綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測及危險區(qū)域劃分研究

王 飛

(陜西延長石油集團橫山魏墻煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719199)

0 引言

礦井火災是煤礦開采所面臨的“五大災害”之一，由采空區(qū)遺煤自然發(fā)火導致的內(nèi)因火災是礦井火災的主要原因[1]。礦井火災會導致人員和設備的損失，產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，還會降低采煤區(qū)域面積、大量煤炭資源被埋藏地下，礦井火災產(chǎn)生有毒有害氣體對自然環(huán)境破壞性很強[2-3]。目前已知的我國煤田火災地區(qū)總數(shù)為56處，主要位于新疆、內(nèi)蒙古等地區(qū)。這些年來，隨著我國礦區(qū)的開采力度加大，該地區(qū)面臨的采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險性不斷增大，防治采空區(qū)遺煤自然發(fā)火已經(jīng)成為西部礦區(qū)眾多煤礦日常工作的重中之重。

根據(jù)采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的危險程度，再利用風速、溫度、氧氣濃度3個參數(shù)，將采空區(qū)整體劃分為自燃“三帶”，分別為散熱帶、氧化帶和窒息帶[4-5]。由于風速為矢量，在現(xiàn)場應用過程中難以測試，該方法通常應用于數(shù)值模擬分析中，而采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度及溫度變化在現(xiàn)場易于監(jiān)測，因此工程試驗劃分采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布通常對氧氣濃度及溫度變化規(guī)律進行分析[6-7]。例如，程衛(wèi)民等[8]通過現(xiàn)場束管監(jiān)測，依據(jù)魯西煤礦采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度及其分布的實際情況，對魯西煤礦采空區(qū)內(nèi)氧氣自燃“三帶”的范圍進行了劃分；邵磊[9]利用最新的光纖測溫技術，監(jiān)視了采空區(qū)內(nèi)遺煤溫度變化同時將氧氣濃度相互結(jié)合，大致確定了潘一礦采空區(qū)內(nèi)有可能發(fā)生自燃的危險區(qū)。隨著開采的不斷深入進行，采空區(qū)的地理位置在不斷改變，進而自燃“三帶”的范圍也處于動態(tài)變化中，受多種環(huán)境因素的干擾，單純通過現(xiàn)場監(jiān)測測試了采空區(qū)中的氧氣濃度及其溫度變化規(guī)律，不能全面掌握采空區(qū)中存在的危險區(qū)域，因此利用數(shù)值模擬更加了解礦井溫度等參數(shù)的規(guī)律已經(jīng)成為補充現(xiàn)場監(jiān)測的重要手段[10]。例如，張春等[11]通過建立了五龍煤礦自然發(fā)火危險區(qū)域數(shù)學模型，對五龍煤礦綜放工作面采空區(qū)域的大小進行了模擬，進而合理劃分了自燃危險區(qū)域的范圍。范紅偉等[12]利用數(shù)值模擬軟件結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析了福達煤業(yè)綜采工作面采空區(qū)的“三帶”范圍和氧氣分布情況。

目前，中國的煤炭資源大多集中于西部地區(qū)，具有煤層儲量大、自燃傾向性為易自燃或自燃的特點，有效防治煤礦采空區(qū)遺煤自然發(fā)火是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要工作。以魏墻煤礦1313綜采工作面為主要研究對象，完成采空區(qū)自燃“三帶”的劃分，同時基于此模型分析不同配風量情況下采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布規(guī)律及其對工作面推進速度的影響情況。

1 工作面概況

1313工作面為魏墻煤礦首采一盤區(qū)第7個綜采工作面。位于一盤區(qū)1311工作面采空區(qū)以西，1313工作面南部和西部均未進行開采相關作業(yè)。工作面煤層走向軸線長4 487 m、傾向?qū)?00 m，煤層平均厚3.05 m，傾角小于1°，該工作面煤層較為穩(wěn)定且基本不含夾矸煤層。礦井綜采工作面開采深度范圍為265～388 m。綜采工作面的內(nèi)部煤層呈現(xiàn)的是西厚東薄、南薄北厚的趨勢。1313工作面3號煤層具有低灰、高揮發(fā)分、中高硫、易自燃的特點，按照劃分屬于長焰煤，視密度1.31 g/cm3，煤塵具有爆炸危險性。

2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

2.1 自燃“三帶”現(xiàn)場實測

魏墻煤礦1313工作面利用液壓支架進行支護，監(jiān)測工作面整個采空區(qū)內(nèi)各種自燃“三帶”的相關溫度數(shù)據(jù)時，沿兩工作面兩巷各布3個溫度觀測點；對整個采空區(qū)的氣體溫度、自燃氣體及其組成物質(zhì)的監(jiān)測采用埋設抽氣管路的方法，定時從埋設抽氣管路中提取整個采空區(qū)的氣體溫度樣本，通過專用氣相色譜儀對采空區(qū)的各種氣體綜合濃度變化規(guī)律情況進行分析；通過埋設氣體溫度探頭進行測定采空工作區(qū)內(nèi)溫度波動變化規(guī)律情況。通過實測數(shù)據(jù)分析確定了魏墻煤礦1313工作面的采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍?；仫L巷管路鋪設長度為200 m，進風巷管路鋪設長度84 m，在聯(lián)絡巷位置觀測工作面回采200 m。在工作面兩巷共設6個測點，測點設置示意圖如圖1所示。

圖1 采空區(qū)“三帶”測試各測點布置示意Fig.1 Layout of each measuring point in the “three zones” test in the goaf

2.2 采空區(qū)溫度及氣體成分變化規(guī)律

2.2.1 溫度實測分析

1313工作面采空區(qū)內(nèi)各個測點溫度隨推進距離不斷變化，具體變化如圖2所示。對采空區(qū)溫度進行實測和分析可得到如下結(jié)果：膠運巷、回風巷中各測點溫度均呈現(xiàn)先上升后下降接著趨于平穩(wěn)的趨勢。由于工作面嚴格按照煤層頂?shù)装暹M行回采，采空區(qū)遺煤量少，因此采空區(qū)溫度整體升高3～4 ℃，升幅較小。回風巷中3個測點最高溫度分別為：4#為29.6 ℃，5#為30.6 ℃，6#為30.1 ℃；膠運巷中3個測點最高溫度分別為：1#為28.9 ℃，2#為29.2 ℃，3#為30.1 ℃。根據(jù)回風巷中3個測點數(shù)據(jù)可知，在距離工作面0～45 m 溫度升高幅度不大，在45～146 m溫度直線上升，146 m左右以后溫度呈下降趨勢。膠運巷的溫度變化趨勢在0～80 m升高緩慢，80～170 m溫度升高較快，170 m后溫度呈下降趨勢。

圖2 各測點溫度隨推進距離的變化情況Fig.2 Variation of temperature at each measuring point with advancing distance

2.2.2 氧氣濃度實測分析

1313工作面各測點氧氣濃度隨推進距離的變化如圖3所示。實測結(jié)果表明，靠近回風巷一側(cè)工作面推進至45 m左右各測點氧氣體積分數(shù)降低至18%，各測點氧氣體積分數(shù)降低至18%的位置分別為：4#測點45 m、5#測點47 m，6#測點44 m。各測點進入窒息區(qū)域(氧氣體積分數(shù)低于6%)的位置分別為：4#測點為距工作面146 m處，測得氧氣體積分數(shù)為5.35%；5#測點距工作面158 m，氧氣體積分數(shù)為5.96%；6#測點距工作面160 m，氧氣體積分數(shù)為5.87%?？拷z運巷一側(cè)工作面在推進至75 m左右各測點氧氣體積分數(shù)降低至18%，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出各測點氧氣體積分數(shù)降低至18%的位置分別為：1#測點81 m，2#測點76 m，3#測點74 m。各個監(jiān)測點進入窒息區(qū)域的位置分別為：1#測點距工作面176 m，氧氣體積分數(shù)為5.74%；2#測點距工作面178 m，氧氣體積分數(shù)為5.35%；3#測點距離工作面180 m，氧氣體積分數(shù)為5.28%。根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得出，距離工作面越遠，氧氣濃度越低，膠運巷一側(cè)氧氣體積分數(shù)在74 m后降至18%，回風巷一側(cè)氧氣體積分數(shù)在44 m后降至18%，氧氣濃度下降緩慢。膠運巷一側(cè)74 m后，回風巷一側(cè)44 m后氧氣濃度下降較快。分析可能原因為：測點剛埋入采空區(qū)后，由于頂板垮落未能壓實，漏風嚴重，導致氧氣濃度下降緩慢，隨著測點繼續(xù)埋入采空區(qū)深部，礦山壓力作用下頂板垮落壓實，氧氣濃度下降趨勢較快。

圖3 各測點氧氣濃度隨推進距離的變化情況Fig.3 Changes of oxygen concentration at each measuring point with advancing distance

2.3 采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分

參考國內(nèi)外相關文獻以及結(jié)合現(xiàn)場實際情況，主要以氧氣體積分數(shù)6%～18%為自燃帶的標準進行劃分，同時以采空區(qū)內(nèi)溫度變化規(guī)律進行輔助驗證。劃分結(jié)果見表1。

表1 各測點氧氣濃度所劃分的自燃“三帶”范圍Table 1 The “three zones” range of spontaneous combustion divided by the oxygen concentration of each measuring point

從各個測點氧氣濃度的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知：利用從工作面到采空區(qū)的距離表示魏墻煤礦1313工作面靠近膠運巷一側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”的范圍為散熱帶0～74 m，自燃帶74～180 m，大于180 m為窒息帶；靠近回風巷一側(cè)利用從工作面向采空區(qū)的距離表示為散熱帶0～44 m，自燃帶44～160 m，窒息帶為大于160 m范圍。采空區(qū)自燃“三帶”范圍示意圖如圖4所示。

圖4 工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍劃分結(jié)果示意Fig.4 The division results of the “three zones” of spontaneous combustion in the goaf of the working face

對魏墻煤礦1313回采工作面現(xiàn)場采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度進行實測，采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分數(shù)在75 m左右維持在18%，實測自燃“三帶”范圍較大，說明采空區(qū)內(nèi)漏風情況較為嚴重，分析認為主要由以下原因造成：1313工作面推進速度較快，采空區(qū)冒落不實，采空區(qū)內(nèi)孔隙率大，風流滲入較遠；在輔助運輸巷內(nèi)采用局部通風機通風，巷道內(nèi)風壓為正，且在礦壓作用聯(lián)絡巷密閉墻可能產(chǎn)生裂隙，從而引起聯(lián)絡巷密閉處存在一定程度漏風。

2.4 工作面最低推進速度計算

由以上測試分析可知，魏墻煤礦1313工作面最大散熱帶寬度為74 m時自燃帶寬度為106 m，3號煤層自然發(fā)火期為38 d，則預防采空區(qū)自燃的工作面最低推進速度可按下式計算

Vi>(Lz+Lb)/Tm/月=142.1 m/月

式中，Vi為綜采工作面的推進速度，m/月；Lz為自燃帶寬度，106 m；Lb為散熱帶寬度，74 m；T為最短發(fā)火期，月。

考慮足夠的安全系數(shù)(取1.2)，則建議1313回采工作面預防采空區(qū)自燃推進速度為Vs>1.2×142.1 m/月=170.5 m/月。

3 采空區(qū)自燃危險區(qū)域數(shù)值模擬

3.1 采空區(qū)數(shù)學模型建立

采空區(qū)內(nèi)的滲透率目前認為由頂板及上覆巖層的冒落和碎漲情況決定，其分布符合“O”型圈理論，在重力影響下，采空區(qū)內(nèi)巖石冒落后的空隙率的數(shù)學表達式如下

φG(x,y)=1+

(1)

在FLUENT軟件中，黏性損失項(Darcy)和慣性損失項構(gòu)成了多孔介質(zhì)的自定義源項。其數(shù)學表達式如下

(2)

(3)

式中，α為滲透性系數(shù)；C2為內(nèi)部阻力因子;D,C為對角陣1/α和C2，其它項為零。在多孔介質(zhì)的層流流動中，壓降和速度成比例，常數(shù)C2可以考慮為零。

3.2 物理模型建立及網(wǎng)格劃分

結(jié)合魏墻煤礦1313工作面實際情況建立幾何模型，忽略工作面中的設備及巖石冒落情況，將幾何模型簡化為不同尺寸的長方體。坐標原點選擇進風巷和1313工作面及采空區(qū)地面相交點處，X軸正方向選擇為沿進風方向指向采空區(qū)深部，工作面回風方向(下隅角指向上隅角)選定為Y軸正方向，將底板指向頂板設為Z軸正方向。使用Ansys Mesh組件將模型劃分為網(wǎng)格，模型網(wǎng)格間距可設置為1 m×1 m，模型共有144 422個網(wǎng)格和1 530 261個節(jié)點。網(wǎng)格質(zhì)量為0.98，采空區(qū)三維模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖5所示。

圖5 工作面采空區(qū)物理模型及網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.5 Physical model and mesh division results of the working face goaf

計算模型選擇穩(wěn)態(tài)模型(steady)，打開組分輸運模型，混合物選擇甲烷-空氣混合物(methane-air)并打開能量方程。風流在采空區(qū)內(nèi)流動為湍流狀態(tài)，使用RNG k-epsilon模擬湍流狀態(tài)。魏墻煤礦1313回采工作面膠帶運輸巷處與回風巷處分別設置為速度入口和自由出口。根據(jù)現(xiàn)場資料，工作面配風量為1 758 m3/min，即風速為1.73 m/s。根據(jù)采空區(qū)冒落帶和裂隙帶的特點，在模型中更加符合多孔介質(zhì)區(qū)域，根據(jù)孔隙率與滲透率的分布，編寫UDF函數(shù)并導入求解器。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

3.3.1 采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布

采空區(qū)的遺煤氧化以及高溫區(qū)域的形成和發(fā)展受氧氣濃度分布的影響。魏墻煤礦1313工作面采空區(qū)氧濃度分布云圖通過數(shù)值模擬結(jié)算結(jié)果得到，如圖6所示。垂直工作面走向氧氣濃度分布云圖，如圖7所示。

由圖7可以看出，在1313采空區(qū)中垂直于工作面的剖面方向上，從風流進入端到回風端氧氣濃度呈現(xiàn)下降趨勢。臨近工作面處，離漏風源越近氧氣濃度越高，隨著采空區(qū)的不斷擴大與加深，氧氣濃度也隨之有了一定的下降。這是因為在進風端沿采空區(qū)走向漏風速度相對較大，隨著風流向回風側(cè)流動，氧氣得到一定程度的消耗導致濃度降低。利用相關知識分析認為，一方面采空區(qū)內(nèi)遺煤需要消耗氧氣進行氧化，另一方面由于阻力的作用減小了漏風速度。所以漏風對進風側(cè)影響較大。當以氧氣體積分數(shù)在6%～18%為氧化自燃帶的劃分標準進行劃分時，可得到“三帶”范圍劃分結(jié)果，見表2。

通過對表2中的數(shù)據(jù)分析可得，利用數(shù)值模擬劃分的自燃“三帶”范圍比礦井中實際測量的自燃“三帶”范圍偏小?？紤]為1313回采工作面周圍毗鄰其他工作面的采空區(qū)，漏風源不僅為本工作面漏風，從而導致數(shù)值模擬結(jié)果略小于實際測量結(jié)果。總之，現(xiàn)場實測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果誤差在可以被接受范圍內(nèi)，說明二者結(jié)果基本符合礦井實際自燃“三帶”范圍。

表2 數(shù)值模擬結(jié)果與實測結(jié)果對比分析Table 2 Comparison of numerical simulation results and measured results

3.3.2 不同配風量對回采工作面推進速度影響

采空區(qū)中采空區(qū)漏風、頂板的垮落，以及破碎巖體的理化性質(zhì)等因素影響氧氣濃度的分布。當工作面的回采方式以及通風方式確定的情況下，礦井通風量和漏風是影響采空區(qū)氧氣濃度分布主要因素。增大工作面的風量會加劇采空區(qū)的漏風，漏風風流會對采空區(qū)更多地方產(chǎn)生影響，從而導致采空區(qū)遺煤氧化面積的擴大，采空區(qū)遺留煤的自燃危險性大大提高。采空區(qū)自燃“三帶”是隨著工作面開采不斷深入而變化的動態(tài)過程，當工作面開采遇到問題時，工作面推進速度減慢甚至停止，采空區(qū)會遇到工作面遺煤接觸氧氣的時間會上升，采空區(qū)中浮煤的產(chǎn)熱量也會相應提高，當自燃“三帶”中氧化帶的寬度大于工作面的推進速度與自然發(fā)火期的乘積時，氧化帶內(nèi)的遺煤產(chǎn)生的熱量較大，浮煤極其容易到達較高溫度甚至達到自燃點。因此，根據(jù)通風量變化情況確定合理的工作面推進速度對于防治采空區(qū)遺煤自燃具有重要的意義。本文模擬了工作面配風量分別為1 500 m3/min、1 600 m3/min、1 800 m3/min、1 900 m3/min、2 000 m3/min時對采空區(qū)濃度、自燃帶分布及工作面推進速度的影響分析如圖8所示，見表3。

圖8 工作面不同配風量對采空區(qū)氧氣濃度分布影響Fig.8 The influence of different air distribution in the working face on the oxygen concentration distribution in the goaf

表3 不同配風量下采空區(qū)自燃帶分布范圍Table 3 Distribution range of spontaneous combustion zone in goaf under different air distribution

由圖8可知，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布特征，膠運巷一側(cè)氧氣濃度分布范圍大于回風巷道。這主要是因為工作面風流通過裂隙進入采空區(qū)時，漏風主要集中在膠運巷一側(cè)，該處漏風風量大，能量強，使得進入采空區(qū)的風流可以影響到更遠的距離，漏風風量的提升導致氧氣濃度升高。在采空區(qū)膠運巷道一側(cè)，由于工作面漏風風量增大，采空區(qū)內(nèi)氧化帶不斷加寬并向礦井采空區(qū)深處拓展，而在采空區(qū)回風巷一側(cè)風量并未有明顯變化，因此氧化帶寬度和深度也無明顯變化。通過數(shù)值模擬分析可得如下結(jié)果，隨著工作面進風量的增大，采空區(qū)自燃危險區(qū)域范圍擴大，為了防止發(fā)生礦井災害，需要提高工作面的推進速度，從而加快自燃“三帶”的運移，使得處于氧化帶升溫的遺煤快速進入窒息帶中，采空區(qū)的遺煤達不到著火點難以自燃，降低了礦井自燃危險性。

4 結(jié)論

(1)現(xiàn)場實測魏墻煤礦1313綜采工作面推進期間采空區(qū)遺煤溫度及氣體成分變化規(guī)律，結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，劃分工作面采空區(qū)自燃危險區(qū)域，回風巷側(cè)采空區(qū)距工作面0～44 m為散熱帶，44～160 m為自燃帶，大于160 m為窒息帶，進風巷側(cè)采空區(qū)距工作面0～74 m為散熱帶，74～180 m為自燃帶，大于180 m為窒息帶。根據(jù)劃分結(jié)果，得出1313工作面最低推進速度為170.5 m/月。

(2)數(shù)值模擬工作面不同配風量對采空區(qū)自燃危險區(qū)域和工作面安全推進速度的影響。工作面配風量越大，采空區(qū)漏風量加大，造成氧化帶加大、窒息帶后移，需要提高工作面的推進度才能使遺煤快速進入窒息帶。綜采工作面采空區(qū)具有自燃危險區(qū)域大、工作面配風量影響更顯著等特點。