8204工作面采空區(qū)自燃特性分析

崔永青，孫 亮

(1. 山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 長(zhǎng)治 046300； 2. 煤科集團(tuán) 沈陽(yáng)研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122； 3. 煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 遼寧 撫順 113122)

采煤工作面開(kāi)采后，煤層上覆巖層將逐漸垮落壓實(shí)，但仍存在裂隙，工作面的風(fēng)將漏入采空區(qū)，對(duì)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)流場(chǎng)的性質(zhì)對(duì)防止遺煤自燃具有重要意義[1-2]. 科研工作者對(duì)此開(kāi)展了大量的研究，錢(qián)鳴高[3]等研究得到采空區(qū)冒落壓實(shí)“O”形圈理論，對(duì)后來(lái)的研究指出了方向；李宗翔等[4]將采空區(qū)分割為4個(gè)區(qū)：不自燃Ⅱ區(qū)、不自燃Ⅰ區(qū)、自燃區(qū)和易自燃區(qū)，指出采空區(qū)遺留煤自然發(fā)火的特性。為了獲得礦井采空區(qū)自然發(fā)火防治理論，研究采空區(qū)流場(chǎng)成為核心問(wèn)題，最近幾年來(lái)研究的主要方法是通過(guò)Fluent流體軟件[5-7]進(jìn)行數(shù)值模擬，部分科研工作者通過(guò)自編軟件的針對(duì)性和靈活性進(jìn)行試驗(yàn)，取得了一定的研究成果[8-10]，如遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院李宗翔教授利用自編的軟件—G3程序比較準(zhǔn)確地描述采空區(qū)自燃溫度場(chǎng)的性質(zhì)，可以分析不同因素對(duì)自燃升溫的影響，例如采煤方法、通風(fēng)方式和防滅火措施等[11-14]，成為研究采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)范圍的重要方法。G3程序是基于場(chǎng)流理論，即非均質(zhì)介質(zhì)—非線(xiàn)性滲流—多組分氣體交換—溫度場(chǎng)方法，是系統(tǒng)研究采空區(qū)自然發(fā)火的分布特點(diǎn)的一種有效途徑，仍需進(jìn)一步完善基礎(chǔ)研究條件的隨機(jī)性變化。采空區(qū)不但具有垮落壓實(shí)的非均勻性，還具有煤耗氧的非均勻性，且煤耗氧是隨機(jī)變化的。

因此，根據(jù)這一現(xiàn)象，研究了基于垮落壓實(shí)非均勻性“O”形圈分布、煤耗氧非均勻性和隨機(jī)性的采空區(qū)流場(chǎng)的自然發(fā)火特點(diǎn)[15-16]，以更加接近采空區(qū)自然發(fā)火分布特征的真實(shí)情況。

1 采空區(qū)煤氧化反應(yīng)方程

所謂非均質(zhì)冒落采空區(qū)主要指一個(gè)非線(xiàn)性滲流場(chǎng)，這個(gè)場(chǎng)由包層流、紊流和過(guò)渡流3種流體構(gòu)成[8]，在場(chǎng)內(nèi)采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化耗氧及自燃升溫，研究此場(chǎng)主要用到下列方程組：

(1)

(2)

(3)

式中，k為滲透系數(shù)張量，m2/(Pa·s)；p為風(fēng)壓，Pa；為Hamilton算子；V為風(fēng)流滲流速度，m/s；‖V‖是V的模；n為空隙度；b為與k同單位的識(shí)別參數(shù)；δ1為考慮冒落介質(zhì)調(diào)和粒徑、顆粒形狀系數(shù)和空氣運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)的特征參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，可取δ1=1 438.36 m-1s；c(O2)為氧濃度，mol/m3；τ為時(shí)間變量；V是式(1)解出的滲流速度，V=n·v(其中v是真實(shí)速度)；D是氧氣彌散系數(shù)張量[7]，m2/s；c為空氣的摩爾密度；Wg是瓦斯組分涌出稀釋強(qiáng)度，這里忽略；H1為遺煤堆積層厚度；γ0是煤耗氧速度常數(shù)(待定系數(shù))，mol/(m3·s)；b0為實(shí)驗(yàn)常數(shù)[9]，b0=0.023 5 ℃-1；t為采空區(qū)多孔介質(zhì)表征溫度，℃；λe為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)；CS、Cg分別為多孔骨架、空隙氣體的體積當(dāng)量熱容，J/(m3·℃)；h為對(duì)流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tf為風(fēng)流溫度，℃；QS為自燃放熱項(xiàng)；b1為煤耗氧化學(xué)反應(yīng)放熱值，J/mol.

2 計(jì)算“O”型冒落的條件

伴隨著工作面的不斷開(kāi)采，上覆巖層逐漸破斷垮落，采空區(qū)覆巖垮落從穩(wěn)定狀態(tài)變化為不穩(wěn)定狀態(tài)，再到穩(wěn)定狀態(tài)，在工作面采空區(qū)周?chē)Ｗo(hù)煤柱的支撐下，垮落整體演變成基本頂和上覆關(guān)鍵巖層的O-X型破斷。伴隨著工作面的推進(jìn)和周期來(lái)壓的到來(lái)，采空區(qū)中部的覆巖裂隙和垮落下來(lái)的巖石幾乎都已壓實(shí)，但在采空區(qū)周?chē)Ｗo(hù)煤柱側(cè)離層裂隙和冒落裂隙得到良好的保留，進(jìn)而圍繞采空區(qū)周?chē)l(fā)育成相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，也就是采場(chǎng)“O”型圈，作為主要通道為采空區(qū)漏風(fēng)滲流提供了便利。根據(jù)這一現(xiàn)象以及工作面在開(kāi)采時(shí)，存在動(dòng)態(tài)變化和冒落壓實(shí)的隨機(jī)性，得到采空區(qū)冒落分布“O”形圈，見(jiàn)圖1b).

圖1 采空區(qū)計(jì)算區(qū)域與冒落非均質(zhì)性模型圖

以山西馬堡煤業(yè)有限公司8204工作面采空區(qū)流場(chǎng)條件為例，工作面長(zhǎng)度80 m，計(jì)算幾何模型見(jiàn)圖1.圖中Q為工作面風(fēng)量；qL、q′L分別為工作面向采空區(qū)漏入、漏回風(fēng)量；qCH4為沿縱深邊界瓦斯平移涌出風(fēng)量。

采空區(qū)壓實(shí)分布以“O”型圈模型的計(jì)算表達(dá)式如下：

KP(x,y)=KP,min+(KP,max-KP,min)e-a1d1(1-e-ξ1·a0d0)(ξ1<1)

(4)

式中，ξ1是控制“O”型圈模型分布形態(tài)的調(diào)整系數(shù)。取a1=0.036 8、al=0.268、ξ1=0.233時(shí)的KP(x,y)分布顯示結(jié)果見(jiàn)圖1b). 經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)，工作面風(fēng)量Q=426.8 m3/min(每米風(fēng)阻0.009 4 N s2/m8)，漏入風(fēng)量qL=34.2 m3/min；冒落壓實(shí)按負(fù)指數(shù)規(guī)律變化，衰減率為0.037 6，推定b=0.58，則k=0.001 702～0.048 3 m2/(Pa·s)，qCH4=1.8 m3/min.

采用有限元法求解進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，使用李宗翔教授編制的G3程序開(kāi)展數(shù)值模擬計(jì)算[7]，需在MATLAB環(huán)境下運(yùn)行；模型選用雙流層模型，底部是遺煤耗氧層，上部是非耗氧的巖層裂隙。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2，流線(xiàn)間流量差值為2 m3/min，風(fēng)壓等值線(xiàn)差值為2 Pa.

圖2 采空區(qū)場(chǎng)條件及風(fēng)流規(guī)律的模擬結(jié)果圖

在8204工作面借助束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣體成分開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，通過(guò)回歸分析擬合獲得γ0=1.472×10-5mol/(m2·s)；起始溫度為17 ℃. 規(guī)程中工作面的推進(jìn)度是2.4 m/d，為了便于研究，采用可能發(fā)生的最大自燃情況進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)在實(shí)際生產(chǎn)中工作面會(huì)發(fā)生配采或機(jī)械故障停產(chǎn)，因此推進(jìn)度取平均數(shù)為1.2 m/d；模擬得到場(chǎng)流區(qū)域氣體濃度—溫度分布結(jié)果，見(jiàn)圖3，4，5，6，得出了不同模擬條件下的表征溫度升溫過(guò)程。

3 采空區(qū)漏風(fēng)滲流、遺煤耗氧與升溫變化的模擬

均勻耗氧場(chǎng)未采取任何防火措施(不注氮)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3可知，工作面回采后發(fā)生“O”型垮落巖體結(jié)構(gòu)明顯大于幾何完全垮落的孔隙，采空區(qū)漏風(fēng)面積相對(duì)擴(kuò)大。通過(guò)分析圖2a)和圖3c)發(fā)現(xiàn)，煤氧化升溫地帶位于采空區(qū)冒落壓實(shí)范圍的邊界處，產(chǎn)生局部效應(yīng)，主要處于偏向漏風(fēng)風(fēng)流上風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)方向(此位置氧氣足夠)。因?yàn)轱L(fēng)流經(jīng)過(guò)采空區(qū)遺留煤時(shí)發(fā)生“沿程耗氧”效應(yīng)，采空區(qū)氧濃度的分布不平均，在進(jìn)風(fēng)區(qū)域比回風(fēng)區(qū)域高，在工作面回風(fēng)隅角周?chē)p流層模型的氧氣濃度局部開(kāi)始增大。

圖3 采空區(qū)自然發(fā)火的模擬結(jié)果圖

影響采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的因素主要有煤自身性質(zhì)和外力因素，其中外力因素主要通過(guò)改變采場(chǎng)環(huán)境、實(shí)施采空區(qū)防滅火安全技術(shù)手段。總結(jié)起來(lái)主要是通過(guò)惰化和阻化的手段達(dá)到采空區(qū)防滅火的效果，惰化技術(shù)主要為通過(guò)降低氧氣濃度達(dá)到防滅火效果，比如向采空區(qū)注入氮?dú)?、CO2氣體等，而阻化技術(shù)為通過(guò)隔絕遺煤與氧氣達(dá)到防滅火效果，比如向采空區(qū)噴灑阻化劑、注水和灌漿等。堵漏和封閉技術(shù)兼有兩種防滅火技術(shù)的特點(diǎn)，比如向采空區(qū)注入三相泡沫、凝膠等。由于采空區(qū)遺煤厚度不均勻、漏風(fēng)浮動(dòng)變化導(dǎo)致供氧不穩(wěn)定、噴灑阻化劑和注水灌漿等阻化效果差異大，使得采空區(qū)發(fā)生非均勻耗氧。而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中影響采空區(qū)內(nèi)遺煤非均勻耗氧的隨機(jī)原因很多，耗氧不均勻現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，均勻耗氧現(xiàn)象是人為假設(shè)的理想化情況。

依據(jù)工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件計(jì)算實(shí)際耗氧隨機(jī)非均勻性的模擬結(jié)果見(jiàn)圖4，耗氧隨機(jī)情況在0.1～1.1倍上下浮動(dòng)變化，上限值表示采空區(qū)采取阻化措施后完全沒(méi)有作用；下限值表示采取以上綜合阻化措施后阻化效果的充分體現(xiàn)，假設(shè)非均勻耗氧隨機(jī)變化通過(guò)有限元剖分單元作為定值，并以0～1的隨機(jī)量來(lái)計(jì)算。

模擬獲得溫度變化見(jiàn)圖4. 由圖4可知，溫度呈現(xiàn)非均勻分布變化，模擬結(jié)果與采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的實(shí)際情況相符合，采空區(qū)自然發(fā)火最先在某一角落開(kāi)始引燃，如果未能采取有效措施控制火勢(shì)，將會(huì)逐步蔓延最終產(chǎn)生局部火區(qū)。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)盡管采空區(qū)局部耗氧在變化，但采取阻化措施后控制住了采空區(qū)耗氧能力，明顯減弱整體的耗氧能力，證明溫度開(kāi)始下降；分析圖3d)和圖4d)發(fā)現(xiàn)，采取阻化措施后采空區(qū)自然發(fā)火有毒有害氣體CO的分布范圍明顯收縮；但是采取阻化措施后，仍然不能扭轉(zhuǎn)采空區(qū)自燃，這一現(xiàn)象正好和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況比較符合(即采取噴灑阻化劑和灌漿一般很難完全控制采空區(qū)自燃)。發(fā)現(xiàn)采空區(qū)流場(chǎng)的蓄熱與漏風(fēng)供氧聚集部位(即在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角的冒落壓實(shí)邊界區(qū)域)是采空區(qū)自然發(fā)火的高溫區(qū)域，之后再分析耗氧隨機(jī)變化的不均勻影響因素。

圖4 阻化后耗氧不均勻情況下的模擬結(jié)果圖

注入氮?dú)舛杌煽諈^(qū)的模擬結(jié)果見(jiàn)圖5，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)向采空區(qū)注入氮?dú)夂?，可以大面積的惰化采空區(qū)，采空區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣┭醪怀渥阕匀紲p弱的形式，自燃升溫很難保持下去，采空區(qū)溫度逐漸減小最終保持平穩(wěn)，更有可能滅火降溫。由圖6得到采空區(qū)在升溫時(shí)，如果噴灑阻化劑同時(shí)配合注氮?dú)?，則可確保自燃升溫的可能性完全消除，體現(xiàn)出綜合防滅火手段的優(yōu)點(diǎn)這一理論研究結(jié)果。

圖5 實(shí)施惰化(注氮?dú)?0 m3/min)情況下的模擬結(jié)果圖

圖6 實(shí)施措施后采空區(qū)升溫與CO涌出量的對(duì)比圖

4 結(jié) 論

1) “O”形圈特征的采空區(qū)自然發(fā)火情況與采場(chǎng)簡(jiǎn)單的幾何裂隙分布有很大的差異，但是二者所遵照的場(chǎng)流規(guī)律基本一致。采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)的地點(diǎn)主要位于靠近壓實(shí)的采空區(qū)邊緣，自然發(fā)火重點(diǎn)地帶主要是在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角附近，冷卻帶位于工作面周?chē)目迓湮闪鞣秶?。采空區(qū)上覆巖層越穩(wěn)定，所形成的“O”形圈特點(diǎn)就越明顯，自然發(fā)火高溫地帶的重心分布特征越收縮于采空區(qū)的中心。

2) 現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)的實(shí)際情況很繁雜，每個(gè)因素都是非均勻的和隨機(jī)變化的，其中耗氧是非均勻性的(阻化劑噴灑非均衡條件)，所以基于非均勻流場(chǎng)的數(shù)值模擬結(jié)果(采空區(qū)溫度場(chǎng)和自然發(fā)火演變過(guò)程)更具合理性；耗氧分布的非均勻性也反映了采空區(qū)自然發(fā)火的爆發(fā)特點(diǎn)。

3) 以上研究對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)中判定采空區(qū)高溫地帶和開(kāi)展防滅火工作具有重要意義，在防治采空區(qū)自然發(fā)火時(shí)，重點(diǎn)處理區(qū)域應(yīng)是采空區(qū)高氧濃度分布地帶，實(shí)施滅火時(shí)要擴(kuò)展至采空區(qū)深部的低氧濃度區(qū)域。