易自燃煤層采空區(qū)瓦斯與氧氣耦合致災(zāi)效應(yīng)分析

馬金魁，蘇學(xué)友，趙亮宏

（1.煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院有限公司，遼寧 撫順113122；2.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順113122；3.甘肅靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司 大水頭煤礦，甘肅 白銀730913）

對(duì)于厚煤層賦存條件來(lái)講，綜采放頂煤技術(shù)是最高效產(chǎn)出方式，應(yīng)用十分廣泛。但放頂煤開(kāi)采造成的頂板垮落高度要大于常規(guī)開(kāi)采方式，采動(dòng)影響更為明顯，同時(shí)，頂煤釋放的不規(guī)則性也會(huì)增加采空區(qū)遺煤量，在易自燃煤層條件下，容易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火災(zāi)害[1-2]。來(lái)源于鄰近卸壓煤層和采空區(qū)遺煤的瓦斯，受工作面漏風(fēng)流影響在采空區(qū)內(nèi)部展現(xiàn)為有規(guī)律的分布方式[3-5]，并與氧氣濃度決定的采空區(qū)自燃“三帶”構(gòu)成了采空區(qū)2 大災(zāi)害隱患。采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域的氧氣和瓦斯耦合作用后，是否存在瓦斯燃燒或爆炸危險(xiǎn)，成為兩者耦合危險(xiǎn)性識(shí)別的重要信息[6-10]，因此，開(kāi)展易自燃煤層采空區(qū)瓦斯防燃防爆具有重要安全意義。

1 工作面概況

大水頭礦為突出礦井，東106 綜放工作面位于1180 水平，處于東一采區(qū)西翼，工作面煤厚為8～14 m，煤層傾角范圍為4°～12°，受F40斷層刀楞山斷層應(yīng)力的強(qiáng)烈牽引拉伸作用，工作面煤層及頂板受到整體牽引，煤巖強(qiáng)度較為松軟破碎，受構(gòu)造應(yīng)力作用，煤層頂?shù)装迤鸱^大，在褶曲軸部受剪應(yīng)力作用，小斷裂構(gòu)造發(fā)育，煤體松軟破碎，地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，為瓦斯儲(chǔ)存提供了大的空間，屬高瓦斯區(qū)域。該工作面采用“U”型通風(fēng)方式，工作面供風(fēng)量為1 080 m3/min。煤層的自然發(fā)火期達(dá)3～6 個(gè)月，最短只有21 d，煤塵的爆炸指數(shù)達(dá)36%。

2 采空區(qū)氣體分布特征

2.1 采空區(qū)漏風(fēng)及氧氣濃度分布特征

隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)自燃“三帶”的溫度、O2、CO 標(biāo)志氣體也不斷變化，采空區(qū)氣體統(tǒng)計(jì)曲線圖如圖1。從工作面逐漸深入采空區(qū)深部，溫度處于緩慢遞增趨勢(shì)，當(dāng)距工作面55 m 時(shí)，溫度指標(biāo)出現(xiàn)第1 個(gè)峰值，隨后繼續(xù)保持高溫向采空區(qū)深部延伸，體現(xiàn)出采空區(qū)溫度的分布狀態(tài)。采空區(qū)氧氣主要隨著工作面漏風(fēng)流入采空區(qū)，從圖1 可以看出，采空區(qū)距工作面30 m 處，氧氣濃度呈現(xiàn)十分明顯的下降趨勢(shì)，之后下降轉(zhuǎn)化成臺(tái)階狀方式，瓦斯?jié)舛乳_(kāi)始增大，直到采空區(qū)內(nèi)部，呈現(xiàn)震蕩變化。CO 氣體濃度從20 m 開(kāi)始變化，到采空區(qū)33 m 以后的深部，氣體濃度值有顯著往大變化。

圖1 采空區(qū)氣體統(tǒng)計(jì)曲線圖Fig.1 Gas statistical curves of goaf

采空區(qū)氧氣濃度分布立體云圖如圖2。從圖2可以看出，采空區(qū)氧氣濃度由高向低變化的1 個(gè)輪廓，沿采空區(qū)方向氧氣濃度逐漸降低，同一水平尺度進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度要高于回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度，且流動(dòng)路線上的氧氣濃度也在逐步減少。

2.2 不同供風(fēng)量對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域的影響

圖2 采空區(qū)氧氣濃度分布立體云圖Fig.2 Stereo cloud map of oxygen concentration distribution in goaf

采空區(qū)氧氣濃度是判定區(qū)域危險(xiǎn)系數(shù)的重要指標(biāo)，其指標(biāo)大小決定了采空區(qū)遺煤的氧化程度及自燃效應(yīng)，供氧量充足，工作面后方的自燃帶遺煤氧化放熱能量就大，極易引燃煤體。采空區(qū)供氧主要來(lái)源于工作面的漏風(fēng)量，因此，數(shù)值模型設(shè)定入口風(fēng)速為變量，通過(guò)調(diào)整工作面風(fēng)速得到工作面不同配風(fēng)量對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響，以大水頭煤礦東106工作面為模型，設(shè)計(jì)入口風(fēng)速為1.0～1.5 m/s，利用Fluent 軟件模擬計(jì)算了采空區(qū)瓦斯分布特征，分別提取風(fēng)速1.0 m/s 和1.5 m/s 產(chǎn)生的風(fēng)量進(jìn)行分析。

1）當(dāng)風(fēng)量為790 m3/min 時(shí)，風(fēng)速v1為1.1 m/s。沿采空區(qū)方向和水平方向，采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律與上述模擬的規(guī)律一致，只因供風(fēng)量較小導(dǎo)致氧氣梯度分布范圍前移。由于風(fēng)壓較小，工作面附近形成的散熱帶的空隙率較低，導(dǎo)致氧氣擴(kuò)散形成較為規(guī)則的線性方式；自燃帶范圍氧氣同樣呈現(xiàn)為進(jìn)風(fēng)側(cè)分布區(qū)域要寬于回風(fēng)側(cè)區(qū)域；工作面下隅角至上隅角，氧氣變化梯度邊界呈現(xiàn)線性趨勢(shì)；從采空區(qū)氧氣整體分布情況看，靠近工作面支架一側(cè)的分布規(guī)律表明采空區(qū)漏風(fēng)攜帶的氧氣范圍較小。在采空區(qū)深度約50 m 處進(jìn)風(fēng)側(cè)氧濃度已經(jīng)達(dá)到了下限氧濃度值。

2）風(fēng)量為1 080 m3/min 時(shí)，風(fēng)速v2為1.5 m/s。風(fēng)量增大以后，采空區(qū)內(nèi)外風(fēng)壓差值加大，促進(jìn)氧氣范圍擴(kuò)大，邊界處氧氣濃度變化梯度的線性特征也逐漸減弱，呈現(xiàn)出弧形特性，整個(gè)采空區(qū)氧氣濃度的梯度變化邊界范圍增大許多。采空區(qū)深部延伸25 m 出現(xiàn)了氧氣濃度的下限值。

2.3 采空區(qū)O2 與CH4 耦合及其分布特征

放頂煤的開(kāi)采規(guī)律導(dǎo)致采空區(qū)自燃發(fā)火區(qū)存在豐富的氧氣和瓦斯，且兩者濃度均處于瓦斯爆炸條件范圍內(nèi)，如果氧化蓄熱過(guò)程使區(qū)域溫度達(dá)到瓦斯的燃燒點(diǎn)，瓦斯燃燒現(xiàn)象極有可能發(fā)生，甚至產(chǎn)生瓦斯爆炸事故。東106 工作面采空區(qū)存在高濃度瓦斯，在漏風(fēng)源供風(fēng)條件下，該煤層易自燃特點(diǎn)會(huì)加速局部熱量積聚，引誘瓦斯爆炸事故。采空區(qū)氣體滲流軌跡主要受工作面內(nèi)外壓差影響，下隅角是漏風(fēng)源頭，氧氣濃度最高，隨后沿著工作面支架向回風(fēng)巷上隅角流動(dòng)，形成氣流回路，表現(xiàn)1 個(gè)氧氣濃度由高到低的變化輪廓。其特征體現(xiàn)在：①沿工作面傾向方向，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度要大于回風(fēng)側(cè)氧氣濃度，且氧濃度呈梯度減小，符合流體的滲流規(guī)律；②沿著工作面開(kāi)采相反方向，越深入采空區(qū)內(nèi)部，氧氣濃度越低。計(jì)算結(jié)果表明，在距離工作面120 m附近時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度基本降到4%。

3 工作面不同供風(fēng)量情況下耦合效果

在采空區(qū)不同漏風(fēng)量條件下O2、CH4形成耦合結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。采空區(qū)瓦斯分布圖如圖3，采空區(qū)氧氣瓦斯耦合合成圖如圖4。在工作面極大風(fēng)量時(shí)瓦斯?jié)舛却笥?%和氧氣濃度大于12%的區(qū)域，在采空區(qū)的進(jìn)、回風(fēng)側(cè)之間。以進(jìn)風(fēng)側(cè)位置來(lái)判斷，其距離工作面約38 m 左右。采空區(qū)都出現(xiàn)了高濃度的瓦斯與氧氣重疊的地方，由采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)到上隅角，范圍在逐漸縮小，風(fēng)量增大時(shí)，采空區(qū)內(nèi)瓦斯與氧氣發(fā)生耦合的范圍大且往深部移動(dòng)；在工作面極小風(fēng)量時(shí)瓦斯?jié)舛却笥?%和氧氣濃度大于12%的區(qū)域，在采空區(qū)的進(jìn)、回風(fēng)側(cè)之間，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)有較多重疊區(qū)、回風(fēng)側(cè)的上隅角附近有極少量重疊，以進(jìn)風(fēng)側(cè)位置來(lái)判斷，其距離工作面約30 m 左右。

圖3 采空區(qū)瓦斯分布圖Fig.3 Gas distribution map in goaf

4 采空區(qū)氧氣與瓦斯耦合爆炸基本條件

圖4 采空區(qū)氧氣瓦斯耦合合成圖Fig.4 Oxygen-gas coupled composition diagram of goaf

經(jīng)分析表明，采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛纫约把鯕鉂舛确植汲尸F(xiàn)一定特征規(guī)律，在工作面漏風(fēng)作用下，耦合區(qū)域范圍則依據(jù)瓦斯、氧氣濃度大小的不同而不同，為了能夠判斷其爆炸危險(xiǎn)性，采用科瓦德爆炸三角形模型進(jìn)行分析。科瓦德爆炸三角形是以可燃性氣體（甲烷）濃度為橫坐標(biāo)，以空氣中氧氣濃度為縱坐標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出來(lái)的1 個(gè)表示爆炸性氣體混合物的特征圖，科瓦德爆炸三角形如圖5。氧濃度降低時(shí)，爆炸下限變化不大（BE 線）爆炸上限則明顯降低（CE 線），其中，氧濃度低于12%時(shí)，混合氣體就失去爆炸性。

圖5 科瓦德爆炸三角形Fig.5 Kowald explosive triangle

5 采空區(qū)瓦斯氧氣耦合區(qū)爆炸危險(xiǎn)性判定

通過(guò)埋設(shè)傳感器對(duì)采空區(qū)瓦斯氧氣耦合區(qū)瓦斯爆炸危險(xiǎn)性判斷分析，采空區(qū)距離上隅角42 m 范圍內(nèi)，氧氣濃度大于12%，但這個(gè)范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%，理論上不存在爆炸危險(xiǎn)性；若從按照4%的安全，則34～42 m 的范圍，出現(xiàn)氧氣瓦斯耦合區(qū)域，具備了瓦斯爆炸基本條件。在溫度方面，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)最高溫度不超過(guò)30 ℃，觀測(cè)區(qū)域無(wú)瓦斯爆炸危險(xiǎn)；在采空區(qū)距離上隅角33 m 范圍內(nèi)，氧氣濃度大于12%，但這個(gè)范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%，且溫度為25 ℃，該區(qū)域無(wú)瓦斯爆炸危險(xiǎn)；在采空區(qū)距離上隅角15 m 范圍內(nèi)，氧氣濃度大于12%，但這個(gè)范圍內(nèi)瓦斯?jié)舛鹊陀?%，且溫度為23 ℃，所以該區(qū)域無(wú)瓦斯爆炸危險(xiǎn)。

6 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)采空區(qū)瓦斯分布特征規(guī)律進(jìn)行模擬計(jì)算，定義了采空區(qū)內(nèi)瓦斯與氧氣相互混合達(dá)到爆炸危險(xiǎn)的耦合區(qū)域，對(duì)東106 工作面采空區(qū)耦合區(qū)域進(jìn)行劃分，結(jié)果表明：瓦斯與氧氣耦合區(qū)域在采空區(qū)由進(jìn)風(fēng)側(cè)到上隅角，范圍由大往小變化，且漏風(fēng)越大，耦合區(qū)域范圍越大。對(duì)于分析得出的東106 工作面采空區(qū)瓦斯與氧氣耦合區(qū)域，依據(jù)瓦斯爆炸充分條件和科瓦德爆炸三角形模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了瓦斯爆炸危險(xiǎn)性判斷分析，結(jié)果表明采空區(qū)區(qū)域存在瓦斯與氧氣耦合區(qū)，由于該區(qū)域內(nèi)溫度低，不會(huì)構(gòu)成瓦斯爆炸事故。