“110工法”下采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”范圍分析

朱興攀,王江龍,馬會云,楊程帆,張龍飛,劉文永

(1.陜西陜煤榆北煤業(yè)有限公司,陜西 榆林 719000;2.陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司,陜西 榆林 719399;3.西安科技大學 安全科學與工程學院,陜西 西安 710054)

0 引言

采空區(qū)是煤自燃火災的高發(fā)區(qū)域,其高溫危險區(qū)域的精準判定一直以來都是世界性難題。為了更好地掌握工作面回采期間,采空區(qū)內(nèi)部危險區(qū)域的演變規(guī)律,國內(nèi)外學者通常采用煤自燃“三帶”觀測及模擬的方法進行研究。例如,李鑫等[1]通過預埋束管的方式對煤與瓦斯突出礦井工作面采空區(qū)進行三帶觀測,得出抽采瓦斯改變采空區(qū)漏風流場,從而造成采空區(qū)氧化帶變大變寬;王帥[2]通過布置束管的方式對不同注氮量情況下采空區(qū)內(nèi)不同位置的CO、O2濃度進行現(xiàn)場實測,得出了注氮量與氧化帶寬度呈負相關(guān),且注氮量不影響散熱帶范圍的特征;李鋒等[3]采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法對其自燃“三帶”進行了研究;孫珍平[4]采用向鄰近采空區(qū)施工鉆孔,通過在鉆孔不同深度中氣體取樣化驗分析的方法得到同忻煤礦8207工作面均壓后采空區(qū)氧化帶寬度“拓寬”,并對8207綜放工作面采空區(qū)注氮布距進行了優(yōu)化;崔杰[5]以烏蘭煤礦Ⅱ020803工作面為試驗工作面,通過在工作面水平方向和垂直方向分別布置測點的方式,分析得出復合采空區(qū)三維空間自燃“三帶”分布規(guī)律;金永飛等[6]以束管觀測的方式,通過CFD軟件模擬研究了采空區(qū)注氮工作參數(shù)變化時的煤自燃區(qū)域變化情況;王偉東等[7]采用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測等手段對淺埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放對采空區(qū)自燃“三帶”影響進行了研究。隨著無煤柱開采工藝的研究與應用推廣,110工法條件下的采空區(qū)煤自燃“三帶”研究不足,其規(guī)律尚不明晰。

由于110工法條件下的采空區(qū)自然發(fā)火三帶具有特殊性,進而開展此類研究,揭示110工法條件下的煤自燃“三帶”演變規(guī)律具有重大意義,并且能夠更好地為新型采空區(qū)煤自燃防控提供參考價值。因此,以陜西某礦110工法工作面為研究對象,通過現(xiàn)場觀測、數(shù)值仿真模擬相結(jié)合的方法,對采空區(qū)危險區(qū)域進行研究。

1 測點布置原則、原因及方案

1.1 測點布置原則

由于110工法條件下采空區(qū)流場不同于傳統(tǒng)開采工藝采空區(qū),因而在進風隅角處布設不同深度測點的基礎上,還需要垂直從沿空留巷側(cè)施工不同深度的鉆孔,布設測點。這樣不僅可以用來監(jiān)測采空區(qū)垂直方向上不同深度的氣體濃度,還可以用來監(jiān)測采空區(qū)同一水平方向上不同位置的氣體濃度。進而可以從側(cè)面完整地展示此類新型采空區(qū)內(nèi)部的流場分布情況,以便更加準確地確定110工法條件下的采空區(qū)自然發(fā)火三帶范圍。

1.2 測點布置原因

“110工法”不同于傳統(tǒng)“121工法”,“110工法”形成的采空區(qū)受“Y”型通風的影響,采空區(qū)流場分布呈現(xiàn)L型分布,其采空區(qū)中部的風流場類似于傳統(tǒng)“121工法”采空區(qū)風流場,但由于受到沿空留巷側(cè)風流的影響,氧濃度會在很長一段距離內(nèi)很難降下來,同時在靠近沿空留巷側(cè)很容易會存在一段長距離的狹長尾巴狀流場。目前對于“110工法”開采模式下的“三帶”規(guī)律研究較少,同時測點布置不明晰,無法準確把握沿空留巷側(cè)監(jiān)測距離。因此針對“110工法”的特征,進而確定測點布置方案。

1.3 測點布置方案

采用埋管抽氣法觀測采空區(qū)氣體濃度分布。此次采空區(qū)內(nèi)的氣體成分采用埋管抽取檢測。在工作面運輸順槽設置5個觀測點,利用檢修班從留巷側(cè)工作面,將穿有束管的鉆桿放置在支架頂部,取氣端束管留出1 m長度,然后將鉆桿口封死,防止取氣時氣體回流。當采煤班支架向前移動時,穿有束管的鉆桿整體被甩入采空區(qū),每天檢修班布置一趟,分別布置長度為170 m(1#)、120 m(2#)、70 m(3#)、50 m(4#)、30 m(5#)共5趟測點。在工作面輔運順槽設置2個測點,測點間距50 m。待氧氣濃度低于8%以下,即可結(jié)束觀測。采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”觀測測點及束管布設如圖1所示。

圖1 采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”觀測測點布置

2 綜采面采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律

采空區(qū)氧濃度分布規(guī)律,最直接的方法就是埋管或打鉆抽取氣樣進行分析,然后確定出氧濃度分布規(guī)律。根據(jù)該礦綜采面地質(zhì)構(gòu)造、巷道布置、通風方式及“110工法”的特點,按照方案總共布置了4個觀測點,在觀測的過程中,由于采空區(qū)深度的加大,采空區(qū)內(nèi)部礦壓也隨之增大。根據(jù)觀測數(shù)據(jù),得到運輸順槽和輔運順槽采空區(qū)內(nèi)部距工作面不同距離各點的氧氣濃度變化關(guān)系,如圖2、3所示。

圖2 運輸順槽采空區(qū)氧濃度隨埋深變化趨勢

從圖3中可以看出,隨著工作面的推進,采空區(qū)深度的增加,采空區(qū)內(nèi)各點的氧氣濃度在很長距離內(nèi)一直較高。由于202工作面采用“110工法”開采模式,在“Y”型通風方式的影響下,運順和輔運同時進風,使得采空區(qū)流場相比較“U”型通風方式發(fā)生了改變,所以采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度下降較慢,且在很長一段距離內(nèi)都維持在18%以上。

圖3 輔運順槽采空區(qū)氧濃度隨埋深變化趨勢

輔運1#測點直至250 m左右仍舊處于18%左右,加之束管布置受現(xiàn)場環(huán)境影響,經(jīng)常發(fā)生束管斷裂現(xiàn)象,選擇暫停輔運側(cè)觀測。通過分析采空區(qū)流場分布情況,考慮到運順1#測點與輔運1#測點數(shù)據(jù)基本一樣。因此利用運順1#測點代替輔運1#測點對實際耗氧情況進行分析。

運順1#測點在250 m處仍處于18%以上,2#測點所觀測的采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度在218 m左右下降至18%,3#測點在210 m左右下降至18%,4#測點在195 m左右下降至18%,5#測點在190 m左右下降至18%。而運順1#測點所觀測的采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度直至400 m左右才下降至8%,2#測點所觀測的采空區(qū)內(nèi)部氧氣濃度直至400 m左右才下降至8%,3#測點直至407 m左右下降至8%,4#測點直至407 m左右下降至8%,5#測點直至415 m左右下降至8%。結(jié)合現(xiàn)場實測結(jié)果,根據(jù)自然發(fā)火“三帶”劃分氧濃度指標(8%～18%),可以判斷出“110工法”開采模式下的采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”實測范圍見表1。

表1 采空區(qū)“三帶”實測范圍劃分

3 采空區(qū)危險區(qū)域數(shù)值模擬

運用數(shù)值模擬軟件進一步對“110工法”開采模式下的采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”進行研究,采用ANSYS FLUENT 14.5流體動力學軟件,根據(jù)觀測所收集到的現(xiàn)場真實數(shù)據(jù),將模型邊界條件嚴格標定,對采空區(qū)的一系列參數(shù)進行定義。從而解決現(xiàn)場無法直接觀測采空區(qū)內(nèi)部氣體濃度及滲流場連續(xù)變化趨勢的問題,這在一定程度上能夠有效地指導陜西某礦綜采工作面防滅火工作。

3.1 物理模型及網(wǎng)格劃分

根據(jù)綜采工作面實際情況,建立工作面采空區(qū)三維模型,設置采空區(qū)深度為500 m,工作面傾向長度為235.5 m,浮煤厚度取0.6 m,浮煤上為10 m厚的巖石。坐標原點定在運輸順槽與采空區(qū)夾角處,將原點處指向x軸正方向設定為進風口1,將y軸頂端指向x軸正方向設定為進風口2,將x軸最右端指向y軸正方向設定為出風口,工作面走向方向為y軸正方向,向上為z軸正方向。將模型計算區(qū)域進行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格設置默認為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,模型中代表浮煤區(qū)域的網(wǎng)格在x,y,z這3個方向上步長均設置為0.5 m,巖石區(qū)域網(wǎng)格步長設置為4 m,模型劃分網(wǎng)格共計3 836 189個。三維模型及網(wǎng)格劃分如圖4、5所示。

圖4 采空區(qū)三維模型

圖5 三維模型網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件

在所研究的模型區(qū)域中,假設以該區(qū)域中運輸順槽、輔運順槽以及工作面為邊界,而這些邊界上所涉及的風流速度和氧濃度則被當作是該模型中所要考慮的邊界條件。另外,假定該區(qū)域其余的表面都具有壁面特性,由于該壁面的存在,氣體的滲透效果將不可能發(fā)生[8]。因此,基于以上的假定條件,根據(jù)實驗測定的CO產(chǎn)生速率,來編寫UDF程序。計算過程中CO的源項由UDF進行控制[9]。采空區(qū)松散煤體和巖體的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 材料設置

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

在以上建立的模型上進行模擬,得到了采空區(qū)氧濃度分布,如圖6～10所示。

圖6 距煤層底板0.5 m處氧濃度平滑分布圖

圖7 距煤層底板0.5 m處氧濃度條紋分布圖

圖8 距煤層底板0.5 m處氧濃度范圍分布圖

圖9 距煤層底板0.5 m處氧化帶范圍分布圖

圖10 采空區(qū)氧濃度立體分布圖

由圖6～10可知,數(shù)值模擬得到的氧氣濃度數(shù)據(jù)隨著采空區(qū)深部的延伸整體呈遞減趨勢,而實測數(shù)據(jù)呈輕微波動遞減的趨勢,這是由于現(xiàn)場實測條件下存在誤差及采空區(qū)受漏風影響造成的,但從總體上來說,數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)存在良好的吻合度。為消除該礦綜采面采空區(qū)煤自燃隱患,應擴大采空區(qū)危險區(qū)域監(jiān)測范圍。結(jié)合表1分析可得,陜西某礦綜采面采空區(qū)內(nèi)部在距工作面輔運順槽側(cè)245～410 m,距運輸順槽20 m水平處向采空區(qū)深部190～420 m處這個范圍內(nèi)煤自燃風險較高。而距工作面420 m以后垂直于后巷傾向(采空區(qū)側(cè))大概7～20 m的范圍長期處于氧化帶,同樣存在較高的煤自燃風險,需要對后巷側(cè)該區(qū)域定期采取相應的防滅火治理措施。

4 采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”的劃分

根據(jù)束管監(jiān)測得到的氧濃度變化規(guī)律在圖上進行繪制,可以判斷出采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”分布范圍[10],如圖11所示。

圖11 綜采工作面采空區(qū)煤自然發(fā)火“三帶”范圍

從圖11基本可以判斷,陜西某礦綜采面采空區(qū)散熱帶的分布范圍在采空區(qū)內(nèi)距離工作面210～245 m,在采空區(qū)輔運順槽進風側(cè)處由于漏風相對較大,散熱帶范圍相對較深,距運輸順槽側(cè)20 m處由于漏風較少,散熱帶較淺。窒息帶在距離工作面410～420 m以上的采空區(qū)深部及距后巷20 m以上的范圍。在輔運順槽側(cè),窒息帶開始于410 m左右的深度,相對較淺;在距運輸順槽進風側(cè)20 m的水平處窒息帶開始的深度相對運順進風側(cè)較深,位于420 m左右。距工作面420 m處垂直于后巷傾向(采空區(qū)側(cè))10 m處氧氣濃度為18%,20 m處氧氣濃度為8%,10 m以內(nèi)為散熱帶,10～20 m范圍為氧化帶,20 m以上范圍為窒息帶;距工作面500 m垂直于后巷傾向(采空區(qū)側(cè))7 m處氧氣濃度為18%,12 m處氧氣濃度為8%,7 m以內(nèi)為散熱帶,7～12 m范圍為氧化帶,12 m以上范圍為窒息帶[11-14],劃分結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)“三帶”劃分表

5 結(jié)論

(1)通過在采空區(qū)輔運順槽鋪設束管及采空區(qū)中部埋設束管,采集氣體進行分析,得到采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍,結(jié)合采空區(qū)煤自燃規(guī)律及特點,確定了“110工法”開采模式下的“三帶”分布呈現(xiàn)出“L”型,受“Y”型通風影響,“三帶”范圍分布較深,且在沿空留巷側(cè)長距離分布著呈尾巴狀的氧化帶。

(2)根據(jù)現(xiàn)場觀測和數(shù)值分析,該礦綜采面氧化帶有2個區(qū)域,一個區(qū)域為輔運順槽側(cè)距離工作面245～410 m和距運輸順槽側(cè)20 m處采空區(qū)190～420 m;另一個區(qū)域為距工作面420 m處垂直于后巷傾向(采空區(qū)側(cè))10～20 m和距工作面500 m及以后垂直于后巷傾向(采空區(qū)側(cè))7～12 m;最大氧化升溫帶寬度為230 m。

(3)在該礦綜采面推進的過程中,需重點監(jiān)測后巷傾向(采空區(qū)側(cè))7～20 m的范圍。