下分層采空區(qū)瓦斯與煤自燃危險區(qū)域判定

丁仰衛(wèi)

（山東魯泰控股集團(tuán)有限公司鹿洼煤礦，山東省濟(jì)寧市，272000）

鹿洼煤礦4301煤層屬自燃及含瓦斯的特厚煤層，煤層平均厚度8 m，煤層采用分層開采，首先對上分層4301（1）工作面進(jìn)行開采并于2012年年初開采完畢，2016年年初對下分層4301（2）工作面開始進(jìn)行掘進(jìn)回采。由于4301（1）上分層開采結(jié)束已近4年，上分層采空區(qū)遺煤長時間解析氧化，對下分層開采具有極大的安全隱患，為保證下分層開采時工作面安全回采，需對下分層采空區(qū)內(nèi)瓦斯及煤自燃指標(biāo)氣體情況做好監(jiān)測工作。因此，為了預(yù)防工作面回采期間瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測相結(jié)合的方法對采空區(qū)建立了煤自燃指標(biāo)氣體及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控體系，為下一步有效采取煤自燃與瓦斯防治技術(shù)措施提供了依據(jù)。

1 下分層開采采空區(qū)氣體空間運移規(guī)律模擬研究

為研究采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律［1-3］，本文根據(jù)分層開采采空區(qū)煤自燃特性及現(xiàn)場實際情況，建立了采空區(qū)遺煤耗氧模型，完善了氧氣擴(kuò)散方程，并利用Fluent數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)氧氣及瓦斯分布進(jìn)行模擬［4-7］。

1.1 采空區(qū)氧氣擴(kuò)散消耗及物理模型的構(gòu)建

1.1.1 采空區(qū)遺煤耗氧模型

煤自燃涉及到一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，由煤氧之間的放熱反應(yīng)和相關(guān)的熱量釋放所引起。煤自燃的主要影響因素包括孔隙率、煤溫以及氧氣濃度。在低溫條件下煤的氧化率對于預(yù)測煤自燃是一個至關(guān)重要的因素。采空區(qū)物理模型如圖1所示。在圖1中，假設(shè)漏風(fēng)沿著y軸方向均勻地流過微元體，則氧氣消耗速率V(T)表示為：

式中：xi，xj——距x軸原點的距離，m；

yi，yj——距y軸原點的距離，m；

zi，zj——距z軸原點的距離，m；

V(T)——氧氣的消耗速度，mol/（m3·s）。

1.1.2 采空區(qū)內(nèi)氧氣擴(kuò)散模型

根據(jù)動力彌散理論，單位時間內(nèi)氧氣物質(zhì)量的變化量N由式（2）可得：

N=N1-N2+N3（2）

式中：N——位時間內(nèi)氧氣物質(zhì)量的變化量；

N1——滲透空氣中的氧氣流出與流入封閉曲面之差；

N2——封閉曲面內(nèi)的氧氣消耗量；

N3——由濃度差異引起的彌散進(jìn)出封閉曲面的氧氣之差。

對于移動坐標(biāo)下的煤柱氧濃度場模型而言，其單位時間內(nèi)微元控制體內(nèi)的氧氣濃度和孔隙率的變化可以忽略。因此采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度擴(kuò)散方程（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：cO2——氧氣濃度，mol/m3；

kO2——氧氣的擴(kuò)散系數(shù)常數(shù)；

vx，vy，vz——氧氣在x軸、y軸和z軸方向的速度，m/s；

v——氧氣在采空區(qū)內(nèi)的速度，m/s。

本研究為驗證所建立的采空區(qū)內(nèi)的耗氧速率和滲流擴(kuò)散模型的正確性，將相關(guān)方程編寫成UDF導(dǎo)入到FLUENT中進(jìn)行迭代計算。所建立的物理模型基于山東魯泰控股集團(tuán)有限公司鹿洼煤礦4301（2）工作面構(gòu)建，具體物理模型如圖1所示。

圖1 采空區(qū)物理模型

1.2 模擬結(jié)果分析

采用所建立的采空區(qū)耗氧及氧氣擴(kuò)散模型對下分層采空區(qū)中所含有的氧氣及瓦斯?jié)舛瓤臻g分布特征進(jìn)行模擬研究，如圖2所示，進(jìn)而對采空區(qū)瓦斯與氧氣濃度實現(xiàn)可視化監(jiān)控。

圖2（a）為綜放面采空區(qū)氧氣濃度的分布范圍，軌道巷氧氣濃度的分布范圍要比運輸巷寬，這里以氧氣濃度10%～18%為氧化帶劃分標(biāo)準(zhǔn)，采空區(qū)氧化帶范圍在軌道巷一側(cè)為40～70 m，在運輸巷一側(cè)為16～31 m；由于工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)在軌道巷一側(cè)較強(qiáng)，風(fēng)流多、能量大，使得漏風(fēng)流在采空區(qū)深度方向達(dá)到更長的距離，使氧氣濃度處于較高水平；因此，在采空區(qū)軌道巷一側(cè)，隨著風(fēng)量的增加，氧化帶在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)不斷增加并往采空區(qū)深處遷移。而在采空區(qū)運輸巷側(cè)氧化帶位置變化不大。圖2（b）模擬結(jié)果顯示采空區(qū)內(nèi)瓦斯分布不均勻，高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域主要集中在中后部靠近回風(fēng)側(cè)的位置，濃度高達(dá)30%，采空區(qū)淺部位置瓦斯?jié)舛冉档颓业屯咚節(jié)舛葏^(qū)域面積增大，靠近進(jìn)風(fēng)側(cè)的位置瓦斯?jié)舛冉档托Ч鼮槊黠@；采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍谲壍老镆粋?cè)要比運輸巷一側(cè)更低，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?%～16%的分布區(qū)域在軌道巷一側(cè)77～131 m，在運輸巷一側(cè)20～39 m。

圖2 采空區(qū)內(nèi)距離底板0.5 m處氧氣及瓦斯?jié)舛确植?/p>

2 煤自燃指標(biāo)氣體及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控體系

2.1 監(jiān)控體系布置

為了掌握下分層開采過程中采空區(qū)煤自燃及瓦斯爆炸危險性，在巷道與采空區(qū)內(nèi)布置監(jiān)測點，對采空區(qū)內(nèi)的氣體成分進(jìn)行檢測；采用現(xiàn)場埋管（束管采樣器），每天組織專門人員利用抽氣泵通過正壓束管檢測系統(tǒng)抽取并檢驗采空區(qū)氣樣，得出采空區(qū)內(nèi)各種氣體組分濃度變化規(guī)律，監(jiān)測進(jìn)回風(fēng)側(cè)及采空區(qū)不同深度各種氣體濃度變化規(guī)律。

根據(jù)煤自燃“三帶”測定數(shù)據(jù)分析，其采空區(qū)煤自燃氧化大體范圍為：從回采工作面到采空區(qū)內(nèi)部150 m左右的距離，為了能較為準(zhǔn)確地檢測采空區(qū)濃度，每間隔50 m布置1個測點，在回采的整個階段，保證釆空區(qū)內(nèi)部軌道巷（進(jìn)風(fēng)巷）和運輸巷（回風(fēng)巷）各有3個測點，軌道巷標(biāo)記為1#、2#、3#，運輸巷標(biāo)記為4#、5#、6#，待測點進(jìn)入采空區(qū)后，從軌道巷和運輸巷同時觀測，具體測點分布如圖3所示。

2.2 觀測結(jié)果與分析

對鹿洼煤礦4301（2）工作面進(jìn)行了為期1個月的監(jiān)測，得出了采空區(qū)氧氣濃度隨著采空區(qū)深度的變化規(guī)律，并由此得出采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)氧氣及瓦斯?jié)舛扰c采空區(qū)距離之間的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖3 綜放面測點布置示意圖

由圖4（a）可以看出，隨著工作面的推進(jìn)，在進(jìn)入采空區(qū)深度44 m之后，1#測點氧氣濃度下降到18%；當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)深度71 m之后，1#測點氧氣濃度下降到10%以下；在進(jìn)入采空區(qū)深度17 m之后，4#測點氧氣濃度下降到18%左右；當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)32 m深度之后，4#測點氧氣濃度下降到10%左右；相比較而言，進(jìn)風(fēng)側(cè)漏風(fēng)比回風(fēng)側(cè)要嚴(yán)重，氧氣濃度降低速率相對較慢。由圖4（b）可以看出，瓦斯氣體的濃度隨著采空區(qū)的深入不斷增加，其變化趨勢在進(jìn)回側(cè)和回風(fēng)側(cè)也有一定的差異；在進(jìn)入采空區(qū)77 m處，1#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%；進(jìn)入采空區(qū)深度130 m處時，1#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?6%；在進(jìn)入采空區(qū)2 m處，4#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%；進(jìn)入采空區(qū)深度44 m處時，4#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%。同樣可以說明，進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度要大于回風(fēng)側(cè)，因此瓦斯?jié)舛认陆档目臁?/p>

3 采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域的確立

由工作面采空區(qū)內(nèi)遺煤自燃機(jī)理可知，散熱帶主要是由于漏風(fēng)量太大，采空區(qū)不具備良好的蓄熱環(huán)境因而難以自燃；窒息帶雖然有良好的蓄熱環(huán)境，但是由于沒有充足的供氧條件，因此也不易發(fā)生自燃。所以，本文采取漏風(fēng)流速和氧氣濃度雙指標(biāo)的方法，進(jìn)行采空區(qū)“三帶”的劃分，即將0.004 m/s的采空區(qū)漏風(fēng)流速和18%的氧氣濃度作為散熱帶與氧化升溫帶邊界劃分的標(biāo)準(zhǔn)，將0.0017 m/s的采空區(qū)漏風(fēng)流速和10%的氧氣濃度作為氧化升溫帶和窒息帶邊界劃分的標(biāo)準(zhǔn)。

采空區(qū)氧濃度和漏風(fēng)流速數(shù)值模擬結(jié)果以（v≤0.004 m/s∪cO2≤18%）和（v≥0.0017 m/s∪cO2≥10%）雙指標(biāo)所劃定的區(qū)域作為采空區(qū)的氧化升溫帶，分別取v為0.004 m/s、0.0017 m/s和cO2為18%、10%等值線，如圖5所示。

由圖5可以看出，雙指標(biāo)劃分法得到的氧化升溫帶，進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)相比較而言呈現(xiàn)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化升溫帶寬、回風(fēng)側(cè)氧化升溫帶窄的非均勻分布的狀態(tài)，氧化升溫帶的寬度從進(jìn)風(fēng)側(cè)的7～31 m減小為回風(fēng)側(cè)的16～52 m，這主要是由于進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度不同而引起氧氣濃度差異造成的。與以氧氣體積分?jǐn)?shù)為10%～18%或漏風(fēng)流速為0.0017～0.004 m/s單個指標(biāo)相比較而言，劃分出的氧化升溫帶寬度的范圍大，從而為安全生產(chǎn)提供了更大的保障。

為了進(jìn)一步研究采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域，基于束管檢測系統(tǒng)與數(shù)值模擬結(jié)果，結(jié)合雙指標(biāo)法建立的氧化升溫帶，劃分出了下分層開采過程中工作面采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害大體區(qū)域。采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域的確立如圖6所示。由圖6可以看出，由雙指標(biāo)劃分法得到了采空區(qū)的氧化升溫帶，但采空區(qū)除了煤自燃危險，在下分層回采過程中采空區(qū)內(nèi)有瓦斯不斷涌出，在采空區(qū)積聚而形成瓦斯爆炸危險帶。為了解煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域，以數(shù)值模擬為主要手段，建立氧氣消耗和瓦斯擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，結(jié)合上下隅角埋管檢測數(shù)據(jù)，對采空區(qū)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域進(jìn)行探測及劃分。從模擬與實測結(jié)果分析，煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域主要集中在回風(fēng)側(cè)，大體位置：靠近回風(fēng)側(cè)采空區(qū)20～72 m，工作面遠(yuǎn)離回風(fēng)隅角方向0～100 m的區(qū)域。該危險區(qū)域比預(yù)測得到的范圍稍微大，但為了更好地防治采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害，進(jìn)而為安全生產(chǎn)提供更大的保障，這一區(qū)域應(yīng)該著重進(jìn)行防治。

圖4 進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧氣及瓦斯?jié)舛入S采空區(qū)深度的變化曲線

圖5 基于雙指標(biāo)劃分的氧化升溫帶

圖6 采空區(qū)煤自燃與瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險區(qū)域的確立

4 結(jié)論

（1）建立了采空區(qū)氧氣消耗及擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型，通過FLUENT數(shù)值模擬對下分層采空區(qū)氣體流場的空間分布特征，掌握了瓦斯氣氛下采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律。

（2）為了準(zhǔn)確判定采空區(qū)危險區(qū)域的大體位置，采用建立的氧氣消耗和擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型以數(shù)值模擬為主要手段，結(jié)合上下隅角埋管檢測數(shù)據(jù)為輔，對采空區(qū)瓦斯與氧氣濃度實現(xiàn)可視化監(jiān)控，最后基于漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛?個參數(shù)對采空區(qū)煤自燃與瓦斯危險區(qū)域進(jìn)行劃分及定位，為下一步采取煤自燃與瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)提供了指導(dǎo)。