火成巖侵入易自燃煤層超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍研究

柳東明

(1.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

為了減少巷道開拓量，節(jié)約成本、緩解采掘接續(xù)緊張的問題，越來越多的煤礦開始采用超長開切眼布置的方式進行采煤[1-2]。在易自燃煤層超長俯采工作面開采過程中，受布置方式與煤層產狀等客觀因素制約，其推進度較普通規(guī)模工作面有所降低，煤自燃災害問題會嚴重威脅工作面的安全生產[3]。為使防滅火工作具有針對性，徹底杜絕采空區(qū)自然發(fā)火事故，對采空區(qū)自燃“三帶”進行研究極為重要[4]。

國內外相關學者對工作面采空區(qū)自燃“三帶”開展了大量的研究工作。其中，李鑫等[5]采用束管監(jiān)測系統(tǒng)對突出煤層瓦斯抽采影響下采空區(qū)自燃“三帶”進行了現場實測，發(fā)現受瓦斯抽采影響，氧化帶寬度遠遠超出普通工作面采空區(qū)氧化帶寬度，自然發(fā)火威脅大大增高；柳東明[6]對淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)自燃立體“三帶”進行了研究，得出綜放工作面不僅存在傳統(tǒng)水平方向的自燃“三帶”，也存在垂直方向上的自燃“三帶”，并對采空區(qū)自燃立體“三帶”分布范圍進行了現場觀測；王帥[7]針對連續(xù)開區(qū)注氮對采空區(qū)自燃“三帶”分布特征的影響進行了深入研究，通過現場實測得出注氮量與氧化帶寬度呈負相關關系，且注氮量不影響散熱帶范圍。目前，大多數學者通常采用在進、回風巷道預埋束管取氣化驗的方式對傳統(tǒng)規(guī)模采空區(qū)(開切眼長度小于250 m)自燃“三帶”進行現場實測，此種方法只能測得進、回風巷道側采空區(qū)氣體體積分數變化情況，無法真實掌握進、回風巷道間采空區(qū)流場分布特征，通常是依靠經驗粗略描繪進、回風巷道間采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，測定結果往往與現場實際情況存在較大偏差。

大興煤礦北一202工作面采用超長開切眼布置開采易自燃煤層，受火成巖侵入影響煤層傾角加大，且工作面全程俯采，頂板存在復合煤巖層，采空區(qū)遺煤量較大，導致其自然發(fā)火威脅大幅提高。筆者通過研究易自燃煤層超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍和流場分布規(guī)律，旨在為制訂科學合理的工作面防滅火技術方案提供理論依據。

1 工作面概況

大興煤礦北一202工作面位于北一采區(qū)中部南翼，可采走向長621 m，傾斜寬361.5 m，為大興煤礦首個超長開切眼布置工作面，采用單一走向長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法。工作面所采2-3煤層厚度在1.00～2.75 m，平均厚度為1.88 m，傾角為7°～26°，平均11°，全程為大俯采狀態(tài)，其中回風巷平均俯采角度為7°，進風巷平均俯采角度為14°。2-3煤層直接頂巖性以泥巖、薄煤層和粉砂巖為主，平均厚度為4.16 m。煤層為Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為40 d。工作面回采期間的配風量為800 m3/min，通風方式為“U”型通風。工作面平面布置如圖1所示。

圖1 北一202工作面巷道布置平面圖

2 超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”多點位觀測

2.1 采空區(qū)多點位氣體監(jiān)測點布置

超長開切眼布置工作面由于采場范圍廣、采空區(qū)空間大，造成工作面漏風情況、采空區(qū)氣體運移規(guī)律均與常規(guī)工作面不盡相同。因此，對于北一202超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍的測定不能單純在進、回風巷道采空區(qū)各布置1個測點，而是應該在工作面中部采空區(qū)適當地點增加氣體監(jiān)測點，采取多點位觀測的方法，以保證“三帶”觀測的準確性。

在工作面下隅角及下隅角向工作面70 m處分別預埋1#、2#兩個束管測點，束管由進風巷引出，利用兩測點對進風巷側采空區(qū)及工作面中部采空區(qū)的O2體積分數進行監(jiān)測；在上隅角及上隅角向工作面70 m處分別預埋3#、4#兩個束管測點，束管由回風巷引出，利用兩測點對回風巷側采空區(qū)及工作面中部采空區(qū)的O2體積分數進行監(jiān)測。

1#和3#測點束管外套內徑15 mm鋼管加以保護，束管末端應距離地面一定的高度，傾斜倚靠巷幫(內徑15 mm鋼管與硬幫用鐵絲加以固定)，避免高處墜落巖石砸壞套管；2#和4#束管測點由于管路沿著工作面布置，為防止影響采煤設備的正常運行，應在預埋管路前，分別在上、下隅角向工作面方向沿底板挖出2條70 m×10 cm×10 cm的管路槽，然后將2#和4#束管外套內徑50 mm無縫鋼管埋入槽內，在束管末端最后一節(jié)鋼管上提前加工好適量的花眼，便于取氣。2#、4#束管測點工作面鋪設示意圖如圖2所示。

圖2 2#、4#束管測點工作面鋪設示意圖

2.2 采空區(qū)氣體觀測結果分析

隨著工作面推進，將4個測點埋入采空區(qū)，隨即每天對其進行取樣化驗觀測。1#、2#、3#及4#束管測點O2和CO體積分數隨測點埋入深度的變化趨勢如圖3所示。

(a)1#束管測點

分析圖3,以O2體積分數φ(O2)作為劃分采空區(qū)自燃“三帶”依據，具體為：當φ(O2)≥18%時，為“散熱帶”；當7%≤φ(O2)<18%時，為“氧化帶”；當φ(O2)<7%時，為“窒息帶”[8-10]。按照此標準，對北一202采空區(qū)自燃“三帶”進行劃分，結果如圖4所示。

圖4 超長工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布示意圖

3 超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律數值模擬研究

利用前述的采空區(qū)多點位氣體觀測方法，可監(jiān)測超長工作面進、回風巷道側采空區(qū)及上、下隅角向工作面70 m架后采空區(qū)氣體變化規(guī)律，但若要完全掌握采空區(qū)流場、自燃“三帶”分布規(guī)律，僅通過預埋束管顯然是無法實現的，這就需要采用數值模擬的方法開展進一步的研究[11-13]。

3.1 模型建立

將采空區(qū)內部看作多孔介質，氣體假設為理想氣體，其在采空區(qū)內的流動遵守質量、動量及能量守恒定律[14-15]。以北一202超長俯采工作面為基本模型，對采空區(qū)的尺寸、采煤方式等基礎情況進行適當的簡化，應用Fluent模擬軟件中的Geometry功能建立采空區(qū)幾何模型[16-17]，模型參數見表1。

表1 數值模擬模型參數

對建立的北一202采空區(qū)三維模型進行網格劃分，共得到214 480個網格(如圖5所示)，網格質量為0.97，證明建立的網格質量較好。

圖5 北一202采空區(qū)自燃“三帶”模擬幾何示意圖

本次模擬采用速度入口邊界，工作面進風量為800 m3/min，通風斷面積為16 m2，故將進風口風速設為0.83 m/s，回風口設為自由流出；將進風口處O2的質量組分設為23%，其他氣體設為0[18-19]；將下隅角與底板相交的位置作為原點，工作面推進方向的反方向作為x軸正方向，工作面風流由原點流向y軸正方向，重力的反方向為z軸正方向[20]。

3.2 采空區(qū)流場分布模擬研究

為了進一步了解超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”的成因，分析了北一202采空區(qū)內氣體流場的分布，繪制得到回采期間采空區(qū)風速流場分布圖，如圖6所示。

圖6 回采期間采空區(qū)風速流場分布圖

從圖6可以發(fā)現，在初采期間，風流進入采空區(qū)后，進風巷與回風巷流場呈現拱形結構，在下隅角處，由于巷道外形尺寸結構的突變，產生了渦流，并在向回風側的傳遞過程中能量逐漸減弱，直至與回風流匯合。隨著工作面的不斷推進，采空區(qū)頂板煤巖體逐漸垮落并壓實，采空區(qū)漏風流逐漸變小，且逐步呈現無規(guī)律分布狀態(tài)。在采空區(qū)的深部區(qū)域，氣體流速明顯小于工作面處，且差別很大。此刻無規(guī)律分布出現的地點集中在散熱帶與氧化帶的交界處，窒息帶內沒有流場分布。隨著工作面繼續(xù)推進，采空區(qū)內風速流場分布呈現先增加后減少的變化規(guī)律，分析其原因是由于采空區(qū)內頂板受周期來壓影響，煤巖體垮落并逐漸壓實，這就導致采空區(qū)內的流場分布也呈現周期交替變化規(guī)律，在部分區(qū)域出現流場波動起伏式變化分布。

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”分布模擬研究

根據北一202工作面實際情況，模擬了在正常配風情況下(800 m3/min)，從開切眼開始回采500 m時，采空區(qū)O2體積分數的分布情況，模擬結果見圖7。

圖7 北一202采空區(qū)O2體積分數分布圖

由圖7可知，采空區(qū)內越靠近工作面，O2體積分數越大；由于在上、下隅角處每天砌筑臨時封堵墻、吊掛擋風簾等，有效降低了進、回風巷道側采空區(qū)漏風強度，而在工作面中部由于未采取任何堵漏措施，必然存在一定的漏風，導致進、回風巷道側采空區(qū)漏風強度弱于工作面中部采空區(qū)，造成了采空區(qū)O2體積分數從進、回風巷道側向工作面中部逐漸升高，形成一個小“凸”形，但變化不是特別明顯，說明雖然本工作面為超長工作面，但是由于采取一系列的堵漏措施，使采空區(qū)的漏風量較小。

通過數值模擬分析，劃分出北一202超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍，得出其自然發(fā)火危險區(qū)域，并與現場實測結果進行了對比驗證，結果見表2。

表2 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍結果對照

由表2可以看出，進風側與下隅角向工作面70 m架后兩測點，氧化帶最大寬度現場實測結果與數值模擬結果相差分別為4 m和3.5 m，結果十分接近；回風側與上隅角向工作面70 m架后兩測點，氧化帶最大寬度現場實測結果與數值模擬結果相差分別為9、14.7 m，雖然差值相對較大(分析原因可能是由于該地點受注氮等措施的影響所致)，但整體與采空區(qū)自燃“三帶”的范圍分布規(guī)律基本保持一致，進而證明了采用數值模擬方法，分析研究超長俯采工作面采空區(qū)流場、O2體積分數分布規(guī)律的有效性和科學性。

4 結語

1)利用采空區(qū)多束管測點現場實測，得出大興煤礦北一202超長俯采工作面采空區(qū)氧化帶最大寬度為37.7 m，位于上隅角向工作面70 m架后位置。

2)通過Fluent數值模擬分析，揭示了超長俯采工作面采空區(qū)流場及O2體積分數變化規(guī)律；將采空區(qū)自燃“三帶”模擬結果與實測結果相對比，得出自燃“三帶”范圍基本一致的結論，證明了采用數值模擬方法，分析研究超長俯采工作面采空區(qū)流場、O2體積分數分布規(guī)律的有效性和科學性。