工作面動態(tài)推進下采空區(qū)煤自燃分布特征模擬*

李　品，褚廷湘，陳　興

(河南理工大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

0　引言

在工作面的動態(tài)推進過程中，通過對不同推進距離下的采空區(qū)煤自燃分布特征進行預(yù)測預(yù)報，可為采取有效的煤自燃防治措施提供一定的參考。鑒于采空區(qū)煤自燃現(xiàn)場監(jiān)測手段的局限性[1]，利用數(shù)值模擬軟件，展開對工作面動態(tài)推進下采空區(qū)煤自燃分布特征的模擬研究，有利于進一步完善對采空區(qū)煤自燃過程的準(zhǔn)確預(yù)報和預(yù)防治理。

在工作面的動態(tài)推進過程中，采空區(qū)內(nèi)氧氣流速、氧氣濃度和高溫區(qū)域的分布隨著推進距離的增加，處于動態(tài)的變化之中?；诓煽諈^(qū)遺煤的冒落壓實效應(yīng)，可通過碎脹系數(shù)公式描述采空區(qū)滲透率分布的變化規(guī)律[2]。在采空區(qū)滲流屬性確定的基礎(chǔ)上，對采空區(qū)內(nèi)的連續(xù)性方程、滲流-擴散方程及傳熱方程進行聯(lián)立求解，可獲得采空區(qū)流場、氧氣濃度場和溫度場的分布規(guī)律[3-4]。朱建芳等[5-7]在移動坐標(biāo)系下建立采空區(qū)煤自燃解算模型，并通過溫度模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測比對，驗證了數(shù)值模型的正確性；李宗翔[8-9]利用自主開發(fā)的G3程序解算了采空區(qū)的漏風(fēng)形態(tài)和溫度場分布，并給出了采空區(qū)煤自然發(fā)火期與工作面推進速度的指數(shù)關(guān)系；周佩玲[10]基于采空區(qū)孔隙率的時空非均質(zhì)分布，得到了采空區(qū)溫度隨工作面推進距離的變化規(guī)律；時國慶[11]通過模擬工作面在動態(tài)回采過程中采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流與氧氣濃度的改變，得到了采空區(qū)自燃氧化帶的分布規(guī)律；夏同強[12]模擬了工作面不同推進距離下采空區(qū)氣體濃度場與溫度場的分布，分析了不同因素對采空區(qū)煤自燃的影響效應(yīng)。

通過以上分析可知，工作面動態(tài)推進過程中采空區(qū)煤自燃的分布特征，特別是工作面推進距離對采空區(qū)煤自燃分布的影響效應(yīng)仍需進一步的完善補充。利用COMSOL軟件對工作面不同推進距離下的采空區(qū)滲透率、以流速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的采空區(qū)氧化帶范圍以及采空區(qū)高溫區(qū)域進行模擬，分析采空區(qū)煤自燃分布特征隨推進距離的變化規(guī)律，對于動態(tài)預(yù)防煤自燃的發(fā)生具有重要意義。

1　采空區(qū)煤自燃數(shù)值模型

1.1　煤自燃控制方程

采空區(qū)內(nèi)的冒落煤巖可視為非勻質(zhì)多孔介質(zhì)，采空區(qū)內(nèi)氣體流動形態(tài)可通過偏達西方程描述，同時，采空區(qū)氣體流動和冒落煤巖的氧化升溫過程必須遵守質(zhì)量、動量和能量守恒定律。采空區(qū)煤自燃控制方程[12]為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p為采空區(qū)氣體流動壓力，Pa；μ為混合氣體動力粘度，Pa·s；ρ為混合氣體密度，kg/m3；k為滲透率，m2；β為非達西流因子，m-1；|v|為風(fēng)流速度的模；H為冒落高度分布函數(shù)；v為多孔介質(zhì)內(nèi)流體流速；Qs為采空區(qū)氣體源(匯)項；n為孔隙率；ci為氣體組分i的摩爾濃度(mol/m3)；Di為氣體組分i的擴散系數(shù)(m2/s)；c為采空區(qū)混合氣體的摩爾濃度，Wi為采空區(qū)氣體的反應(yīng)源項；ρe為當(dāng)量密度，ρe=nρg+(1-n)ρs，ρg，ρs分別為采空區(qū)氣體及固相煤體密度，Kg/m3；ce為松散煤體的當(dāng)量比熱，ce=ncg+(1-n)cs；cg，cs分別為采空區(qū)氣體及冒落煤巖的比熱，J/(kg·K)；λe為松散煤體的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)，λe=nλg+(1-n)λs；λg，λs分別為采空區(qū)氣體和冒落煤巖的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；Q為采空區(qū)熱源項。

表1　煤自燃控制方程源項

1.2　采空區(qū)滲透率方程

在工作面動態(tài)推進的過程中，采空區(qū)上覆巖層垮落。受采空區(qū)煤柱與工作面支架的影響，采空區(qū)兩巷與近工作面端裂隙高度發(fā)育，而采空區(qū)中部及深部煤巖隨著時間推移逐漸被壓實，采空區(qū)冒落分布呈典型的“O”型圈效應(yīng)。因此，采空區(qū)冒落煤巖的碎脹系數(shù)分布滿足[12]：

(5)

采空區(qū)冒落煤巖空隙率與碎脹系數(shù)的關(guān)系為：

(6)

采空區(qū)冒落煤巖滲透率與空隙率的表達式為：

(7)

式中：Dp為采空區(qū)冒落煤巖的平均顆粒直徑，m。

在完善采空區(qū)煤自燃數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際的煤礦采空區(qū)工況條件，建立相似的物理模型，通過設(shè)定模型參數(shù)和邊界條件，可得到工作面推進過程中采空區(qū)滲透率的動態(tài)演變規(guī)律，在此基礎(chǔ)上聯(lián)立求解采空區(qū)氣體流動和傳熱傳質(zhì)控制方程，得到工作面不同推進距離下采空區(qū)煤自燃分布特征。

2　采空區(qū)煤自燃模型的建立

本文所選算例為義馬礦區(qū)耿村煤礦13210工作面，傾向長180 m，煤層傾角平均5°，主采23煤層，平均厚度16 m，工作面平均回采率為0.85。工作面供風(fēng)量為1 300 m3/min，推進速度為3 m/d，風(fēng)阻為0.013 N·s2/m8。根據(jù)工作面的實際工況，建立工作面動態(tài)推進下的采空區(qū)物理模型如圖1所示。

圖1　工作面動態(tài)推進下采空區(qū)物理模型Fig.1　Physical model of gob under dynamic advancing of working face

在動態(tài)推進過程中，工作面為采空區(qū)內(nèi)氣體滲流和遺煤氧化提供了壓力和濃度邊界條件。采空區(qū)煤自燃數(shù)值模型的邊界條件滿足[2]：

式中：R為工作面通風(fēng)風(fēng)阻，N·s2/m8；q為工作面供風(fēng)風(fēng)量，m3/min；L為工作面長度，m；p0為采空區(qū)氣體流動初始壓力，Pa；cO2為采空區(qū)氧氣濃度，mol/m3。

根據(jù)13210工作面的實際工程條件，可確定工作面長度、風(fēng)阻和風(fēng)量等特性參數(shù)；通過開展遺煤的煤自燃特征實驗，可確定模擬過程中遺煤的耗氧和放熱強度等特征參數(shù)。采空區(qū)煤自燃解算模型的模擬參數(shù)如表2所示。

表2　模擬參數(shù)設(shè)置

將上述煤自燃數(shù)值模型和模擬參數(shù)輸入有限元模擬軟件COMSOL，通過與MATLAB聯(lián)用實現(xiàn)工作面推進下采空區(qū)物理模型的動態(tài)網(wǎng)格剖分與煤自燃數(shù)值模型的調(diào)用求解，獲得工作面不同推進距離下采空區(qū)氧化帶范圍變化。

3　采空區(qū)煤自燃分布特征

在工作面動態(tài)推進過程中，采空區(qū)煤自燃分布特征與推進速度的關(guān)系已經(jīng)得到了廣泛探討，然而相關(guān)研究卻忽略了工作面不同推進距離下采空區(qū)煤自燃分布特征。針對工作面推進不同階段下的采空區(qū)煤自燃分布特征，采取與之相適應(yīng)的煤自燃防治措施，有利于高效治理采空區(qū)潛在的煤自燃災(zāi)害。采空區(qū)滲透率分布決定了氧氣的滲流-擴散規(guī)律，影響了采空區(qū)氧化帶范圍變化，進一步作用于采空區(qū)遺煤的氧化放熱，最終決定了采空區(qū)溫度場的分布。因此，采空區(qū)煤自燃分布特征主要包括了滲透率分布、采空區(qū)氧化帶范圍以及高溫區(qū)域分布。

3.1　采空區(qū)滲透率分布特征

在推進過程中，由于工作面初次來壓和周期來壓的作用，采空區(qū)滲透率在工作面不同推進距離下的分布形態(tài)具有一定的差異性。工作面不同推進距離下的采空區(qū)冒落煤巖滲透率分布如圖2所示。由于工作面支架和兩巷預(yù)留煤柱的作用，采空區(qū)近工作面端和兩巷位置滲透率較大，中部及深部滲透率較小，符合“O”形圈理論。在工作面推進初期，采空區(qū)內(nèi)滲透率較高的區(qū)域所占比例較大，隨著工作面推進時間的遷移和推進距離的增加，礦壓作用顯現(xiàn)，采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖由初始冒落狀態(tài)逐漸被壓實，滲透性也隨之降低。隨著工作面向前移動，根據(jù)相對運動原理，近工作面端的采空區(qū)滲透率相當(dāng)于保持不變，而中深部采空區(qū)滲透率不斷減小。

3.2　流速劃分下采空區(qū)自燃氧化帶變化

在確定采空區(qū)滲透率的基礎(chǔ)上，通過漏風(fēng)風(fēng)速0.24～0.1 m/min的劃分指標(biāo)，對采空區(qū)氧化帶變化范圍進行研究。不同工作面推進距離下通過漏風(fēng)風(fēng)速劃分的采空區(qū)氧化帶變化范圍如圖3所示。

以漏風(fēng)風(fēng)速劃分的采空區(qū)煤自燃氧化帶分布呈現(xiàn)階段性變化特征。由圖3可得，隨工作面推進，氧化帶與工作面前端相對距離保持不變。當(dāng)工作面推進距離小于120 m時，采空區(qū)煤自燃氧化帶分布范圍不斷擴大，氧化帶所占采空區(qū)比例較高，采空區(qū)整體區(qū)域漏風(fēng)強度較大；當(dāng)工作面推進距離為120 m時，采空區(qū)氧化帶范圍所占比例與之前相比減??；當(dāng)工作面推進距離大于120 m時，采空區(qū)的氧化帶區(qū)域逐漸穩(wěn)定，隨著推進距離的增加，氧化帶范圍不再發(fā)生變化。

圖3　不同推進距離下漏風(fēng)風(fēng)速劃分采空區(qū)自燃氧化帶Fig.3　The oxidation zone distribution with air velocity in gob under different advancing distances

3.3　氧體積分數(shù)劃分下采空區(qū)自燃氧化帶變化

以氧體積分數(shù)10%～18%為指標(biāo)劃分采空區(qū)自燃氧化帶，得到工作面不同推進距離下的采空區(qū)自燃氧化帶變化規(guī)律如圖4所示。

圖4 　不同推進距離下氧體積分數(shù)劃分采空區(qū)自燃氧化帶Fig.4　The oxidation zone distribution in gob with oxygen volume fraction under different advancing distances

當(dāng)工作面推進距離為30 m時，采空區(qū)整體范圍內(nèi)漏風(fēng)流速較高，特別是進風(fēng)側(cè)的氧氣滲流速度較大，采空區(qū)氧體積分數(shù)的變化梯度較快，因此進風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度顯然小于回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度。 隨著工作面推進距離的增加，采空區(qū)漏風(fēng)阻力增大，進風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度逐漸增加，氧化深度逐漸向采空區(qū)深部延展。

當(dāng)工作面推進距離大于120 m時，采空區(qū)氧化帶趨于穩(wěn)定，氧化帶與工作面前端相對距離以及氧化帶深度保持不變，不再隨推進距離產(chǎn)生變化。采空區(qū)以氧體積分數(shù)劃分的煤自燃氧化帶具有不對稱性，進風(fēng)側(cè)的氧化帶深度大于回風(fēng)側(cè)。

3.3　采空區(qū)溫度分布特征

為了考察以流速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的采空區(qū)煤自燃氧化帶與采空區(qū)溫度分布的關(guān)系，對以采空區(qū)漏風(fēng)流速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的氧化帶與采空區(qū)溫度分布云圖進行疊加，如圖5所示。

圖5　不同推進距離下采空區(qū)溫度與氧化帶疊加區(qū)域分布Fig.5　The superposition area distribution between temperature and oxidation zone in gob under different advancing distances

采空區(qū)煤自燃是遺煤在合適的漏風(fēng)風(fēng)速和氧氣濃度下發(fā)生氧化蓄熱反應(yīng)，最終達到自燃溫度的過程。因此，在窒息帶雖然漏風(fēng)風(fēng)速滿足遺煤的蓄熱條件，但是低氧濃度抑制了煤自燃的發(fā)生；同理，在冷卻帶內(nèi)高氧濃度促進了遺煤氧化放熱，但是由于漏風(fēng)風(fēng)速較大，熱量難以積聚，最終造成遺煤升溫速率緩慢。因此，在工作面推進過程中采空區(qū)遺煤自燃的產(chǎn)生，是合適的漏風(fēng)風(fēng)速與氧氣濃度疊加的結(jié)果。

以80℃作為采空區(qū)遺煤自燃的標(biāo)志，由圖5可得，當(dāng)工作面推進距離為120 m時，采空區(qū)煤自燃區(qū)域形成且位于工作面后方60～70 m位置。而以流速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的采空區(qū)煤自燃氧化帶也恰好在此處重疊。因此可以認為，采空區(qū)遺煤在工作面后方60～70 m范圍內(nèi)進入自燃區(qū)域。隨著工作面推進距離的增加，氧化時間的延續(xù)和冒落煤巖的涌入，使得采空區(qū)自燃區(qū)域范圍不斷擴大，溫度逐漸上升，而高溫區(qū)域與氧化帶的重疊位置基本不變。此外，由于采空區(qū)冒落煤巖與底板的換熱效應(yīng)，高溫煤體在進入采空區(qū)深部窒息區(qū)后有一定的降溫過程。因此，采空區(qū)高溫區(qū)域的傾向?qū)挾妊亻_切眼方向逐漸減小，形成拖尾現(xiàn)象。

3.4　模擬驗證

為了驗證工作面動態(tài)推進下采空區(qū)煤自燃分布特征模擬的有效性，在實際推進過程中，距離進風(fēng)巷60 m處布置有溫度測點，對采空區(qū)溫度隨工作面推進90 m距離的變化進行監(jiān)測。在模擬結(jié)果中提取相同位置點的溫度變化曲線，得到了如圖6所示的實測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果對比。由圖6可得，工作面動態(tài)推進下采空區(qū)煤自燃分布特征模擬與現(xiàn)場實測的數(shù)據(jù)匹配度較高，升溫與降溫過程一致，溫度相差不大，驗證了工作面動態(tài)推進下采空區(qū)煤自燃分布特征模擬的有效性。

圖6　采空區(qū)溫度的實測與模擬比對Fig.6　Comparison of measured data and simulation of gob temperature

4　結(jié)論

1)基于COMSOL軟件實現(xiàn)了工作面動態(tài)推進下的采空區(qū)煤自燃分布特征模擬，得到了不同推進距離下采空區(qū)滲透率、氧化帶和溫度的分布特征。特別地，通過將采空區(qū)氧化帶與溫度場進行疊加處理，明確了采空區(qū)氧化帶與高溫區(qū)域的形成關(guān)系。

2)在動態(tài)推進過程中，采空區(qū)滲透率分布和煤自燃氧化帶范圍均呈現(xiàn)階段性變化特征，在工作面推進初期變化明顯，隨著推進距離的增加最終趨于穩(wěn)定。

3)以漏風(fēng)風(fēng)速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的煤自燃氧化帶的重疊部分，通過合適的漏風(fēng)速率和氧氣濃度為遺煤提供了良好的氧化蓄熱環(huán)境，因此這是采空區(qū)煤自燃的發(fā)生發(fā)展區(qū)域。

4)根據(jù)上述模擬結(jié)果，在實際的防滅火工作中，應(yīng)著重加強以漏風(fēng)風(fēng)速和氧體積分數(shù)為指標(biāo)劃分的氧化帶重疊區(qū)域的煤自燃防治措施；同時，針對工作面推進下采空區(qū)高溫區(qū)域的動態(tài)分布特征，應(yīng)及時采取與之適應(yīng)的煤自燃防治措施，有利于采空區(qū)煤自燃的高效治理。

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