人工采集数据通过多种技术手段传递到数据中心，及时提供信息服务与预警预报，发挥系统的动态监控和预警作用；基于时空耦合建立大数据驱动的管理体系，实现共生灾害相关参数的全过程、全方位、多维度的监测，构建了多指标数据综合监测预警信息化系统，实现共生灾害的智能化预警目标，提高了共生灾害监控监测预警的信息化和智能化水平，为灾害的有效防控提供支撑和保障。

4 结 语

1）共生灾害为温度场、漏风场、裂隙场、浓度场等在时空耦合条件下产生的灾害，其具有复杂性、隐蔽性、动态性和耦合性的特点；依托流体力学、传热学、多孔介质理论等理论建立了采空区煤自燃与瓦斯共生灾害的流-热-化多场耦合演化数学模型。

2）煤自燃与瓦斯共生灾害的演化特征数值模拟结果表明：风速增加，采空区内漏风量增加，采空区中深部的氧气体积分数升高；相比“U”型通风系统，“Y”型系统可有效解决上隅角瓦斯积聚问题，但共生灾害危险区域趋向于向采空区中深部移动。

3）基于气体浓度指标和温度指标构建了煤自燃与瓦斯共生灾害的综合预警模型，实现了采空区区域内煤自燃与瓦斯共生灾害危险程度动态描述；依托控瓦斯、控时间、控氧气、控温度4 个维度建立共生灾害协同防控体系，构建了共生灾害监控预警信息化智能化系统，实现了灾害风险的动态监控和预警目标。