碎軟煤層堅硬頂板綜采工作面自燃“三帶”分布與注氮參數(shù)研究

王正帥

（中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037）

我國90%以上的煤層為自燃或易自燃煤層，煤炭自燃引起的火災(zāi)占礦井火災(zāi)總數(shù)的85%～90%，其中采空區(qū)自燃火災(zāi)占煤礦內(nèi)因火災(zāi)的60%以上[1]，全國25 個主要產(chǎn)煤省區(qū)的130 余個大中型礦區(qū)均不同程度地受煤層自然發(fā)火威脅[2-4]，新疆自燃或易自燃煤層占比大，煤田火區(qū)更是居全國之首，由火災(zāi)直接引起死亡10 人以上的重特大事故約占6.7%，而且煤炭自燃誘發(fā)瓦斯及粉塵爆炸等次生災(zāi)害，容易造成事故和損失擴(kuò)大[5]。

掌握采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律是制定有效防滅火措施、開展防滅火工作的基礎(chǔ)[6-10]。目前常用的采空區(qū)“三帶”分布觀測方法主要是在采空區(qū)布設(shè)埋管抽氣，通過檢測氣體成分確定“三帶”范圍。但由于采空區(qū)中部存在埋管工藝復(fù)雜、矸石垮落沖擊破壞力大、獲取氣體濃度準(zhǔn)確度較低等不利因素[11]，往往是僅在進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)分別布設(shè)埋管確定進(jìn)、回風(fēng)側(cè)的“三帶”分布，采空區(qū)中部的“三帶”則根據(jù)經(jīng)驗劃定。隨著流場理論被應(yīng)用于采空區(qū)流場，數(shù)值模擬成為研究采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)分布的一種有效手段。一些學(xué)者將采空區(qū)的滲透率、阻力系數(shù)、瓦斯源項、氧氣耗散等重要參數(shù)設(shè)定為常數(shù)[12]，建立二維模型加以研究。還有一些學(xué)者將采空區(qū)覆巖劃分為多個區(qū)域，分別設(shè)定參數(shù)[13-15]，求解采空區(qū)流場。但研究表明，以上參數(shù)在采空區(qū)內(nèi)都是連續(xù)分布函數(shù)，將其設(shè)定為常數(shù)或用分段函數(shù)代替，并不完全符合實際。

通過多次現(xiàn)場測定發(fā)現(xiàn)，碎軟煤層堅硬頂板條件下采空區(qū)“三帶”分布有其自身特點，以艾維爾溝礦區(qū)1930 煤礦4 號碎軟突出煤層綜采工作面為對象，建立三維模型；采空區(qū)孔隙率、阻力系數(shù)、瓦斯涌出源、氧氣耗散均通過UDF 編制連續(xù)分布函數(shù)，加載入模型，并統(tǒng)計“三帶”面積，研究了碎軟突出煤層堅硬頂板條件下綜采面采空區(qū)自燃“三帶”分布與注氮參數(shù)，為艾維爾溝礦區(qū)和其他具有相似條件的礦井采取采空區(qū)自燃防治措施提供參考。

1 工作面概況

井田地處新疆天山山脈，1930 煤礦位于烏魯木齊市以南的艾維爾溝礦區(qū)中部，主采4、5、6 號煤層。24311 綜采工作面開采4 號煤層，回風(fēng)巷、運輸巷沿4 號煤層頂板布置，工作面“U”型通風(fēng)。工作面走向長1 660 m，傾向長180 m，平均煤層厚度2.6 m，傾角18°～22°，堅固性系數(shù)f 值0.32，呈現(xiàn)出棱角狀小塊體，可捻搓成cm、mm 級碎粒，屬于碎軟煤層。直接頂為砂礫巖，厚度0.94 m，基本頂為粉砂巖，厚度9.1 m，單軸抗壓強(qiáng)度分別為104.5、131.1 MPa，屬于堅硬頂板。采用走向長壁后退式綜合機(jī)械化一次采全高采煤法，提前深孔預(yù)裂爆破全部垮落法處理采空區(qū)頂板。

2 采空區(qū)自燃“三帶”觀測

2.1 測點布置

采用埋管抽氣法觀測采空區(qū)氣體濃度分布，由進(jìn)、回風(fēng)巷向采空區(qū)埋設(shè)束管，共埋設(shè)束管監(jiān)測點6個，采空區(qū)埋管測點布置如圖1。其中24311 進(jìn)風(fēng)巷各測點編號依次為測點4、5、6，測點間隔30 m，回風(fēng)巷測點編號依次為測點1、2、3，間隔30 m。隨工作面推進(jìn)，套有鋼管的束管隨著頂板垮落埋入采空區(qū)，束管直徑8 mm，外套φ50 mm 鋼管對其保護(hù)。

圖1 采空區(qū)埋管測點布置Fig.1 Measuring point layout for buried pipes in goaf

2.2 監(jiān)測氣體分析

2.2.1 O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

進(jìn)、回風(fēng)側(cè)測點O2體積分?jǐn)?shù)隨埋深的變化如圖2。由進(jìn)風(fēng)側(cè)各測點平均O2體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)分析可知，24311 工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)采空區(qū)測點進(jìn)入采空區(qū)97 m，O2體積分?jǐn)?shù)首次降至18%，隨后O2體積分?jǐn)?shù)下降速度逐漸加快，測點進(jìn)入采空區(qū)202 m 以后，O2體積分?jǐn)?shù)下降至8%。由回風(fēng)側(cè)測點數(shù)據(jù)可知，測點埋入深度達(dá)到35 m 時，O2體積分?jǐn)?shù)首次降到18%以下；測點埋深達(dá)到145 m 后，O2體積分?jǐn)?shù)小于8%。

圖2 進(jìn)、回風(fēng)側(cè)測點O2 體積分?jǐn)?shù)隨埋深的變化Fig.2 Changes in O2 concentration at the measuring points on the inlet and return sides with burial depth

2.2.2 CO 體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

隨進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)測點埋入采空區(qū)深度的增加，各測點CO 體積分?jǐn)?shù)變化如圖3。隨著測點埋入采空區(qū)的深度增加，采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)出先上升后下降的形態(tài)，與進(jìn)風(fēng)側(cè)相比，回風(fēng)側(cè)各測點CO 體積分?jǐn)?shù)整體較高。進(jìn)風(fēng)側(cè)測點進(jìn)入采空區(qū)約60 m前，進(jìn)風(fēng)側(cè)CO 體積分?jǐn)?shù)較低,隨后CO 體積分?jǐn)?shù)快速增加，當(dāng)測點進(jìn)入采空區(qū)深度170 m 左右時，采空區(qū)CO 體積分?jǐn)?shù)達(dá)到峰值，最大值為25×10-6，此時該范圍內(nèi)O2體積分?jǐn)?shù)為10%，表明此處漏風(fēng)速度適宜，煤自燃復(fù)合反應(yīng)熱量得到積蓄，CO 產(chǎn)生量增加，符合煤自然發(fā)火規(guī)律；此后，隨著采空區(qū)垮落矸石逐漸壓實，供氧不足，煤氧復(fù)合反應(yīng)減弱，CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸降低，至測點埋深204 m 處，O2體積分?jǐn)?shù)為7.9%，CO 體積分?jǐn)?shù)為19×10-6。回風(fēng)側(cè)測點CO體積分?jǐn)?shù)在進(jìn)入采空區(qū)20 m 處開始快速上升，114 m 處達(dá)到最大，為226×10-6，此后CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

圖3 進(jìn)、回風(fēng)側(cè)測點CO 體積分?jǐn)?shù)隨埋深的變化Fig.3 Changes in CO concentration at the measuring points on the inlet and return sides with burial depth

3 采空區(qū)自燃“三帶”劃分及安全推進(jìn)速度

3.1 工作面采空區(qū)自燃“三帶”劃分

根據(jù)24311 工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測，以氧氣體積分?jǐn)?shù)8.0%～18.0%為采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分依據(jù)，散熱帶：φ（O2）＞18%；氧化帶：8%≤φ（O2）≤18%；窒息帶：φ（O2）＜8%。根據(jù)現(xiàn)場實測結(jié)果，24311 工作面采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)分布范圍見表1。

表1 采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)、回風(fēng)側(cè)分布范圍Table 1 Distribution of spontaneous combustion“three zones”at the inlet and return sides of the goaf

從表1 可看出，在碎軟煤層堅硬頂板條件下，采空區(qū)自燃“三帶”呈現(xiàn)散熱帶、氧化帶明顯變寬，氧化帶明顯后移的特點，分析其原因主要為煤層頂板堅硬，垮落后平均粒度大、孔隙率大，造成采空區(qū)漏風(fēng)量大。結(jié)合圖2、圖3 可知，CO 體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)先增長后下降的規(guī)律，散熱帶內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)較低并開始遞增，其峰值位于氧化帶靠近采空區(qū)深部2/3 的位置，窒息帶內(nèi)CO 體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，CO 分布與采空區(qū)自燃“三帶”的分布呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。

3.2 工作面最小安全推進(jìn)速度

式中：vmin為工作面最小安全推進(jìn)速度，m/d；Lmax為氧化帶最大寬度，m；τmin為最短自然發(fā)火期，d；k為新鮮風(fēng)流O2體積分?jǐn)?shù)與采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)相似比例系數(shù)為1.35。

由式（1）得最小安全推進(jìn)速度為1.89 m/d。因此，當(dāng)工作面連續(xù)超過43 d 的平均推進(jìn)速度小于1.89 m/d 時，采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火危險的概率較大。

24311 工作面實際平均推進(jìn)速度為2.23 m/d，大于最小安全推進(jìn)速度，一般情況下，不會引起遺煤自燃。

4 采空區(qū)注氮數(shù)值模擬

4.1 幾何模型創(chuàng)建與邊界條件

利用ANSYS 軟件自帶的前處理模塊建立采空區(qū)流場幾何模型并劃分為六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、工作面、注氮口均進(jìn)行網(wǎng)格加密，然后導(dǎo)入FLUENT，采用組分運輸模型對采空區(qū)進(jìn)行多組分模擬。

采空區(qū)孔隙率、黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)、瓦斯涌出源項、氧氣耗散均利用自定義函數(shù)編制UDF 文件導(dǎo)入[16]。在進(jìn)風(fēng)巷靠外幫布置注氮管路，注氮口位于采空區(qū)中的深度從10 m 開始，每10 m 設(shè)置1 個，共15 個，模擬不同注氮深度時，僅打開當(dāng)前深度的注氮口，關(guān)閉其余注氮口。注氮量為340 m3/h，體積分?jǐn)?shù)為99.5%。根據(jù)計算，采高2.6 m 時，垮落帶高度11.6 m，斷裂帶高度32.8 m。模型幾何參數(shù)和邊界條件設(shè)定如下：①采空區(qū)流場：300 m×180 m×44 m；②工作面尺寸：180 m×8 m×2.6 m；③配風(fēng)量：1 200 m3/min；④進(jìn)回風(fēng)巷斷面：4.8 m×2.6 m；⑤湍流模型：RNG k-ε 模型；⑥能量方程與時間：on,steady；⑦進(jìn)風(fēng)巷、注氮口邊界類型：velocity-inlet；⑧進(jìn)風(fēng)巷入口速度：1.6 m/s；⑨注氮濃度：99.5%;⑩湍流強(qiáng)度：5%；湍流耗散率：10%；回風(fēng)巷出口邊界類型：outflow；組分運輸模型：methane-air；溫度：290 K。

4.2 模擬結(jié)果

采空區(qū)不注氮及采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)不同深度注氮的采空區(qū)自燃“三帶”分布如圖4（z=0 平面）。對圖4 中的“三帶”面積進(jìn)行計算，不同注氮管埋深下的采空區(qū)“三帶”面積見表2。從圖4（a）可以看出：不注氮情況下，進(jìn)風(fēng)巷散熱帶＜95 m，氧化帶95～201 m，窒息帶＞201 m；回風(fēng)巷散熱帶＜28 m，氧化帶28～149 m，窒息帶＞149 m，與實測結(jié)果基本吻合。

圖4 不同深度注氮時自燃“三帶”分布Fig.4 Distribution of spontaneous combustion“three zones”when N2 injection at different depths in goaf

表2 不同注氮管埋深下的采空區(qū)“三帶”面積Table 2 The area of the spontaneous combustion“three zones”under different depths of N2 injection pipes

從圖4 和表2 可以看出：①隨著注氮管埋入采空區(qū)深度的增加，散熱帶的范圍均在收縮變小，但在注氮管埋深超過30 m 后散熱帶范圍縮小幅度不明顯；②隨著注氮管埋深的增加，氧化帶逐漸向工作面收縮，尤其是注氮管埋深接近氧化帶和窒息帶交界處時（60～90 m），氧化帶的范圍大幅縮??；③注氮管埋入采空區(qū)深度超過50 m 后，窒息帶的范圍明顯向工作面前移，但埋深超過100 m 后窒息帶范圍基本穩(wěn)定。因此，在注氮量為340 m3/h，最佳注氮管埋深為60～90 m，當(dāng)注氮管埋深接近氧化帶和散熱帶交界處時，注氮效果最好。當(dāng)注氮管埋深達(dá)到100 m 時，氧化帶收縮到靠近工作面100 m 的采空區(qū)內(nèi)。

4.3 注氮優(yōu)化與安全通風(fēng)量

4.3.1 注氮優(yōu)化

拖管連續(xù)注氮過程中，注氮管埋入采空區(qū)越深，對拖管的液壓支架管理難度越大，尤其在大傾角工作面中移架安全風(fēng)險也越高。因此，需要對注氮管埋深和注氮量進(jìn)行優(yōu)化，減小注氮管埋深，同時增大注氮量以保證注氮防滅火效果。

根據(jù)礦井綜采面煤層賦存條件、液壓支架條件及其他工作面注氮經(jīng)驗，認(rèn)為注氮管埋入采空區(qū)深度為30 m 時最為合適。因此，設(shè)定注氮管埋深為30 m，模擬分析注氮量不斷增加情況下采空區(qū)“三帶”分布，不同注氮量時采空區(qū)“三帶”分布如圖5，“三帶”面積見表3。

圖5 不同注氮量時自燃“三帶”分布Fig.5 Distribution of spontaneous combustion“three zones”at different N2 injection amount in goaf

表3 不同注氮量情況下采空區(qū)“三帶”面積Table 3 The“three zones”area of the goaf under different N2 injection amount

從圖5 和表3 可知，隨著注氮量的增加，散熱帶范圍大幅向工作面收縮，當(dāng)注氮量超過400 m3/h后，散熱帶的面積在5.3%～7.6%之間，分布范圍變化不大；氧化帶范圍整體向工作面前移，分布范圍明顯變小，面積從46.1%減小到了23.8%，當(dāng)注氮量增加到800 m3/h 時，氧化帶僅分布在靠近工作面100 m 以內(nèi)的采空區(qū)中；隨著注氮量的增加，窒息帶明顯向工作面前移，并且其面積大幅增加。

通過以上分析認(rèn)為，注氮量在600～800 m3/h時，能夠在取得良好防滅火效果的同時，又能降低現(xiàn)場施工難度。

4.3.2 安全通風(fēng)量

假設(shè)800 m3/h 的N2全部泄漏在巷道里，按式（2）計算安全通風(fēng)量Q。

式中：Qn為N2最大泄漏量，取13.4 m3/min；C1為工作面進(jìn)風(fēng)流中的O2含量，取20.8%；C2為N2泄漏后工作面的最低O2含量，取18.5%；Cn為N2的純度，取99.5%。

將參數(shù)代入式（2）計算得出，工作面風(fēng)量不低于119 m3/min 時，就能保證工作面的O2體積分?jǐn)?shù)大于18.5%。同時還可計算出，800 m3/h 的N2全部泄漏到工作面后，工作面的O2體積分?jǐn)?shù)為20.6%。

5 結(jié) 論

1）24311 工作面采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場觀測得出，在碎軟煤層堅硬頂板條件下，采空區(qū)散熱帶和氧化帶寬度都明顯變寬，其原因主要為堅硬頂板垮落后平均粒度大、孔隙率大，造成采空區(qū)漏風(fēng)量大。采空區(qū)CO 分布與自燃“三帶”分布呈現(xiàn)對應(yīng)關(guān)系。

2）在采空區(qū)散熱帶和氧化帶寬度都明顯變寬情況下最佳注氮口在散熱帶和氧化帶交界處，但由于該交界位置埋深較深，拖管注氮存在困難，可通過增加注氮量減小注氮深度在注氮管埋深30 m 處注氮，最佳注氮量為600～800 m3/h。

3）24311 工作面的最小安全推進(jìn)速度為1.89 m/d，當(dāng)前的工作面推進(jìn)速度下，采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火危險的概率小，安全通風(fēng)量為119 m3/min。