鳳凰山礦采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律研究

司愛忠

(山西晉煤集團(tuán) 澤州天安海天煤業(yè)，山西 晉城 048000)

采空區(qū)煤炭的自然發(fā)火是煤礦主要災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)[1]。隨著我國(guó)放頂煤開采技術(shù)的推廣，采空區(qū)遺留大量浮煤，加之我國(guó)煤炭開采地質(zhì)條件的復(fù)雜性，使得煤礦采空區(qū)自然發(fā)火現(xiàn)象十分嚴(yán)重[2]。采空區(qū)自然發(fā)火防治工作的前提是要搞清采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍，為采空區(qū)注氮、堵漏風(fēng)以及合理確定回采速度等技術(shù)措施提供主要技術(shù)依據(jù)[3]。因此，采空區(qū)自燃“三帶”的研究具有重大的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

晉煤集團(tuán)鳳凰山礦151309工作面煤層的自燃傾向性等級(jí)為I級(jí)容易自燃類煤層，自燃發(fā)火期短，采空區(qū)容易自燃。本文將運(yùn)用數(shù)學(xué)模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)相結(jié)合的方法，找出151309工作面“三帶”的分布規(guī)律，為工作面生產(chǎn)提供依據(jù)。

1 模型建立

采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的劃分依賴與氧濃度分布場(chǎng)的研究，通常情況下：將(8％≤ [O2] ≤18％)∩(Hcoal≥0.4 m)的區(qū)域稱作自燃危險(xiǎn)區(qū)域[4-5]。由此可見，自燃危險(xiǎn)區(qū)域數(shù)值計(jì)算的主要工作就是依據(jù)采空區(qū)浮煤自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型及具體邊界條件，對(duì)模型進(jìn)行數(shù)值求解，確定氧濃度分布規(guī)律。數(shù)學(xué)模型[6-7]闡述如下：

以上4個(gè)等式為構(gòu)成自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型的主要控制方程，從式中可以看出，必須對(duì)數(shù)學(xué)模型中的氧氣擴(kuò)散系數(shù)、采空區(qū)松散煤體中的滲透系數(shù)和耗氧速度、壓力分布等參數(shù)進(jìn)行確定，才能對(duì)實(shí)際情況下漏風(fēng)流場(chǎng)、氧濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。其主要按照以下步驟進(jìn)行：

1) 氧氣擴(kuò)散系數(shù)的確定。

氧氣擴(kuò)散系數(shù)的確定存在多種方法，本文采用在靜態(tài)雙容積法基礎(chǔ)上的氧氣擴(kuò)散系數(shù)的測(cè)定方法，具體的做法是：實(shí)驗(yàn)裝置分為A、B兩個(gè)容器，中間通過試管連接，分別將氧氣和氮?dú)鈱?dǎo)入A、B并調(diào)節(jié)兩個(gè)氣室的壓力使之平衡，每隔一段時(shí)間取樣分析氧氣濃度、考察擴(kuò)散情況。這種條件下氧氣擴(kuò)散過程為準(zhǔn)靜態(tài)，滿足費(fèi)克定律，應(yīng)用如下費(fèi)克公式，結(jié)合實(shí)測(cè)A、B氣室內(nèi)的氧氣濃度，即可確定氧氣擴(kuò)散系數(shù)：

式中：

JA—擴(kuò)散通量，kg/ms;

DAB—擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

C—擴(kuò)散物質(zhì)(組元)的體積濃度；

L—距離，m。

2) 滲透特性的研究。

目前，對(duì)于采空區(qū)滲透性直接研究的手段尚不多見，多數(shù)學(xué)者是基于采空區(qū)礦壓分布規(guī)律以及頂板巖性等因素，定性分析研究采空區(qū)煤巖碎脹系數(shù)以及空隙率分布規(guī)律，通過空隙率的分布規(guī)律，應(yīng)用如下Carman公式[7]來研究采空區(qū)的滲透率分布：

式中：

k—絕對(duì)滲透率，％;

D—擴(kuò)散系數(shù)，m2/s;

n—煤體的有效孔隙率,％。

3) 耗氧速度的確定。

氧氣的耗散速率依靠阿累尼烏斯定律表述，如下:

Rate=A[O2]nexp(-E/RT)

式中：

A—前因子，依賴于煤級(jí)和測(cè)試方法；

n—常數(shù)，取值多在0.5～1；

R— 氣體常數(shù)；

T—熱力學(xué)溫度；

[O2]—?dú)怏w中氧氣的摩爾濃度。

4) 數(shù)值求解。

數(shù)值求解選用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent進(jìn)行，求解過程主要包含兩部分工作:a) 采場(chǎng)幾何模型的建立，這部分工作由處理軟件GAMBIT進(jìn)行。b) 各種求解控制參數(shù)以及邊界條件等參數(shù)的設(shè)定，此項(xiàng)工作通常要借助于UDF(User define function)函數(shù)在Fluent軟件中進(jìn)行。

5) 結(jié)果的可視化與分析。

對(duì)數(shù)值求解的結(jié)果進(jìn)行分析，得出淺埋煤層超大工作面的自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布范圍。

2 模型參數(shù)取值

151309工作面位于九一盤區(qū)，上部為臨近工作面采空區(qū),下部是尚未準(zhǔn)備的工作面，其右側(cè)以大巷保護(hù)煤柱為界,左側(cè)以F3斷層保護(hù)煤柱為邊界。采煤方法為走向長(zhǎng)壁法，全部垮落法處理頂板，煤層傾角15°，厚度4.8 m。

1) 建立工作面模型尺寸。151309工作面寬度為300 m，采空區(qū)縱深取600 m，配風(fēng)量分別取1 100 m3/min、1 200 m3/min、1 300 m3/min、1 400 m3/min，見表1。

表1 工作面模型尺寸表 /m

2) 孔隙率和滲透率取值。由于采空區(qū)內(nèi)冒落的巖石、浮煤等壓實(shí)程度不同，導(dǎo)致了采空區(qū)的孔隙率不同，一般來講，從工作面向采空區(qū)深部孔隙率逐漸減小。據(jù)此，將采空區(qū)從工作面向采空區(qū)深部逐級(jí)劃分為5個(gè)多孔介質(zhì)區(qū)域，越靠近工作面多孔區(qū)域的孔隙率越大。模型具體參數(shù)見表2。

表2 孔隙率取值表

表2中黏性阻力系數(shù)即為滲透率的倒數(shù)，代表了氣體在采空區(qū)內(nèi)滲流的能力，黏性阻力系數(shù)越大說明流體在多孔區(qū)域內(nèi)流動(dòng)越困難，又因?yàn)闅怏w在采空區(qū)內(nèi)流動(dòng)速度非常小，所以，不同多孔介質(zhì)區(qū)域的慣性阻力系數(shù)默認(rèn)是一樣的。

3 模型結(jié)果及分析

模擬工作面不同配風(fēng)量時(shí)，采空區(qū)三帶分布情況見圖1～4，不同風(fēng)量情況下采空區(qū)三帶范圍見表3。由圖1～4可以看出，位于采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)的氧化帶寬度明顯要比采空區(qū)中部的寬度大，與理論相符。因?yàn)椴煽諈^(qū)進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)控頂距大、兩幫懸空未能及時(shí)垮落，相比較采空區(qū)中部，其冒落壓實(shí)程度較小，孔隙率和滲透率都比較大，受漏風(fēng)影響較大，因此,氧氣濃度相對(duì)要高一些。

圖1 配風(fēng)量為1 100 m3/min時(shí)三帶分布圖

圖2 配風(fēng)量為1 200 m3/min時(shí)三帶分布圖

圖3 配風(fēng)量為1 300 m3/min時(shí)三帶分布圖

圖4 配風(fēng)量為1 400 m3/min時(shí)三帶分布圖

表3不同風(fēng)量情況下采空區(qū)三帶范圍表

風(fēng)量/m3/min位置散熱帶/m自燃帶/m窒息帶/m1 100輔運(yùn)巷<3535～131>131膠運(yùn)巷<1414～75>751 200輔運(yùn)巷<4345～136>136膠運(yùn)巷<1515～80>801 300輔運(yùn)巷<4545～145 >145膠運(yùn)巷<1515～82>821 400輔運(yùn)巷<5151～154 >154膠運(yùn)巷<2020～90>90

由表3可以看出，當(dāng)風(fēng)量增大時(shí)自燃帶區(qū)域總體向后移，且自燃帶寬度大致呈先減小后增大的趨勢(shì)。 這是由于隨著風(fēng)量的增加，窒息帶氧氣增加，部分區(qū)域變?yōu)樽匀紟?，而部分自燃帶由于風(fēng)速的增加，散熱速度加快，逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)樯釒?，所以自燃帶寬度大小是由前述兩者中起主?dǎo)作用的因素來決定的。

4 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試

本次測(cè)試采用現(xiàn)場(chǎng)埋束管抽氣化驗(yàn)的方法。整個(gè)系統(tǒng)包括3個(gè)部分：氣體采樣點(diǎn)、測(cè)試束管與保護(hù)套管、真空抽氣泵。在713工作面進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)巷各布置2趟束管，2趟束管采樣點(diǎn)相距30 m。為了防止采樣束管進(jìn)入采空區(qū)后被冒落巖石砸斷，將束管插入直徑為2英寸的作為保護(hù)套管的鋼管中，束管和2英寸保護(hù)套管敷設(shè)長(zhǎng)度為200 m左右，在束管端頭安設(shè)抽氣泵作為氣體采集的工具。各測(cè)點(diǎn)設(shè)置位置見圖5。

圖5 測(cè)點(diǎn)布置示意圖

5 測(cè)試結(jié)果分析

將采空區(qū)內(nèi)測(cè)得的氧氣濃度與工作面推進(jìn)長(zhǎng)度的變化曲線進(jìn)行繪制，見圖6和圖7。

圖6 膠運(yùn)巷測(cè)點(diǎn)氧氣濃度變化規(guī)律圖

圖7 輔運(yùn)巷測(cè)點(diǎn)氧氣濃度變化規(guī)律圖

由圖6,7可以看出，膠運(yùn)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨工作面的推進(jìn)下降較快，進(jìn)入采空區(qū)深部14 m左右，氧氣濃度就已經(jīng)下降至18％，當(dāng)達(dá)到71 m左右時(shí)氧濃度降至8％以下，進(jìn)入了窒息帶。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度下降比較緩慢，在49 m時(shí)，氧濃度才低于18％，且下降趨勢(shì)緩慢。當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到120 m左右的時(shí)候，氧濃度才下降到8％以下。這主要是因?yàn)榛仫L(fēng)側(cè)的漏風(fēng)強(qiáng)度低，再加上采空區(qū)中部頂板垮落較好，冒落壓實(shí)程度較高，風(fēng)流不易擴(kuò)散至回風(fēng)側(cè)，使得該區(qū)域的氧濃度迅速下降。

從數(shù)值模擬結(jié)果中提取膠運(yùn)巷和輔運(yùn)巷數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表4。

表4 風(fēng)量1 300 m3/min時(shí)模擬與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比表

由表4可得，151309工作面氧化自燃帶模擬范圍為15～145 m，其中輔運(yùn)巷為45～145 m，膠運(yùn)巷為15～82 m；而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的自燃帶為12～120 m，輔運(yùn)巷為49～120 m，膠運(yùn)巷為12～71 m，數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)誤差較小，誤差率為20％左右，即氧化帶的寬度誤差在20 m左右。模擬結(jié)果與采空區(qū)氣體濃度實(shí)際分布結(jié)果基本一致?？梢?，模擬參數(shù)(孔隙率和滲透率)的取值具有一定的意義，能夠反映出采空區(qū)實(shí)際自燃發(fā)火三帶分布情況。

6 結(jié) 論

1) 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定，151309工作面配風(fēng)量為1 300 m3/min時(shí)，采空區(qū)自燃帶范圍為膠帶運(yùn)輸巷12～71 m；輔助運(yùn)輸巷為49～120 m。

2) 采用Fluent軟件，模擬出不同風(fēng)量條件下氧化帶寬度，并與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)測(cè)結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致，表示本次模擬結(jié)果可靠。不同風(fēng)量下模擬自燃帶的寬度，其結(jié)果對(duì)后續(xù)該工作面安全開采具有指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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