大采高綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”分析研究

郭偉強

(山西西山晉興能源有限責(zé)任公司，山西 呂梁 033602)

特厚煤層綜采放頂煤技術(shù)可以大幅提高煤炭產(chǎn)量和開采效率，但由于綜采放頂煤技術(shù)一次性開采強度大、冒落高度大，導(dǎo)致采空區(qū)遺留殘煤多、孔隙率大、漏風(fēng)嚴(yán)重，加之機電設(shè)備功率大、散熱多引起采空區(qū)溫度增高等，使得自然發(fā)火頻繁。煤炭自燃導(dǎo)致的火災(zāi)會產(chǎn)生大量有毒有害氣體，并且會引起瓦斯、粉塵爆炸等二次災(zāi)害，嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全。

煤炭自燃都須經(jīng)歷一個發(fā)生、發(fā)展的過程，采空區(qū)遺煤自燃具有一定的規(guī)律性，只要把握這個規(guī)律性，在煤炭自燃的初始緩慢聚熱階段對其進行有效控制和處理，就能防止因采空區(qū)遺煤自燃而導(dǎo)致礦井火災(zāi)的發(fā)生。

1 礦井及工作面概述

斜溝煤礦是設(shè)計生產(chǎn)能力為15.0 Mt/a的大型礦井，設(shè)計服務(wù)年限為70年。礦井采用斜井開拓方式，劃分兩個水平，采用分煤組大巷布置方式。23107綜放工作面位于21采區(qū)13#煤層，走向長度3 400 m，傾向長度242 m. 采用走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤方法進行回采。工作面采高為3.6 m，放煤高度10.75 m，采放比約為1∶2.99，按一刀一放的正規(guī)循環(huán)作業(yè)，循環(huán)進度、放煤步距均為0.8 m，采用全部垮落法管理采空區(qū)頂板，煤層最短自然發(fā)火期為34 d. 由于綜放采煤法本身的局限性，回采率有限，采空區(qū)遺煤多，再加上放煤高度大，漏風(fēng)量大，采空區(qū)遺煤自然發(fā)火嚴(yán)重。

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法包括氧氣濃度、采空區(qū)內(nèi)溫度(遺煤溫升速率)、采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)風(fēng)速，而溫度劃定法和漏風(fēng)風(fēng)速劃定法較少采用。這是由于采空區(qū)內(nèi)遺煤、矸石導(dǎo)熱系數(shù)很低，即使采空區(qū)內(nèi)空氣存在熱對流、傳導(dǎo)、輻射等，但范圍有限，當(dāng)采空區(qū)局部位置出現(xiàn)遺煤激烈氧化放熱時，很難保證熱量傳遞到兩巷測點附近；而漏風(fēng)風(fēng)速劃定的方法現(xiàn)場開展難度大，要求的條件苛刻，適用性低。因此，本次現(xiàn)場測定工作以最為通用的指標(biāo)氧氣濃度作為基礎(chǔ)，以采空區(qū)溫度、漏風(fēng)風(fēng)速作為參考指標(biāo)，采用計算機數(shù)值模擬作為采空區(qū)自燃“三帶”劃分的輔助指標(biāo)。參考13#煤層相關(guān)耗氧臨界值報告，具體氧氣劃分指標(biāo)如下：

散熱帶：O2濃度>18%

氧化帶：7%

窒息帶：O2濃度<7%

3 采空區(qū)“三帶”觀測方案

煤層自然發(fā)火的氧化放熱性能是一定的，當(dāng)物理條件符合，工作面推進度小于氧化自燃帶寬度時，就有可能發(fā)生采空區(qū)遺煤自燃。因此，預(yù)測采空區(qū)遺煤自燃時，必須掌握工作面風(fēng)量、采空區(qū)自燃帶范圍、溫度、O2濃度、CO濃度、工作面推進度等參數(shù)。綜合各種參數(shù)，分析采空區(qū)自燃的變化和分布規(guī)律，確定工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍。

通過對采空區(qū)預(yù)埋管路進行氣體采樣和分析，得出工作面推進與采空區(qū)內(nèi)氣體濃度之間的關(guān)系。以氧氣含量7%～18%作為自燃“三帶”劃分的依據(jù)，采空區(qū)采樣點布置示意圖見圖1.

圖1 工作面采空區(qū)采樣點布置示意圖

4 23107綜放面實測數(shù)據(jù)分析

4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)分析

在回風(fēng)巷將1號測點埋入采空區(qū)108 m左右時，發(fā)現(xiàn)氧氣濃度小于7%且基本穩(wěn)定，遂停止觀測；在進風(fēng)巷將1號測點埋入采空區(qū)228 m左右時，氧氣濃度已經(jīng)低于7%，停止觀測工作。為直觀揭示采空區(qū)氧氣濃度及溫度變化規(guī)律，將所測數(shù)據(jù)用ORIGIN軟件作出折線圖并進行擬合分析，見圖2，3,4，5.

圖2 回風(fēng)巷1號測點氧氣濃度及溫度變化規(guī)律圖

圖3 回風(fēng)巷2號測點氧氣濃度及溫度變化規(guī)律圖

對回風(fēng)巷1號測點擬合得出回歸方程：

y=19.67-0.04x-0.01x2+5.46x3-8.06x4+3.36x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈14 m，氧化帶范圍x2≈84 m.

對回風(fēng)巷2號測點擬合得出回歸方程：

y=19.83-0.43x-0.02x2-7.61x3-2.55x4+2.96x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈6 m，氧化帶范圍x2≈72 m.

取兩者平均值，得出23107綜放面回風(fēng)側(cè)自燃“三帶”寬度為：散熱帶0～10 m，氧化帶10～78 m.

圖4 進風(fēng)巷3號測點氧氣濃度及溫度變化規(guī)律圖

圖5 進風(fēng)巷4號測點氧氣濃度及溫度變化規(guī)律圖

對進風(fēng)巷3號測點擬合得出回歸方程：

y=20.96-0.04x+0.002x2-3.32x3+1.76x4-3.02x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈95 m，氧化帶范圍x2≈215 m.

對回風(fēng)巷4號測點擬合得出回歸方程：

y=20.96-0.02x-8.87x2+5.28x3-7.72x4+2.32x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈127 m，氧化帶范圍x2≈195 m.

取兩者平均值得出，23107綜放面進風(fēng)側(cè)自燃“三帶”寬度為：散熱帶0～111 m，氧化帶111～205 m. 工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍見表1.

表1 工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍表

由表1可以看出，23107綜放面采空區(qū)的自然發(fā)火危險區(qū)域為進風(fēng)側(cè)111～205 m，寬度為94 m；回風(fēng)側(cè)10～78 m，寬度68 m. 采空區(qū)中部自然發(fā)火危險區(qū)域介于進風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)之間。

4.2 采空區(qū)氧氣場數(shù)學(xué)模型驗證

23107綜放面采空區(qū)三維數(shù)學(xué)網(wǎng)格模型見圖6，模型尺寸根據(jù)工作面作業(yè)規(guī)程中的巷道尺寸及現(xiàn)場實測得出，由經(jīng)驗公式計算，模型采空區(qū)上部冒落帶高度為71.75 m、裂隙帶高度為143.5 m.利用ANSYS前處理軟件GAMBIT進行建模、網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置后得出圖6中的模型，之后導(dǎo)入流體力學(xué)計算軟件FLUENT來計算采空區(qū)氧氣濃度分布云圖，見圖7.

圖6 23107綜放工作面采空區(qū)三維數(shù)學(xué)網(wǎng)格模型圖

圖7 23107綜放工作面采空區(qū)底板氧氣濃度分布云圖

從圖7可以看出，進風(fēng)側(cè)采空區(qū)高氧含量區(qū)域明顯寬于回風(fēng)側(cè)的采空區(qū)。當(dāng)深入采空區(qū)100 m左右時氧氣濃度仍然在18%左右，而回風(fēng)側(cè)進入采空區(qū)約13 m時氧氣濃度降至18%左右；進風(fēng)側(cè)采空區(qū)在200 m左右氧氣濃度低于7%，進入“三帶”中的窒息帶，而回風(fēng)側(cè)采空區(qū)在70 m左右時才進入窒息帶。上述數(shù)據(jù)與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)基本吻合，補充驗證了現(xiàn)場實測結(jié)果。

5 工作面推進速度計算

保證工作面正常生產(chǎn)，避免采空區(qū)火災(zāi)產(chǎn)生的最低安全回采速度稱為極限推進速度，極限推進速度與最短自然發(fā)火期和自然發(fā)火危險區(qū)域密切相關(guān)，通常有如下計算公式：

(1)

式中：

Vf—極限推進速度，m/d；

Lz—最大自然發(fā)火危險區(qū)域，m；

T—最短自然發(fā)火期，d.

根據(jù)現(xiàn)場實測與模擬，23107綜放面最大自然發(fā)火危險區(qū)域長度為94 m，最短自然發(fā)火期為34 d，代入上式得出極限推進速度為2.8 m/d. 在現(xiàn)場觀測期間，23107綜放工作面的正常平均推進速度為4.7 m/d，大于2.8 m/d的極限推進速度，符合安全要求。

6 結(jié) 論

1) 通過現(xiàn)場實測得出了23107綜放面采空區(qū)不同深度下氧氣濃度、溫度的變化規(guī)律，以氧氣濃度作為劃分指標(biāo)劃分出其自燃“三帶”范圍：進風(fēng)側(cè)散熱帶0～111 m、氧化帶111～205 m、窒息帶大于205 m，自然發(fā)火危險區(qū)域為111～205 m，寬度94 m；回風(fēng)側(cè)散熱帶為0～10 m、氧化帶為10～78 m、窒息帶大于78 m，自然發(fā)火危險區(qū)域為10～78 m，寬度為68 m. 采空區(qū)中部自然發(fā)火危險區(qū)域介于進風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)之間。

2) 建立了采空區(qū)三維物理滲流數(shù)學(xué)模型及CFD模型，通過數(shù)值模擬補充驗證了現(xiàn)場實測的采空區(qū)自燃“三帶”范圍。

3) 通過測定得出的自然發(fā)火危險區(qū)域長度，結(jié)合所做實驗得出的最短自然發(fā)火期計算出其最低安全回采速度為2.8 m/d，若要保證23107綜采面正常生產(chǎn)，避免火災(zāi)產(chǎn)生，應(yīng)保證推進度大于2.8 m/d.