U+L型通風(fēng)條件下采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域研究

翟小偉，蔣上榮，王 博

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西部礦井開采及災(zāi)害防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；3.陜西省煤火災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤炭作為我國的主體能源，在我國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有重要的戰(zhàn)略地位。同時(shí)，我國有70%的礦井有煤自然發(fā)火隱患，礦井火災(zāi)作為礦井五大災(zāi)害之一，嚴(yán)重影響著礦井的安全生產(chǎn)和工人的生命安全。采空區(qū)煤自燃的“三帶”(即散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶)是判斷煤層采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性的重要指標(biāo)[1]。針對(duì)煤層采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法及判定依據(jù)，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究，現(xiàn)階段關(guān)于煤自燃“三帶”的劃分方法主要集中在：采空區(qū)遺煤升溫速率、漏風(fēng)風(fēng)速和氧氣濃度三個(gè)方面[2-4]。以采空區(qū)煤體升溫速率為“三帶”劃分指標(biāo)的方法在實(shí)際中很少運(yùn)用，一是由于煤體是熱的不良導(dǎo)體，對(duì)于采空區(qū)溫度的監(jiān)測(cè)難度很大；二是采空區(qū)條件極其復(fù)雜，關(guān)于遺煤升溫規(guī)律以及采空區(qū)溫度場(chǎng)分布特征的研究還不明確。此外，由于條件限制，在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行風(fēng)速測(cè)定十分困難，采用漏風(fēng)風(fēng)速劃分自燃“三帶”依然處于理論分析階段，在實(shí)際運(yùn)用中存在較大的局限性。

目前最常用的采空區(qū)“三帶”劃分方法是，通過預(yù)埋管路或打鉆等方式在采空區(qū)布置測(cè)點(diǎn)，抽取氣體進(jìn)行分析，依據(jù)氧氣體積分?jǐn)?shù)來進(jìn)行劃分。研究表明，當(dāng)采空區(qū)氧濃度高于18%時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重會(huì)帶走大量熱能，熱量無法積聚，煤體很難發(fā)生自燃；當(dāng)采空區(qū)氧濃度低于下限氧濃度Cmin[5，6]時(shí)，煤體由于缺氧氧化產(chǎn)生的熱量無法達(dá)到自燃，該值可以通過絕熱氧化試驗(yàn)測(cè)算得到。現(xiàn)階段，關(guān)于采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分的研究主要是基于U型通風(fēng)條件下，采用多種手段和方式對(duì)不同開采方法、開采條件進(jìn)行的[7-13]，對(duì)于較復(fù)雜通風(fēng)條件下煤層采空區(qū)的危險(xiǎn)區(qū)域判定研究較少，對(duì)于U+L型通風(fēng)方式，因其多出一條進(jìn)風(fēng)巷或者回風(fēng)巷，造成采空區(qū)的漏風(fēng)比較嚴(yán)重，影響了采空區(qū)煤自燃“三帶”的劃分。本文以陜西杭來灣煤礦U+L型通風(fēng)工作面為例，通過絕熱氧化試驗(yàn)確定了該煤層氧化自燃的下限氧濃度，進(jìn)而通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法研究采空區(qū)“三帶”區(qū)域分布特征，確定該采空區(qū)煤自燃“三帶”。研究內(nèi)容對(duì)類似工作面建立完備的自燃火災(zāi)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)與防控體系、防止采空區(qū)遺煤自燃具有一定的指導(dǎo)意義。

1 采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分基礎(chǔ)

1.1 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性分析

該礦30105工作面主采3#煤層為易自燃煤層，采用U+L通風(fēng)方式。工作面煤層厚度為8.8～9.6m，平均厚度9.2m，設(shè)計(jì)采高4.5m，工作面回采率不低于93%。由于采用大采高分層法開采，且回采過程中頂煤留設(shè)不穩(wěn)定，造成采空區(qū)浮煤較多，這為采空區(qū)煤炭自燃留下隱患。另外，在巷道設(shè)計(jì)過程中采用輔運(yùn)巷以減輕主運(yùn)巷的運(yùn)輸壓力，輔運(yùn)巷緊鄰采空區(qū)，采空區(qū)受輔運(yùn)巷的影響漏風(fēng)嚴(yán)重，使得遺煤氧化自燃最終形成火災(zāi)成為可能。故綜上所述，該工作面采空區(qū)具有一定量的遺煤，且因?yàn)槠渫L(fēng)方式的原因，有較大的漏風(fēng)，有一定的遺煤自燃危險(xiǎn)性。

1.2 采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分依據(jù)

通過絕熱氧化試驗(yàn)進(jìn)行研究，得到了極限浮煤厚度、下限氧濃度、極限漏風(fēng)強(qiáng)度等煤自燃極限特征參數(shù)，為采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分提供了依據(jù)。根據(jù)遺煤自燃特性，本文選取氧濃度作為采空區(qū)煤自燃“三帶”的劃分指標(biāo)，其中散熱帶氧濃度大于18%，窒息帶氧濃度小于絕熱氧化試驗(yàn)測(cè)算出的下限氧濃度Cmin，氧化升溫帶氧濃度介于下限氧濃度Cmin和18%之間。

1.2.1 試驗(yàn)裝置

運(yùn)用煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行絕熱氧化試驗(yàn)測(cè)試。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)由爐體、氣路及控制檢測(cè)三部分組成。爐體呈圓柱形，總裝煤量1.5～2t，外部安裝有爐體保溫層，使?fàn)t內(nèi)煤體處于良好的蓄熱環(huán)境，爐體頂、底部均有氣流緩沖層，使氣流由下向上均勻通過實(shí)驗(yàn)煤體，空氣預(yù)熱之后從爐體底部送入，爐內(nèi)布置了測(cè)溫探頭和氣體采樣點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 絕熱氧化實(shí)驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)圖

1.2.2 試驗(yàn)過程及數(shù)據(jù)

采集工作面新鮮煤樣2t，密封包裝后運(yùn)至自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)室，運(yùn)用鄂式破碎機(jī)破碎并裝入實(shí)驗(yàn)爐體，實(shí)驗(yàn)煤樣使用混合粒度，經(jīng)稱重，共裝煤1561.51kg。預(yù)先向試驗(yàn)爐體內(nèi)通入干空氣，排出爐內(nèi)氣體后開始實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過程抽取不同溫度點(diǎn)的氧化氣體，由SP-2120色譜進(jìn)行分析。具體實(shí)驗(yàn)條件見表1，實(shí)驗(yàn)所得的原始數(shù)據(jù)曲線如圖2所示，并用于下一步計(jì)算。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

圖2 絕熱氧化實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)曲線

由絕熱氧化升溫試驗(yàn)，得到了煤自然發(fā)火過程中的煤體溫度、氧氣濃度隨著反應(yīng)時(shí)間的變化曲線，并通過計(jì)算得到了煤體放熱強(qiáng)度隨著反應(yīng)時(shí)間的變化曲線，為后續(xù)的下限氧濃度計(jì)算提供了基礎(chǔ)參數(shù)。

1.2.3 工作面浮煤厚度測(cè)算

由于采空區(qū)浮煤厚度分布的復(fù)雜性和采空區(qū)的封閉性，目前還沒有準(zhǔn)確測(cè)量浮煤厚度的方法，因此，浮煤厚度是通過煤層厚度、回采率以及孔隙率等經(jīng)過經(jīng)驗(yàn)計(jì)算的方法得到的。

30105工作面平均采高4.5m，工作面中部回采率在93%左右，采空區(qū)內(nèi)部空隙率根據(jù)經(jīng)驗(yàn)考慮為30%。則工作面采空區(qū)浮煤厚度可推算如下：

浮煤厚度=采高×(1-回采率)/(1-孔隙率)

(1)

將30105工作面的各參數(shù)帶入上式，求得采空區(qū)浮煤厚度為0.45m。

1.2.4 下限氧濃度計(jì)算結(jié)果

下限氧濃度與煤的氧化放熱性、松散煤體堆積厚度、周圍散熱條件以及煤體溫度有關(guān)。近似計(jì)算式為[14]：

該工作面推進(jìn)速度以17.7m/d來計(jì)算，當(dāng)采空區(qū)長度為400m時(shí)，需推進(jìn)約23d，由煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，此時(shí)煤樣溫度升至60℃，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)算出煤體在60℃時(shí)，極限浮煤厚度與下限氧濃度的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表2。

表2 不同浮煤厚度時(shí)的下限氧濃度

根據(jù)計(jì)算所得的采空區(qū)浮煤厚度為0.45m，選取該浮煤厚度時(shí)下限氧濃度為12.90%，則該工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3 “三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)

2 采空區(qū)煤自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)研究

2.1 采空區(qū)氣體觀測(cè)方法

采空區(qū)的氣體觀測(cè)采用兩工作面巷道預(yù)埋束管的方法，采用負(fù)壓抽氣泵取樣進(jìn)行色譜分析。設(shè)計(jì)采空區(qū)測(cè)定范圍為325m，每75m布置一個(gè)測(cè)點(diǎn)，兩工作面巷道各3個(gè)測(cè)點(diǎn)，編號(hào)1#—6#，同步觀測(cè)。具體分布如圖3所示。

圖3 工作面采空區(qū)“三帶”觀測(cè)測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 采空區(qū)O2濃度分布

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣體觀測(cè)數(shù)據(jù)，以氧氣濃度作為劃分依據(jù)，分別對(duì)6個(gè)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)的O2濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合，得出進(jìn)、回風(fēng)側(cè)氧氣濃度隨埋深變化趨勢(shì)。同時(shí)采用超前預(yù)測(cè)的方法，按照三個(gè)測(cè)點(diǎn)中氧化升溫帶范圍最大時(shí)來進(jìn)行劃分，從而對(duì)煤自燃危險(xiǎn)進(jìn)行提前預(yù)防，標(biāo)注如圖4、圖5所示。

圖4 進(jìn)風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化規(guī)律

圖5 回風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化規(guī)律

由圖4可以看出，三條曲線變化規(guī)律趨于一致，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度隨埋深增加而降低，且降低速度隨埋深增加而加快。1#、2#、3#測(cè)點(diǎn)分別在埋深達(dá)到260m、230m、190m左右時(shí)氧氣濃度才降低至18%，進(jìn)入氧化升溫帶；埋深分別達(dá)到330m、335m、310m時(shí)，氧濃度降低至下限氧濃度12.9%，進(jìn)入窒息帶。說明該采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)存在較為嚴(yán)重的漏風(fēng)現(xiàn)象，主要是因?yàn)槭?0105工作面緊鄰的輔助運(yùn)輸巷及聯(lián)絡(luò)巷的影響，工作面推進(jìn)后，由于煤柱的存在使得采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)頂板在很長一段距離內(nèi)無法垮落，臨近巷道側(cè)的采空區(qū)頂板垮落不嚴(yán)實(shí)，導(dǎo)致采空區(qū)孔隙較大；另外采空區(qū)覆蓋的聯(lián)絡(luò)巷密閉性不良，二者的綜合作用是導(dǎo)致采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重的主要因素。

由圖5可以看出，4#、5#、6#三個(gè)測(cè)點(diǎn)氧濃度降低速度隨著埋深的增加而加快，與采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)具有相同的趨勢(shì)。由4#、5#、6#三個(gè)測(cè)點(diǎn)可以得到，在埋深分別為34m、68m、92m時(shí)，氧濃度降低至18%，進(jìn)入氧化升溫帶；埋深分別為120m、135m、141m時(shí)，氧濃度降低至12.9%，進(jìn)入窒息帶；由此可知，該工作面回風(fēng)側(cè)氧濃度也較高，但隨著埋深的增加，回風(fēng)側(cè)氧濃度降低速度快于進(jìn)風(fēng)側(cè)，可見回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)量要低于進(jìn)風(fēng)側(cè)，氧化升溫帶寬度明顯大于進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)。

3 采空區(qū)煤自燃“三帶”數(shù)值模擬研究

3.1 幾何模型及邊界條件

以工作面實(shí)際為原型，利用ANSYS Fluent模擬軟件建立采空區(qū)幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖6、圖7所示。采空區(qū)長度為400m，寬299.1m，浮煤厚度取0.5m，浮煤上為4.5m厚的巖石，采空區(qū)旁每隔14.3m有長60m，寬19.5m的煤柱，煤柱間留有與輔運(yùn)巷相連的19.5m寬，14.3m長的聯(lián)絡(luò)巷。計(jì)算區(qū)域劃分網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，浮煤中網(wǎng)格在X、Y、Z三個(gè)方向上步長為1m，巖石中步長為0.7m，共劃分網(wǎng)格3058605個(gè)。

圖6 幾何模型

圖7 網(wǎng)格劃分示意圖

邊界條件設(shè)置應(yīng)根據(jù)工作面實(shí)際工況而定，風(fēng)流入口邊界類型均設(shè)置為速度入口(velocity- inlet)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到主運(yùn)、輔運(yùn)風(fēng)速分別為1.39m/s、1.72m/s，氣流溫度300K；遺煤孔隙率為0.3；巖體孔隙率設(shè)置為0.4；數(shù)值模擬中，煤巖體密度、比熱等材料參數(shù)可以由《杭來灣煤礦地質(zhì)勘探報(bào)告》的力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果以及相關(guān)公式計(jì)算[15]得到，分別為：遺煤密度1600kg/m3，比熱1200J/(kg·K)；巖體密度1800kg/m3，比熱920J/(kg·K)；風(fēng)流出口邊界類型設(shè)置為自由出流(outflow)。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過ANSYS Fluent模擬軟件進(jìn)行數(shù)值求解，得到采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律，采空區(qū)氧氣濃度分布等值線與氧化升溫帶分布云圖分別如圖8、圖9所示，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)采空區(qū)氧氣濃度隨埋深變化規(guī)律圖分別如圖10、圖11所示。

圖8 采空區(qū)氧氣濃度分布等值線圖

圖9 氧化升溫帶分布圖

圖10 進(jìn)風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化規(guī)律

圖11回風(fēng)側(cè)O2濃度隨埋深變化規(guī)律

從圖10、11中可以看出，在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)，氧氣濃度最高值約為18.5%，最低值約為2.5%，而在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，氧氣濃度從21%逐漸降低至3%，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度下降速度要慢于回風(fēng)側(cè)，同一深度氧濃度差別較大。在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)埋深較淺處，氧濃度存在先減小后增加的波動(dòng)區(qū)域，這是由于工作面進(jìn)風(fēng)口向采空區(qū)的漏風(fēng)較大，且輔運(yùn)巷通過聯(lián)絡(luò)巷向采空區(qū)漏風(fēng)也較為嚴(yán)重，使得距離工作面較近的區(qū)域及靠近聯(lián)絡(luò)巷的進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度偏高，這為遺煤自燃提供了條件，且難以判定其危險(xiǎn)性，對(duì)礦井的安全生產(chǎn)會(huì)產(chǎn)生較為嚴(yán)重的影響。

3.3 采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分結(jié)果

通過絕熱氧化升溫試驗(yàn)得到采空區(qū)煤自燃下限氧濃度，以18%、12.9%為上、下劃分界限對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行處理，以超前預(yù)測(cè)為原則得到該U+L型工作面三帶危險(xiǎn)區(qū)域劃分結(jié)果見表4。

表4 “三帶”劃分結(jié)果 m

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法對(duì)采空區(qū)煤自燃“三帶”危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，得到采空區(qū)自燃氧化的危險(xiǎn)區(qū)域，結(jié)果表明由于輔運(yùn)巷漏風(fēng)作用的影響，采空區(qū)氧化升溫帶區(qū)域較大，由其對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)影響嚴(yán)重，出現(xiàn)了煤自燃“三帶”區(qū)域的波動(dòng)，這部分位置也有發(fā)生煤層自燃的可能，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)過程中會(huì)由于束管監(jiān)測(cè)密度較小導(dǎo)致出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域判定的準(zhǔn)確性降低，忽略小范圍氧化升溫帶預(yù)測(cè)，自燃危險(xiǎn)相對(duì)較大。

4 結(jié) 論

通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，對(duì)大采高、U+L型工作面采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：

1)通過絕熱氧化升溫試驗(yàn)，確定該工作面采空區(qū)在不同浮煤厚度下，煤體氧化自燃的下限氧濃度，并根據(jù)浮煤厚度測(cè)算結(jié)果，得到該采空區(qū)自燃的下限氧濃度值為12.9%。

2)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果，確定了采空區(qū)O2濃度隨埋深的變化關(guān)系，掌握了采空區(qū)的煤自燃規(guī)律及特點(diǎn)，進(jìn)而對(duì)采空區(qū)進(jìn)行了“三帶”危險(xiǎn)區(qū)域劃分。

3研究結(jié)果表明U+L型通風(fēng)方式在進(jìn)風(fēng)側(cè)由于輔運(yùn)巷漏風(fēng)作用，會(huì)存在O2濃度的波動(dòng)，煤自燃“三帶”區(qū)域出現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象，增加了自燃危險(xiǎn)性。應(yīng)增加測(cè)點(diǎn)密度，加強(qiáng)觀測(cè)，及時(shí)采取防滅火措施對(duì)采空區(qū)進(jìn)行治理。

4)利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的研究方法進(jìn)行采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的劃分，能夠更加準(zhǔn)確地得到采空區(qū)煤自燃“三帶”的實(shí)際分布規(guī)律，為制定有針對(duì)性的綜合防火措施提供科學(xué)依據(jù)和理論基礎(chǔ)。