工作面回撤期間煤自燃高溫區(qū)域演化規(guī)律模擬*

于志金，翟小偉，馬靈軍，董　偉，4，景巨棟，4 ，馬　騰

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750002；4.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750002)

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工作面回撤期間煤自燃高溫區(qū)域演化規(guī)律模擬*

于志金1，2，翟小偉1，2，馬靈軍3，董偉3，4，景巨棟3，4，馬騰1，2

(1.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750002；4.神華寧夏煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750002)

為掌握綜放工作面停采回撤期間由于煤氧化升溫而產(chǎn)生的溫度異常區(qū)域的動態(tài)演化規(guī)律，進(jìn)而科學(xué)地指導(dǎo)防滅火措施的高效應(yīng)用。以典型工作面為背景，基于煤自燃過程的耦合原理與實(shí)驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)參數(shù)，利用COMSOL軟件對采空區(qū)遺煤的氧化升溫過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。結(jié)果表明：工作面回撤時(shí)期，在漏風(fēng)較為穩(wěn)定的條件下，煤體持續(xù)氧化升溫采空區(qū)內(nèi)的高溫區(qū)域會逐漸形成于靠近漏風(fēng)源的進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)距工作面3～10 m范圍內(nèi)，并隨著時(shí)間推移，溫度呈非線性升高的特征。如不采取有效的防治措施，燃燒則會在進(jìn)風(fēng)一側(cè)距工作面3～5 m區(qū)域內(nèi)率先發(fā)生。通過現(xiàn)場實(shí)踐，利用模擬得出規(guī)律成功地指導(dǎo)了現(xiàn)場工作面的回撤，證明了模擬結(jié)果能夠正確地反應(yīng)采空區(qū)溫度分布的變化趨勢。

耦合原理；數(shù)值模擬；采空區(qū)；燃燒；回撤

0　引　言

自燃是煤的本質(zhì)屬性，而自燃的發(fā)生需要穩(wěn)定的氧化蓄熱環(huán)境。工作面停采回撤時(shí)期，靜態(tài)的工作面條件導(dǎo)致遺煤處于持續(xù)的氧化狀態(tài)中，隨著時(shí)間推移，煤氧化產(chǎn)生的熱量不斷積聚致使溫度上升，如不采取有效的控制措施，極易發(fā)生煤自燃火災(zāi)。在中國，各大煤炭主要產(chǎn)區(qū)均存在工作面回撤期間煤自然發(fā)火問題[1-2]。對此，許多研究者針對回撤期間煤自然發(fā)火的特點(diǎn)，應(yīng)用了多種防滅火技術(shù)來確保工作面順利回收[3-4]。但防治技術(shù)實(shí)施往往滯后于煤自燃的發(fā)展?fàn)顟B(tài)，造成預(yù)防工作較為被動，一旦火災(zāi)發(fā)生，工作面只能被迫封閉[5]。因此，為實(shí)現(xiàn)對煤自燃狀態(tài)超前預(yù)測，高溫位置準(zhǔn)確判斷。文中利用數(shù)值方法，模擬工作面回撤期間采空區(qū)內(nèi)溫度隨時(shí)間的瞬態(tài)分布特征，而從能夠超前預(yù)測煤自燃高溫區(qū)域，為現(xiàn)場的煤自燃防治工作提供指導(dǎo)。

1　工程背景與模擬過程

1.1工程背景

某礦2#煤層為Ⅰ級易自燃煤層，自然發(fā)火期為23 d，著火點(diǎn)為305 ℃.由于綜放開采、回撤周期長等原因?qū)е略撁簩觾?nèi)布置的大部分工作面回撤期間遺煤自燃現(xiàn)象嚴(yán)重。往往回撤一段時(shí)間后，部分工作面支架后尾梁處率先出現(xiàn)較高濃度的CO，其位置分布極不規(guī)律且發(fā)展十分迅速，隨即很快能夠檢測出C2H4，C2H6等高溫裂解氣體，發(fā)火預(yù)兆明顯。使得工作面被迫封閉，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

II020210綜放工作面位于2#煤層?xùn)|南部，西部與II020208綜放工作面采空區(qū)相鄰，中間留設(shè)35 m煤柱，東部為原始煤層，無采掘活動。采用“U”通風(fēng)方式，走向長為1 008 m，傾斜長為245 m，煤層平均厚度為9.3 m，回采時(shí)割煤高度為3.2 m，放煤高度為6.1 m，采放比為N=1∶1.9，停采回撤時(shí)期配風(fēng)量為836 m3/min.

1.2模擬過程

依據(jù)II020210綜放工作面回撤期間遺煤所處的外部環(huán)境，結(jié)合煤氧化升溫過程“三傳一反(傳質(zhì)、傳熱、傳功、反應(yīng))”的特點(diǎn)，考慮多物理場的耦合過程。借助已有研究建立的控制方程[6-7]，建立了適用于描述工作面回撤期間的遺煤自燃數(shù)值模型。經(jīng)過對眾多煤自燃模型的解算發(fā)現(xiàn)，在求解方程中的一些重要參數(shù)(表1)和模型的邊界條件，特別是傳熱模型的邊界條件設(shè)定是影響模擬結(jié)果能否準(zhǔn)確反映問題變化趨勢的關(guān)鍵因素。

表1　煤自燃模型求解關(guān)鍵參數(shù)

注：煤自燃過程中，上述參數(shù)多為變量，隨反應(yīng)進(jìn)行其值不斷變化。

以II020210綜放工作面為背景建立幾何模型，假設(shè)工作面回撤期間風(fēng)量和采空區(qū)內(nèi)地漏風(fēng)規(guī)律保持不變?？紤]采空區(qū)遺煤分布呈兩端多、中間少的特點(diǎn)，在模型中通過設(shè)定不均勻耗氧速率來描述遺煤的氧化升溫特征。模型中的主要求解參數(shù)來源于自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)，并結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)的計(jì)算方法得到[8-9]。依據(jù)現(xiàn)場環(huán)境設(shè)定的邊界條件見表2.

表2　模型的邊界條件

其中：U為速度矢量；C為氧氣濃度；T為溫度；Ta為壁面的溫度；h為換熱系數(shù)；λeq為等效導(dǎo)熱系數(shù)[10]。

選用基于有限元算法的多物理場耦合軟件COMSOL進(jìn)行求解，由瞬態(tài)的求解方法得到工作面停采后采空區(qū)內(nèi)溫度隨時(shí)間的變化特征。

2　模擬結(jié)果

2.1采空區(qū)溫度場分布

幾何模型中，右側(cè)為進(jìn)風(fēng)巷。采空區(qū)的初始溫度為20 ℃，通過模擬得到工作面停采后采空區(qū)溫度場分布如圖1所示。

圖1　采空區(qū)溫度場隨停采時(shí)間的分布特征Fig.1　Temperature distribution characteristics of mined-out area with stopping mining time(a) 13 d　(b) 17 d　(c) 22 d

停采后，采空區(qū)內(nèi)影響煤自燃的因素保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)，煤隨時(shí)間推移不斷氧化升溫。由圖1可知，背景工作面在停采13 d后采空區(qū)內(nèi)逐漸形成具有明顯溫差的區(qū)域，其中升溫區(qū)域主要集中于采空區(qū)內(nèi)距工作面3～20 m范圍。由圖1(a)和圖1(b)可知，在煤的升溫過程中，沿整個(gè)工作面方向上均分布著不同程度的高溫點(diǎn)。但由于供氧條件相對充足，煤氧化進(jìn)入加速升溫階段后，進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)溫度將會快速上升，在模擬條件下，第22天進(jìn)風(fēng)側(cè)最高溫度點(diǎn)達(dá)到166 ℃.整個(gè)采空區(qū)最高溫度點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化規(guī)律如圖2所示。

圖2　最高溫度點(diǎn)溫度隨停采時(shí)間變化Fig.2　Temperature of the highest temperature point changing with stopping mining time

由圖2可知，采空區(qū)煤的升溫具有明顯的非線性特征，停采初期至第17天時(shí)煤溫最高點(diǎn)仍低于55 ℃，說明長時(shí)間的低溫氧化過程中煤的溫度升高并不明顯，但隨著熱量的不斷積聚，煤溫由55 ℃到220 ℃僅需6 d，特別是突破臨界溫度后，煤溫將迅速上升，并很快發(fā)生燃燒。上述原因?qū)е铝瞬煽諈^(qū)中的煤自燃往往早期不易發(fā)覺，一旦發(fā)現(xiàn)高溫出現(xiàn)，則自燃極難控制。因此，準(zhǔn)確掌握高溫范圍隨時(shí)間的發(fā)展規(guī)律，在早期及時(shí)的進(jìn)行治理是防治煤自燃的根本思路。

2.2高溫區(qū)域的形成特點(diǎn)

結(jié)合圖1中采空區(qū)內(nèi)主要的升溫區(qū)域，分別沿工作面方向繪制了采空區(qū)內(nèi)距工作面3，5，10 m位置處的溫度隨時(shí)間變化曲線，如圖3所示。

圖3　采空區(qū)3，5，10 m處溫度隨時(shí)間變化特征Fig.3　Temperature variation characteristics with time in mined-out area 3，5，10 m deep

坐標(biāo)軸左側(cè)為進(jìn)風(fēng)位置。由圖3可知，隨著煤溫不斷升高，相同時(shí)間下，采空區(qū)內(nèi)不同深度的溫度分布差異明顯，溫度越高，溫差越大。不同時(shí)間段內(nèi)采空區(qū)5 m處的煤溫明顯高于其他位置，而3和10 m處在整個(gè)升溫過程中各點(diǎn)的溫度差異較小。溫度未達(dá)到臨界溫度時(shí)，沿工作面方向上的各點(diǎn)溫度呈現(xiàn)整體升高的特征，并未形成明顯的高溫區(qū)。但溫度升高后，隨著煤耗氧能力的迅速加大，高溫區(qū)域?qū)⒂诓煽諈^(qū)兩側(cè)3～10 m的范圍內(nèi)逐漸形成，并呈現(xiàn)兩端高，中間低的特點(diǎn)。最終，燃燒大致會發(fā)生位于采空區(qū)內(nèi)3～5 m深并距進(jìn)風(fēng)位置20～25 m處。

上述現(xiàn)象說明：在準(zhǔn)備回撤時(shí)，為了防止煤自燃發(fā)生，應(yīng)首先對采空區(qū)兩巷位置實(shí)施有效的堵漏風(fēng)措施，減少采空區(qū)漏風(fēng)。同時(shí)沿工作面方向?qū)φ麄€(gè)工作面實(shí)施防滅火鉆孔，其終孔位置應(yīng)位于支架后3～5 m的范圍內(nèi)，在靠近進(jìn)、回風(fēng)巷位置的重點(diǎn)防范區(qū)域內(nèi)，應(yīng)加大鉆孔布置強(qiáng)度，同時(shí)施工高、低位鉆孔?；爻窌r(shí)，依據(jù)鉆孔內(nèi)氣體或溫度的監(jiān)測結(jié)果，及時(shí)地采取防滅火措施，從而抑制煤自燃現(xiàn)象的發(fā)生。

3　現(xiàn)場實(shí)踐

II020210工作面回撤期間曾多次發(fā)生嚴(yán)重的CO氣體超限，上隅角和回風(fēng)流中CO均達(dá)到100 ppm以上，并急劇升高，導(dǎo)致工作面被迫封閉。為了實(shí)現(xiàn)工作面成功啟封和回撤，首先，在距工作面前方20 m處施工防滅火措施巷并由措施巷向采空區(qū)方向施工鉆孔，終孔位于支架后尾梁3～5 m處。在回撤過程中，由于采用局部通風(fēng)的方式向扇形帶供風(fēng)，依據(jù)兩端升溫較快，特別是自燃位置與進(jìn)風(fēng)側(cè)具有明顯的一致性特點(diǎn)的模擬結(jié)論。隨著支架回撤，應(yīng)依次通過措施巷鉆孔對進(jìn)風(fēng)位置附近實(shí)施灌注高分子膠體、水等材料抑制煤自燃。同時(shí)對其余鉆孔內(nèi)檢測到高濃度的CO處灌注高分子膠體。依據(jù)上述的治理思路，II020210工作面實(shí)施啟封后直至工作面回撤完畢，上隅角和回風(fēng)流中CO濃度均維持在10 ppm以下。部分出現(xiàn)高濃度CO鉆孔內(nèi)氣體變化趨勢如圖4所示。

圖4　鉆孔內(nèi)CO濃度變化Fig.4　CO concentration variation in drill(a) 100-145#支架　(b) 60-100#支架

啟封后，隨著供氧條件的恢復(fù)，煤體容易再次氧化進(jìn)而發(fā)生復(fù)燃。由圖4可知，在個(gè)別位置鉆孔內(nèi)出現(xiàn)了高濃度的CO后，針對該鉆孔實(shí)施的防滅火技術(shù)有效地抑制了煤的復(fù)燃，并且能夠確保這一區(qū)域長時(shí)間內(nèi)CO氣體濃度維持穩(wěn)定，說明依據(jù)模擬結(jié)果設(shè)計(jì)的終孔位置能夠有效地覆蓋煤自燃重點(diǎn)區(qū)域，使防滅火材料作用于正確的位置，因此效果顯著。同時(shí)，整個(gè)回撤期間，通過在進(jìn)風(fēng)位置附近對應(yīng)的措施巷鉆孔持續(xù)地灌注防滅火材料，有效地對易自燃區(qū)域的煤體進(jìn)行了包裹，成功地消除了煤自燃隱患。

4　結(jié)　論

1)煤自燃模型的正確求解關(guān)鍵在于重要參數(shù)的選取和邊界條件的設(shè)定。在模擬條件下，背景工作面在停采18 d后最高溫度突破臨界溫度，隨后溫度快速升高，第22天最高溫度達(dá)到166 ℃，整個(gè)過程煤溫呈非線性升高的特點(diǎn)；

2)工作面回撤期間，煤自然高溫區(qū)域主要集中于采空區(qū)兩側(cè)距工作面3～10 m范圍內(nèi)，并隨著溫度的不斷上升，沿工作面方向上煤溫呈現(xiàn)兩端高、中間低的分布特征，最終，燃燒會率先在靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)內(nèi)3～5 m處發(fā)生；

3)依據(jù)模擬確定的防滅火重點(diǎn)區(qū)域，將措施巷鉆孔的終孔位置設(shè)于采空區(qū)3～5 m范圍內(nèi)，在回撤期間，通過鉆孔對進(jìn)風(fēng)位置附近和出現(xiàn)自燃隱患地點(diǎn)進(jìn)行灌注高分子膠體和注水的方法，成功實(shí)現(xiàn)了工作面啟封和回撤。

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Evolutional law simulation of high temperature zone of coal spontaneous combustion during retreating period of mining face

YU Zhi-jin1，2，ZHAI Xiao-wei1，2，MA Ling-jun3，DONG Wei3，4，JING Ju-dong3，4，MA Teng1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；3.ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCorporationLtd，Yinchuan750002，China；4.YangchangwanMine，ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCo.,Ltd.，Yinchuan750002，China)

Grasping the evolutional law of temperature abnormal region due to the self-heating of coal during retreating period of full-mechanized mining face，is a scientific guidance for effective application of fire prevention measures.Taking the typical working face as the background，based on the coupling principle of coal spontaneous combustion and data from experiment，numerical simulation is carried out by COMSOL software.The results show that during retreating period of face，on the conditions of the stability of air leakage，coal will be oxidized with the temperature rising constantly.High temperature zone will be formed gradually on both sides of air intake and return where close to air leakage source and 3～10 m from the face in mining-out area，and with time goes，temperature rises constantly.If not to take effective measures to control，burning will first happy in the side of air intake from working face 3～5 m.The conclusions have been drawn from simulated results to guide the mining face retreat successfully，and the simulated results are validated it，which can correctly reflect the variation tendency of temperature distribution in mining-out area.

coupling principle；numerical simulation；mining-out area；burning；retreating

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0504

1672-9315(2016)05-0628-05

2016-05-20責(zé)任編輯：劉潔

國家自然科學(xué)基金青年基金(51404195)；陜西省重點(diǎn)科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃(2012KCT-09)

于志金(1989-)，男，漢，黑龍江雙鴨山人，博士研究生，E-mail：yuzhijin0927@126.com

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