高家梁煤礦40101綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律研究

楊富強，范軍富，王兆峰，郝海偉，王國濤

(1.鄂爾多斯市昊華精煤有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017205；2.內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

采空區(qū)遺煤氧化升溫后發(fā)生的自燃火災(zāi)，是威脅煤礦安全生產(chǎn)、造成煤礦重特大事故的主要災(zāi)害之一。按采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃危險性的不同級別，可將采空區(qū)劃分為散熱帶、氧化帶和窒熄帶，即自燃“三帶”。自燃“三帶”的分布特征是防治采空區(qū)自然發(fā)火的重要依據(jù)。

國內(nèi)眾多學(xué)者針對采空區(qū)自燃“三帶”分布特征進行了大量的研究工作，主要采取現(xiàn)場監(jiān)測氧濃度和數(shù)值模擬兩種方法開展相關(guān)研究?；诂F(xiàn)場監(jiān)測方法，孫珍平[1]通過鄰空巷道向采空區(qū)施工鉆孔取氣，研究了均壓工作面在均壓前后采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律；劉俊等[2]采用采空區(qū)預(yù)埋束管的方法分析采空區(qū)氧氣濃度，進而確定采空區(qū)自燃“三帶”寬度；曹文輝等[3]使用新型光纖傳感測溫技術(shù)實現(xiàn)了采空區(qū)高溫區(qū)域的精確判斷，將光纖測溫結(jié)果與束管監(jiān)測結(jié)果進行對比分析，探討了光纖測溫的可靠性；沈志遠[4]、劉忠全[5]等應(yīng)用雙巷束管監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測采空區(qū)氣體濃度，進而得到采空區(qū)自燃“三帶”分布特征。基于數(shù)值模擬方法，李宗翔等[6]通過研究多孔介質(zhì)滲流方程和氧濃度平衡方程，建立數(shù)學(xué)模型，同時考慮采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)流場和氧氣濃度分布場,進而確定自燃“三帶”范圍；文虎等[7]采用FLUENT數(shù)值模擬軟件，研究了采空區(qū)浮煤自燃范圍，揭示了工作面不同漏風(fēng)源對采空區(qū)自燃“三帶”的影響規(guī)律；尚秀廷等[8]借助FLUENT軟件，結(jié)合煤的自燃極限參數(shù)，模擬了穩(wěn)態(tài)、有匯滲流、擴散和化學(xué)反應(yīng)耦合條件下的O2濃度分布規(guī)律，進而劃分了采空區(qū)自燃“三帶”；李鋒等[9]應(yīng)用數(shù)值模擬方法研究了采空區(qū)埋管抽采條件下煤自燃“三帶”的分布特征，模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果一致；郝宇等[10]通過建立采空區(qū)多場耦合的數(shù)學(xué)模型，并利用COMSOL軟件模擬了不同通風(fēng)量和瓦斯含量條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布特征。

束管監(jiān)測易受采空區(qū)冒落矸石破壞、采空區(qū)積水等因素影響，導(dǎo)致監(jiān)測難度加大甚至測試結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，針對綜采工作面的監(jiān)測由于受液壓支架掩護梁的隔擋影響，只能在工作面兩側(cè)布置束管監(jiān)測，無法真實反映工作面采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度的分布情況。對比而言，數(shù)值模擬不受現(xiàn)場條件限制，但模擬結(jié)果可靠性依賴于邊界條件和模型相關(guān)參數(shù)設(shè)置。目前，越來越多的研究人員采用束管現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，開展采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律研究，如白銘波[11]、周西華[12]、范紅偉[13]等通過數(shù)值模擬方法研究采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，表明數(shù)值模擬結(jié)果與束管現(xiàn)場觀測結(jié)果基本吻合；焦庚新等[14]研究了工作面推進時氧氣濃度隨推進距離的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差不大；金永飛等[15]以束管監(jiān)測結(jié)果為基礎(chǔ)，通過CFD軟件模擬研究采空區(qū)注氮工作參數(shù)變化條件下的煤自燃區(qū)域變化情況，為科學(xué)注氮治理煤自燃災(zāi)害提供參考；文虎等[16]采用現(xiàn)場監(jiān)測氧濃度變化和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，研究分析了煤層分層前后采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域的變化情況；石政鋒[17]構(gòu)建了工作面采空區(qū)自燃“三帶”立體取樣分析系統(tǒng)，通過分析氧氣、一氧化碳、二氧化碳等煤自燃指標(biāo)氣體變化規(guī)律，對采空區(qū)不同高度處自燃危險性區(qū)域進行了劃分，并通過建立數(shù)值模型,利用數(shù)值模擬軟件進行驗證，確定了采空區(qū)立體自燃危險性區(qū)域；文虎等[18]采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場原位觀測等方法，確定了采空區(qū)現(xiàn)場煤自燃“三帶”的分布情況。

筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，在采煤工作面推進過程中，利用束管監(jiān)測手段，結(jié)合FLUENT數(shù)值模擬方法研究采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律，以期得出對遺煤自燃防治有利的最小推進度，研究成果對指導(dǎo)煤礦安全開采具有重要的現(xiàn)實意義。

1 工作面概況

高家梁煤礦是年產(chǎn)600萬t煤炭的高產(chǎn)高效礦井，主要可采煤層為2-2中、3-1、4-2中、6-2中煤層。其中2-2中、3-1、4-2中煤層均為自燃煤層，煤種屬于Ⅰ級容易自燃煤。采空區(qū)浮煤自然發(fā)火是礦井一大安全隱患。近幾年的開采實踐表明，由于采空區(qū)浮煤易氧化產(chǎn)生CO，導(dǎo)致綜采工作面回風(fēng)隅角CO容易超限。

40101綜采工作面為高家梁煤礦二水平4-2中煤層首采工作面，煤層平均厚度為3.74 m，平均傾角為1.5°，煤種為不黏煤。工作面開采標(biāo)高為1 151.7～1 218.6 m，地面標(biāo)高為1 411.2～1 477.7 m。工作面采用傾斜長壁采煤法，仰斜開采。40101綜采工作面走向長度為300.5 m，傾向長度為2 872.4～2 909.1 m，可采儲量為425.89萬t，工作面設(shè)計月進度為432.07 m。

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場實測

2.1 測試方法

采用氧濃度劃分法[19-20]，對高家梁煤礦40101綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”進行劃分，以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為18%的等值線作為氧化自燃危險帶的前部邊界，以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為8%的等值線作為氧化自燃危險帶的后部邊界。

采用束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)工作面自然發(fā)火預(yù)測需要，在40101綜采工作面運輸巷和回風(fēng)巷各安設(shè)1套束管監(jiān)測系統(tǒng)，布線長度均為150 m。兩巷監(jiān)測系統(tǒng)均沿巷幫煤柱側(cè)布設(shè)，每巷各設(shè)2個測點，測點間距為24 m，共布置4個測點，如圖1所示。

圖1 束管監(jiān)測系統(tǒng)測點布置示意圖

為保護束管不被冒落矸石破壞，將束管置于鋼管中，每個測點采用三通花管保護，鋼管之間及鋼管和三通花管之間采用法蘭連接。束管進氣端設(shè)采樣器，采樣器內(nèi)置濾塵海綿，防止長期使用過程中進入大量煤塵等雜質(zhì)導(dǎo)致采樣器堵塞。為提高測試結(jié)果可靠性，每個測點均布設(shè)2根束管。測點布置結(jié)構(gòu)簡圖如圖2所示。

圖2 測點布置結(jié)構(gòu)簡圖

2.2 束管監(jiān)測結(jié)果

2.2.1 氣樣測試結(jié)果

每天8:00或13:00，將束管采集的氣樣及時送至地面實驗室,采用氣相色譜儀分析氣體組分。為保證分析結(jié)果可靠，采樣至分析測試的時間間隔不超過8 h。以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為監(jiān)測值，當(dāng)同一測點2根束管測試結(jié)果相對偏差不超過10%時，認(rèn)為測試結(jié)果可靠，取其平均值進行分析；否則取最小值進行分析。

40101綜采工作面回風(fēng)巷H1測點自2020年8月16日至9月1日共監(jiān)測17 d，有效監(jiān)測采空區(qū)深度149 m；H2測點自2020年8月18日至9月1日共監(jiān)測15 d，有效監(jiān)測采空區(qū)深度125 m。

運輸巷Y1測點自2020年8月16日至8月23日共監(jiān)測8 d，Y2測點自2020年8月18日至8月23日共監(jiān)測6 d，后因采空區(qū)積水原因?qū)е率苋慷氯?，測點報廢。

根據(jù)采空區(qū)束管采樣分析結(jié)果，繪制采空區(qū)氣體體積變化曲線，如圖3所示。

(a)O2

2.2.2 回風(fēng)巷側(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)分布特征

由圖3可以看出，由于遺煤氧化耗氧，H1測點和H2測點O2體積分?jǐn)?shù)均隨采空區(qū)深度的增加而降低，采空區(qū)深度越大，O2體積分?jǐn)?shù)下降速度越快。CO2、CH4、C2H6等氣體隨采空區(qū)深度的增加而不斷積聚，各氣體體積分?jǐn)?shù)呈顯著上升趨勢。

同時還可以看出，CO體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度的增加出現(xiàn)較大幅度波動，其中H1測點在83 m和 136 m 處、H2測點在54 m和112 m處CO體積分?jǐn)?shù)均為0。H1測點83 m和H2測點54 m處、H1測點 136 m 和H2測點112 m處CO體積分?jǐn)?shù)均為同一天取樣測試，應(yīng)是由于CO本身體積分?jǐn)?shù)較低及儀器測試誤差所致。因此，排除上述4處CO體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)后，得到的采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖4所示。

圖4 采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)CO體積分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖4可以看出，CO體積分?jǐn)?shù)整體隨采空區(qū)深度的增加而增大，H1測點在97 m處CO體積分?jǐn)?shù)達最大值，隨后逐漸降低；H2測點在80 m處CO體積分?jǐn)?shù)達最大值，隨后逐漸降低。

2.2.3 運輸巷側(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)分布特征

在有效監(jiān)測日期內(nèi)，Y1和Y2兩測點O2體積分?jǐn)?shù)與采空區(qū)深度關(guān)系不明顯，無明顯下降趨勢；CO、CO2、CH4和C2H6體積分?jǐn)?shù)維持在極低水平，與新鮮風(fēng)流中氣體的體積分?jǐn)?shù)相當(dāng)。究其原因，一方面是工作面靠運輸巷端部存在漏風(fēng)，能夠有效補充遺煤氧化耗氧，而遺煤氧化產(chǎn)生的CO、CO2和C2H6，以及遺煤解吸的CH4則會被漏風(fēng)帶走；另一方面則是因工作面采用仰斜開采，且運輸巷側(cè)標(biāo)高較低，沖洗巷道的污水和頂板淋水流入采空區(qū)，潤濕、浸泡遺煤，有效抑制遺煤氧化。

2.3 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

2.3.1 實測采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

一般情況下，可直接通過圖3(a)所示束管監(jiān)測O2體積分?jǐn)?shù)分布特征得到自燃“三帶”實測范圍。但由于40101綜采工作面推進速度較快，為減少對正常采煤工作的影響，只能在早班(檢修班)進行氣體采樣，兩次采樣距離往往已達10余m，此時通過O2體積分?jǐn)?shù)監(jiān)測數(shù)據(jù)無法直接劃分采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍。如H1測點在采空區(qū)深度118 m處O2體積分?jǐn)?shù)為9.662 5%，在采空區(qū)深度136 m處O2體積分?jǐn)?shù)為7.436 5%，兩次取樣時工作面已推進18 m，O2體積分?jǐn)?shù)差異較大。因此，采用插值法(內(nèi)插法)計算得到O2體積分?jǐn)?shù)為8%和18%時對應(yīng)的采空區(qū)深度，進而得到自燃“三帶”分布范圍,如表1所示。

表1 實測自燃“三帶”范圍

如前所述，運輸巷Y1測點和Y2測點因采空區(qū)積水導(dǎo)致束管堵塞，實際監(jiān)測深度僅為46～64 m。在有效監(jiān)測采空區(qū)深度范圍內(nèi)，兩測點O2體積分?jǐn)?shù)始終在18%以上，顯然，運輸巷側(cè)采空區(qū)深度64 m以內(nèi)均為散熱帶，較回風(fēng)巷側(cè)散熱帶明顯要寬。

2.3.2 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布函數(shù)及應(yīng)用

根據(jù)圖3(a)所示回風(fēng)巷側(cè)束管監(jiān)測的O2體積分?jǐn)?shù)分布特征，采用Logistic函數(shù)、二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行擬合，擬合結(jié)果見表2。

表2 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布擬合結(jié)果

由表2可以看出，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布采用Logistic函數(shù)擬合效果最佳，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律可用Logistic函數(shù)表達，具體表達式如下：

(1)

式中：Y為采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)，%；A、B、C均為擬合參數(shù)；X為采空區(qū)深度，m。

根據(jù)Logistic函數(shù)擬合結(jié)果，分別計算采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)為8%和18%對應(yīng)的采空區(qū)深度，進而獲得自燃“三帶”分布范圍，結(jié)果見表3。

表3 Logistic函數(shù)計算自燃“三帶”范圍

對比表1和表3可以看出，采用Logistic函數(shù)擬合計算得到的采空區(qū)自燃“三帶”范圍與采用插值法計算得到的采空區(qū)自燃“三帶”范圍基本相符?？梢圆捎肔ogistic函數(shù)對實測O2體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進行精確擬合，能夠較好地反映采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

3 采空區(qū)自燃“三帶”仿真分析

3.1 采空區(qū)模型及邊界條件

由于現(xiàn)場采空區(qū)內(nèi)存在積水，導(dǎo)致運輸巷側(cè)束管報廢，無法獲得充足數(shù)據(jù)確定采空區(qū)自燃“三帶”的邊界。因此通過采空區(qū)流場數(shù)值模擬分析采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，綜合確定自燃“三帶”界限。

以高家梁煤礦40101綜采工作面與采空區(qū)實際尺寸為基礎(chǔ)進行建模。工作面長度為300 m，采空區(qū)長度為400 m，工作面運輸巷和回風(fēng)巷斷面積均為20 m2，巷道長度為20 m，采空區(qū)高度為20 m，將采空區(qū)近似視為多孔介質(zhì)，通過設(shè)置黏性阻力和慣性阻力系數(shù)改變多孔介質(zhì)對采空區(qū)流場的影響。

模型被劃分為2 400 000個網(wǎng)格，將進風(fēng)口定義為速度入口(velocity-inlet)，回風(fēng)口定義為自由流出口(outflow)，工作面運輸巷、工作面、采空區(qū)、工作面回風(fēng)巷均定義為三維空間多孔介質(zhì)區(qū)域。

把空氣視為不可壓縮理想氣體，進風(fēng)口邊界采用速度入口。進風(fēng)口處氣體組分設(shè)定如下：O2體積分?jǐn)?shù)為21%，N2體積分?jǐn)?shù)為79%。風(fēng)流方向為x的負(fù)方向，湍流強度I按照式(2)計算：

(2)

對于工作面運輸巷的水力直徑DH，按等效水力直徑確定，其計算式為：

(3)

式中：S為過流斷面的面積，m2；U為流體與固體接觸周長，m。

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，設(shè)置環(huán)境溫度為20 ℃，工作面運輸巷進風(fēng)速度為1.6 m/s。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用FLUENT軟件求解采空區(qū)流場，距離底板0.1 m高度處采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5所示。進一步得到運輸巷側(cè)和回風(fēng)巷側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)與采空區(qū)深度關(guān)系曲線,如圖6所示。

圖5 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖6 運輸巷側(cè)和回風(fēng)巷側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分布曲線

由圖5、圖6可以看出，當(dāng)O2體積分?jǐn)?shù)相同時，運輸巷側(cè)對應(yīng)位置采空區(qū)深度明顯較回風(fēng)巷側(cè)對應(yīng)位置采空區(qū)深度大?；仫L(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度68～128 m，運輸巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度100～163 m?；仫L(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍模擬結(jié)果與表1和表3實測結(jié)果相近，表明建立的數(shù)值模型能夠反映采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布的真實情況。

綜合現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果，可以得到40101綜采工作面回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度19～131 m，運輸巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度100～163 m。采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍如圖7所示。

圖7 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍

4 工作面最小推進速度

采空區(qū)遺煤要自燃，不僅需要具備一定厚度的遺煤，還需要維持該區(qū)域的O2條件不變的時間足夠長，即維持時間t必須達到：

t>tmin

(4)

式中tmin為煤的最短發(fā)火期，d。

理論研究和生產(chǎn)實踐表明，加快工作面推進速度是預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的有效技術(shù)措施。根據(jù)工作面的具體開采狀況，設(shè)采空區(qū)自燃氧化帶最大深度為Lmax，則設(shè)計推進速度v應(yīng)滿足下式：

t=Lmax/v≤tmin

(5)

因此，工作面最小推進速度為：

vmin=Lmax/tmin

(6)

式中：t為采空區(qū)遺煤氧化時間，d；Lmax為采空區(qū)自燃氧化帶最大深度，m；v為工作面推進速度，m/d；tmin為煤的最短發(fā)火期，d。

高家梁煤礦4-2中煤層采空區(qū)最短發(fā)火期為40 d，自燃氧化帶最大深度為運輸巷側(cè)氧化帶深度163 m。將相關(guān)參數(shù)代入式(6)，計算得到40101綜采工作面最小推進速度為4.08 m/d。

5 結(jié)論

1)利用束管監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)，監(jiān)測結(jié)果表明，O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度的增加呈顯著的下降趨勢，CO體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度的增加先升高后降低。

2)實測高家梁煤礦40101綜采工作面采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度19～131 m；運輸巷側(cè)采空區(qū)深度64 m以內(nèi)均為散熱帶，比回風(fēng)巷側(cè)散熱帶明顯要寬。

3)采用Logistic函數(shù)可對實測O2體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)進行精確擬合，能較好地反映采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)的分布規(guī)律。

4)綜合現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果，40101綜采工作面回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度19～131 m，運輸巷側(cè)氧化帶范圍為采空區(qū)深度100～163 m。

5)在不采取其他采空區(qū)防火措施的情況下，應(yīng)確保40101綜采工作面推進速度大于4.08 m/d，以避免采空區(qū)發(fā)生自燃危險。