深部开采为减轻下层煤应力、提高回收率，常采用 窄煤柱（约 5–10 m）替代宽煤柱（20–40 m），但相邻采空区 瓦斯爆炸与煤自燃耦合 风险显著上升。Tang 等（2019）在 Process Safety and Environmental Protection 以阳泉一矿 81303 工作面 为例，结合现场监测与实验室分析，阐明致灾机理，并将煤柱与采空区划分为 安全区、一般区、危险区，支撑差异化防灭火与注浆。下文按「背景—试验—机理—分区—局限—工程启示」归纳，便于与监测预警系统对照原文。

链接说明： ScienceDirect 有效 PII 为 S0957582019306688（非 …319688）。本篇为同一论文的读笔记，slug：narrow-pillar-composite-disaster-classification。

原文 Highlights

  • 深部开采中 瓦斯与煤自燃复合灾害 频发；
  • 窄煤柱在应力作用下 内部裂隙发育，隔气性下降；
  • 复合灾害源于煤柱两侧 气体交换（CH₄ 入巷 / O₂ 入采空区）；
  • 依据 气体浓度与安全原理 划分危险区域，指导靶向治理。

1. 问题背景

1.1 复合灾害为何突出

深部矿井瓦斯压力/含量与地应力偏高，突出与爆炸频发；裂隙发育与高温环境又使 煤自燃 更易发生。自燃引燃爆炸浓度瓦斯 已成为多起重大事故的常见链条。

1.2 窄煤柱 vs 宽煤柱

| 类型 | 典型宽度 | 工程意图 | 复合灾害侧效应 | |------|----------|----------|----------------| | 宽煤柱 | 20–40 m | 强隔离、支护 | 回收率较低 | | 窄煤柱 | 5–10 m | 减轻下层煤应力、提高回收 | 裂隙更发育，隔气性变差 |

窄煤柱在应力集中下 裂隙更发育，巷道与采空区之间的隔离能力减弱：

  • CH₄ 由采空区涌入巷道，浓度易超限；
  • O₂ 由巷道漏入采空区，残煤氧化升温。

若缺乏针对性措施，自燃与瓦斯爆炸可能相继或耦合发生。

1.3 既有防治的不足

注浆加固、防灭火喷洒可提高煤柱强度与 隔气性，但实践中常 沿整段煤柱均匀注浆：安全段材料浪费，高危段又可能加固不足。本文重点回答 「哪里最危险、优先治哪里」。

2. 试验矿井与对象

现场试验位于 阳泉煤业集团一矿 81303 工作面（沁水煤田北部）：

  • 主采 15 号煤层，厚度约 4.77–9.03 m（平均 6.91 m），夹矸多、结构复杂；
  • 覆岩为孔隙性土类，地表透气性较好；
  • 开采布置为深部高效开采中典型的 窄煤柱沿空留巷 场景。

3. 试验方法

3.1 现场监测

现场检测与分析包括：

  • CH₄、CO₂、O₂、CO 等气体浓度；
  • 回风巷、窄煤柱及邻近采空区 温度 动态；
  • 煤柱 破碎程度、透气性与采空区残煤 自燃可能性。

用于评估「自燃诱发瓦斯爆炸」的综合风险。

3.2 实验室分析

对现场采集的 煤样与气体 开展实验室试验，补充：

  • 煤柱内 煤体硬度 分布；
  • 气体组分与浓度规律；
  • 煤柱与采空区 温度、自由基类型与浓度 —— 将宏观漏风换气与 煤–氧复合反应理论 衔接。

4. 致灾机理

作者认为：应力集中点移动导致窄煤柱煤体破裂，是采空区自燃风险升高的主因。两类典型灾变形式：

| 类型 | 气体路径 | 后果 | |------|----------|------| | 爆炸链 | CH₄：采空区 → 巷道 | 巷道甲烷超限，遇火源可爆 | | 自燃链 | O₂：巷道 → 采空区 | 残煤氧化升温，可能引燃瓦斯 |

宏观上分析巷道与采空区两侧气体及燃烧演化；微观上结合硬度、自由基与反应理论确定 风险程度。

5. 风险区域划分

5.1 两个核心指标

在 相关系数准则 与 安全原理 下，选取：

  1. 窄煤柱隔气性（gas-impermeability） —— 煤柱对气体交换的阻隔能力；
  2. 采空区残煤自燃风险度 —— 邻近采空区氧化自燃威胁。

5.2 三区管理

将窄煤柱及邻近采空区划分为：

| 分区 | 管理含义 | |------|----------| | 危险区 | 复合灾害风险最高，优先注浆/防灭火 | | 一般区 | 中等风险，常规加固与监测 | | 安全区 | 风险较低，可减轻或延后工程投入 |

目标是在有限成本下 安全效益最大化，避免「一刀切」注浆。

6. 与后续防治研究的联系

后续窄煤柱防灭火材料等研究沿用同一认识：应力挤压与采动扰动破坏煤柱 → 透气性增强 → 巷道与采空区气体交换加剧 → 瓦斯与自燃复合灾害。本文的三区划分为此类 空间靶向注浆、封堵 提供了分区依据。

7. 局限与复现注意

  1. 阈值具矿井属性：指标分界来自阳泉 15 号煤层条件，迁移至其他矿区需重标定。
  2. 动态采动：煤柱应力与裂隙随工作面推进变化，分区宜滚动更新。
  3. 非纯数据驱动论文：价值在机理与分区逻辑；可与瓦斯时序预测等模型组合构成「预测 + 分区 + 工程」闭环。
  4. 工程措施不可替代：分区指导 何处 注浆/喷洒，不能替代通风、抽采、监测联锁与人工确认。

8. 工程启示

  • 窄煤柱既是 支护体，也是 隔气与防自燃的屏障，设计时需同时考虑两者。
  • 防治应 分区差异化：危险区 → 一般区 → 安全区，匹配材料与工程量。
  • CH₄、O₂、CO、温度 宜联合监测，单一气体报警难以反映耦合风险。
  • 将分区图与 注浆/防灭火方案 绑定，减少过度或不足治理。
  • 任何模型或试验结论均不能替代 瓦斯监测、通风冗余与规程联锁。

参考文献

Tang, Z.; Yang, S.; Xu, G.; Sharifzadeh, M. Disaster-causing Mechanism and Risk Area Classification Method for Composite Disasters of Gas Explosion and Coal Spontaneous Combustion in Deep Coal Mining with Narrow Coal Pillars. Process Safety and Environmental Protection 2019, 132, 182–188.