高地溫礦井采空區(qū)煤自燃“三帶”劃分研究

秦俊賓工程師 范 濤工程師 李全貴工程師 李延召 鄭 強工程師

(1.河南省三軟煤層開采工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450007；2.河南省新鄭煤電有限責任公司，河南 新鄭 451100)

0 引言

井下發(fā)生煤自燃，一定同時具有3個條件[1-4]：一是煤層本身具備自燃傾向性，而且堆積層成破碎狀態(tài)；二是提供持續(xù)供氧通風條件；三是能持續(xù)的蓄熱，而且煤氧復合氧化時間足夠長。在煤層本身具有煤自燃傾向性的采空區(qū)中，采空區(qū)遺煤具有通風供氧條件是由于工作面漏風，而且漏風速度的大小和堆積的采空區(qū)遺煤決定了煤氧復合儲熱的環(huán)境，氧氣濃度在一定程度上決定了煤層的自燃氧化能力。因此，煤自燃“三帶”的范圍劃分可由采空區(qū)氧氣濃度分布來決定，依次劃分為散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶[5-7]。許多國內(nèi)外學者均對采空區(qū)自燃“三帶”開展了試驗和研究[1-5]，但很少有學者研究高地溫條件下不易自燃煤的采空區(qū)自燃“三帶”變化規(guī)律，新鄭煤電公司趙家寨煤礦12205工作面屬于12采區(qū)，主采二疊系山西組二1煤，煤層為黑色粉狀，金剛光澤，半光亮型，煤質(zhì)松軟，強度較低，煤的最短自然發(fā)火期為152d，屬于Ⅲ類不易自燃煤，而且井下地溫較高，風溫達到了28℃。由于工作面的高地溫現(xiàn)象，煤自然發(fā)火期會一定程度縮短，且工作面的配風量需增大，會導致造成易漏風，采空區(qū)煤自燃危險范圍增大。在生產(chǎn)過程中，趙家寨煤礦發(fā)生過煤自燃現(xiàn)象。為了掌握趙家寨煤礦二1煤層采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，本文以趙家寨煤礦二1煤層12205工作面為研究對象，采用現(xiàn)場測試、理論研究和數(shù)值模擬研究相結(jié)合的研究方法，對不同進風量情況下采煤工作面采空區(qū)的氧氣濃度場進行研究，并劃分了采空區(qū)煤自燃“三帶”。

1 方案和模型

1.1 測試方案

共布置10個測點在12205工作面，測點間距為20m，每個測點均為一個束管氣體監(jiān)測點。采用內(nèi)徑5cm鋼管對束管進行保護。回風順槽共布置5個測點，布置在沿回風巷外幫，距離200m；進風順槽布置5個測點，布置在沿運輸巷外幫，距離300m。通過測量對比分析多組數(shù)據(jù)，采取最優(yōu)布置方式，如圖1、2。

圖1 12205工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點布置方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout plan of the "three zones" measuring point for spontaneous combustion in the goaf of the 12205 working face

圖2 束管連接側(cè)面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the side of the beam tube connection

1.2 數(shù)學與物理模型的建立

1.2.1 假設條件

因為本文僅對特殊條件下煤自燃問題開展理論研究，應首先劃分研究范圍，基本假設包括：漏風風速與風壓的耦合關(guān)系基本服從達西定律；把物理及數(shù)學模型簡化成二維模型；且在煤內(nèi)局部基本達到熱平衡，使氣固溫度維持一致。

1.2.2 數(shù)學模型

根據(jù)上述假設，采空區(qū)傳熱傳質(zhì)的數(shù)學模型可簡化為[2,5]:

由上到下是連續(xù)方程，動量方程，能量方程和擴散方程[8]。

式中：

V—漏風風速，m/s；

ρ—溫度T時的氣體密度，kg/m3；

Δp—漏風風壓，由環(huán)境風速和煤堆滲透率決定；

μ—空氣動力粘度，取1.7894×10-5Pa·s；

DO2—多孔介質(zhì)內(nèi)氧氣擴散系數(shù)，按照空氣中的擴散系數(shù)與孔隙度進行換算，m2/s；

cair和ccoal—分別對應空氣與煤堆的熱容，J/(kg·K)；

λair和λcoal—空氣及煤堆導熱系數(shù)，W/(m·K)；

cwhole和λwhole—煤堆的等效熱容和等效導熱系數(shù)；

CO2—氧氣質(zhì)量分數(shù)；

ρwhole—煤堆密度，kg/m3；

ε—孔隙度；

rO2—煤堆消耗氧氣能力，kg/(m3·s)；

q—放熱強度，W/m3。

1.2.3 物理模型及邊界條件

依據(jù)實際現(xiàn)場測量結(jié)果，利用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建12205工作面數(shù)值模擬二維模型，共分4部分，工作面長205m，平均寬約7.2m；進風巷為速度入口邊界，處于工作面下方，風速1.41m/s，進風巷為寬5.2m；回風巷設為自由流出口，寬5.0m；風流由進風巷流入，經(jīng)過工作面和采空區(qū)到回風巷流出，溫度設為302K，工作面巷道與采空區(qū)交邊界,剩下邊界全部設置成固體面，工作面氧氣濃度約為21%，出入口壓力差約為76.4Pa，如圖3。

圖3 采空區(qū)物理模型Fig.3 Goaf physical model

2 結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

通過對束管采集氣體結(jié)果進行分析，得到進回風巷和采空區(qū)氧氣濃度隨工作面距離變化的情況，如圖4。

圖4 氧氣濃度隨進入采空區(qū)深度變化曲線Fig.4 Oxygen concentration curveunder different depth of goaf

(1)12205工作面回風隅角氧氣濃度大約在20.96%，且距采空區(qū)12.8m時氧氣濃度降低到14.64%，隨著回采工作的進行，除部分區(qū)域受鄰近采空區(qū)及巷道漏風影響，氧氣濃度間斷升高以外，氧氣濃度總體呈下降的趨勢，至測點進入采空區(qū)約28m處，氧氣濃度下降到8.0%左右。

(2)12205工作面運輸巷風量大，且工礦壓較大，密閉墻兩側(cè)易漏風，直至測點距采空區(qū)40m，氧氣濃度首次降到16.75%；隨測點繼續(xù)進入至64m，氧氣濃度降到9.79%，而距采空區(qū)68m以后，氧氣濃度下降到6.87%及以下。其中在采空區(qū)推進10m左右時，氧氣濃度降到18%以下，隨著工作面推進，采空區(qū)氧氣濃度又逐漸升高，說明此次測量有誤，分析數(shù)據(jù)時可以排除。

(3)12205工作面進風側(cè)氧氣濃度比回風側(cè)偏高，原因是進風巷風量大，且工作面礦壓大，密閉墻兩側(cè)易漏風，回風巷受采空區(qū)互相串聯(lián)影響，向相鄰采空區(qū)漏風。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 現(xiàn)狀數(shù)值模擬

圖5為工作面采空區(qū)壓力等值線圖。出入口壓力差為76.4Pa，壓力等值線成多次分布，符合實際情況，說明參數(shù)基本合理。

圖5 工作面采空區(qū)壓力等值線Fig.5 Pressure contour ofgoaf in working face

采空區(qū)正常通風(風速1.41m/s，風量976m3/min)情況下的模擬結(jié)果，如圖6。

圖6 采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.6 Oxygen concentration distribution ingoaf

根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進風巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度明顯要高于回風側(cè)，分別以氧濃度18.0%和8.0%，為散熱帶和氧化升溫帶、氧化升溫帶和窒息帶的分界線，在進風側(cè)0～33m為散熱帶，33～71m為氧化升溫帶，大于71m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為38m；回風側(cè)0～6m為散熱帶，6～26m為氧化升溫帶，大于26m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為20m；在采空區(qū)中部，0～38m為散熱帶，38～80m為氧化升溫帶，大于80m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為42m，見表1。模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果基本吻合，說明模擬參數(shù)設置基本符合實際情況。

表1 風量為976m3/min采空區(qū)自燃“三帶”分布(風速1.41m/s)Tab.1 Spontaneous combustion "three zones" distribution with air volume of 976 m3/min and wind speed of 1.41m/s

2.2.2 風量對自燃“三帶”影響

為分析風量對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，更好的指導趙家寨煤礦生產(chǎn)過程中的防滅火工作，論文以該模型為基礎，在實際配風量的基礎上，適當擴大和縮小風量供給，模擬分析現(xiàn)場實際配風過程中可能出現(xiàn)的具有代表性的風量值(500m3/min，740m3/min，1400m3/min)條件下采空區(qū)氧氣濃度分布情況，如圖7-9，見表2。

圖7 風量為500m3/min(風速0.72m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.7 Oxygen concentration distribution diagram in goaf with air volume of 500m3/min and wind speed of 0.72m/s

圖8 風量為740m3/min(風速1.07m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.8 Oxygen concentration distribution in the goaf with air volume of 740m3/min and wind speed of 1.07m/s

圖9 風量為1400m3/min(風速2.03m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.9 Oxygen concentration distribution in thegoaf with air volume of 1400m3/min and wind speed of 2.03m/s

表2 風量變化對采空區(qū)自燃“三帶”影響Tab.2 Influence of air volume change on spontaneous combustion "three zones" ingoaf

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以清晰的看出，采空區(qū)自燃“三帶”的范圍和工作面風量、采空區(qū)漏風量密切相關(guān)；隨著工作面供風量的增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動，且氧化升溫帶的范圍，即采空區(qū)自燃危險區(qū)域范圍呈現(xiàn)擴大趨勢；當工作面風量減小，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向工作面附近移動，且氧化升溫帶的范圍逐漸縮小。

3 結(jié)論

(1)通過對采空區(qū)氧氣濃度和壓力場進行數(shù)據(jù)模擬，并將模擬的氧氣濃度與現(xiàn)場測量進行對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相差不大，說明模擬結(jié)果比較符合現(xiàn)場。

(2)采空區(qū)最大自燃寬度為42m，且在進風巷、回風巷和采空區(qū)中部各不相同，呈現(xiàn)中部>進風巷>回風巷的規(guī)律。

(3)通過不同供風量的模擬結(jié)果，可以得出隨著工作面供風量的增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動，氧化升溫帶的范圍增大，為保證安全生產(chǎn)，應控制向工作面的進風量。

(4) 高溫和風量增加會使采空區(qū)自燃“三帶”向采空區(qū)深部移動，且隨著工作面回采的進行，采空區(qū)“三帶”范圍也隨之移動。