司俊鸿，男，博士，教授，硕导，现任华北科技学院应急技术与管理专业主任，主要从事矿井通风防灭火、应急处置与救援方面的研究。近年来主持省部级以上科教研项目9项，主持其他课题30余项。发表学术论文80余篇，其中第一作者论文36篇，SCI检索17篇，出版专著2部、软著6部，主编教材2部、参编2部，授权专利16项，获得省部级科技进步奖9项，荣获河北省教学名师、煤炭行业教育工作先进个人、河北省优秀硕士学位论文指导教师等荣誉称号。

主要内容

根据姚桥煤矿7271工作面采空区及相邻7269采空区的实际情况，建立窄煤柱复合采空区模型，研究不同CO2注入量下复合采空区O2及CO2的分布规律，优化采空区注惰气参数，从而为窄煤柱复合采空区煤自燃防治提供参考。

1.  复合采空区概况

        姚桥煤矿位于大屯矿区东部，属于低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸性，为Ⅱ类自燃矿井，煤层倾角平均为6°，平均厚度为4.9 m。7271工作面标高为-788~-848 m，走向长度为358 m，倾向长度为260 m，设计采高为4.6 m；7271工作面进风巷通风量为1 293 m3/min，风速为1.45 m/s。采煤方法为综合机械化放顶煤开采，割煤高度为2.5 m，回采率为85%，部分遗煤在采空区堆积，根据理论公式^[21]计算得出遗煤平均厚度为1.06 m。

图  1  复合采空区研究区域

2.   采空区数值模拟建模

2.1  理论依据

2.2   物理模型

表  1  物理模型参数及网格划分

2.3   数学模型

表  2  边界条件设定

3.  模拟结果分析

3.1  复合采空区CO2运移分布影响

图  2  不同注气量下CO2体积分数分布云图

图  3  复合采空区CO2体积分数分布

3.2   复合采空区O2运移分布影响

图  4  不同注气量下O2体积分数分布云图

图  5  7271采空区氧化带宽度变化

图  6  保安煤柱及相邻7269采空区O2变化

3.3   CO2惰化参数优选

表  3  最终分数

4.   现场监测验证

图  7  7271采空区束管采样点与注气口布置关系

图  8  O2体积分数与采空区深度的关系

图  9  束管测点O2体积分数随7271工作面距离变化的拟合结果

表  4  7271采空区自燃“三带”分布

由表 4可知，模拟散热带宽度为32.9 m，实际监测散热带宽度为34 m，误差为3.2%；模拟氧化带宽度为26.2 m，实际监测氧化带宽度为24 m，误差为9.2%。数值模拟结果与实际测量结果误差小于10%，可靠度较高。

5. 结论

1) 基于复合采空区建立物理模型，采用数值模拟方法得到模拟自燃“三带”宽度，其与现场监测自燃“三带”宽度基本一致，误差小于10%；以CO2注入量、7271采空区氧化带最大减小宽度、相邻7269采空区CO2倾向扩散长度为参考指标，构建数学模型，优选惰化参数，最终确定最佳CO2注入量为750 m3/h。

2) 相邻采空区内CO2以注气口为中心呈走向范围大、倾向范围小的扩散趋势；CO2向采空区深部及回风巷侧运移的趋势随着注气量增大愈加明显。

3) 采空区氧化带宽度随着CO2注入量增大而逐渐减小，随着注气工作的进行，采空区氧化带总体向工作面移动；注气量增大，保安煤柱内部氧化带宽度减小，由3.77 m减小至1.76 m，煤柱阻隔O2效果更加显著；CO2注入量越大，相邻采空区O2扩散范围越小。