永智煤礦5101工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍研究

王競(jìng)楷,呂 猛,張博威

(準(zhǔn)格爾旗永智煤炭有限公司,內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017100)

采空區(qū)遺煤自然發(fā)火是我國(guó)大多數(shù)礦井普遍存在的問(wèn)題,嚴(yán)重制約安全生產(chǎn)。當(dāng)前,確定采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍是防治自然發(fā)火的首要任務(wù),對(duì)于指導(dǎo)防滅火工作具有重要意義[1]。

目前,邸志乾等[2]以風(fēng)速為劃分標(biāo)準(zhǔn),得到放頂煤綜采采空區(qū)“三帶”分布的形態(tài)及范圍;徐國(guó)華[3]利用數(shù)值模擬軟件研究了公烏素礦1604工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍,并分析了工作面風(fēng)量對(duì)推進(jìn)速度的影響。劉俊等[4]采用采空區(qū)預(yù)埋束管的方法分析采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù),進(jìn)而確定采空區(qū)自燃“三帶”寬度;李宗翔等[5]利用高O2體積分?jǐn)?shù)區(qū)域和高溫度區(qū)域疊加的方法確定了采空區(qū)內(nèi)氧化帶的范圍;王毅等[6]通過(guò)對(duì)工作面現(xiàn)場(chǎng)氧氣和溫度監(jiān)測(cè),并利用Fluent模擬采空區(qū)風(fēng)流速度,對(duì)工作面“三帶”進(jìn)行了劃分;尚瑋煒等[7]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和結(jié)合Matlab軟件分析處理得到了采空區(qū)自燃“三帶”的分布特征;李作泉等[8]利用COMSOL數(shù)值模擬軟件計(jì)算了工作面推進(jìn)不同階段采空區(qū)“三帶”范圍及漏風(fēng)情況。

本文以永智煤礦5101工作面為背景,通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)O2體積分?jǐn)?shù)和Fluent數(shù)值模擬的方法,對(duì)永智煤礦5101工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍進(jìn)行了研究,得出利于防治遺煤自燃的最小推進(jìn)速度,以指導(dǎo)永智煤礦實(shí)際生產(chǎn)。

1 工程概況

永智煤礦位于鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗境內(nèi),礦區(qū)海拔標(biāo)高1 400 m,該礦井屬低瓦斯礦井,礦井地溫?zé)o異常。3-1煤、4-2煤已回采完畢,現(xiàn)主采5-1煤。5101工作面位于二水平5-1盤(pán)區(qū),是5-1盤(pán)區(qū)的首采工作面,5101工作面可采走向長(zhǎng)約為2 497 m,傾斜寬約為224.85 m,工作面凈煤厚約為3.1～4.98 m,平均厚度約為3.88 m,煤層平均傾角為1°～3°,采用一次采全高工藝、全部垮落法處理頂板,工作面的通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng),工作面配風(fēng)量為1 470 m3/min.經(jīng)鑒定,5-1煤屬容易自燃煤層,煤塵具有爆炸性。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

2.1 采空區(qū)“三帶”劃分依據(jù)

采空區(qū)遺煤自燃可劃分為三個(gè)帶:即散熱帶、氧化升溫和窒息帶,如圖1所示。常用的“三帶”劃分方法主要有3種:O2體積分?jǐn)?shù)劃分法、溫度法、漏風(fēng)強(qiáng)度法,考慮現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際和各方法的優(yōu)缺點(diǎn)[6],本次監(jiān)測(cè)主要采用O2體積分?jǐn)?shù)劃分法為依據(jù)。根據(jù)礦區(qū)實(shí)際情況以及周?chē)V井的調(diào)研,將試驗(yàn)工作面“三帶”劃分的氧含量指標(biāo)定為:通風(fēng)散熱帶O2含量不小于18.0%,氧化帶O2含量為8%～18.0%,窒息帶O2含量不大于8%[9].

圖1 采空區(qū)自燃“三帶”分布示意

2.2 觀測(cè)方案

5101綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測(cè)管路鋪設(shè)均采用進(jìn)、回風(fēng)巷預(yù)埋管路的鋪設(shè)方法。如圖2所示,在工作面兩回采巷道各布置2個(gè)測(cè)點(diǎn),1個(gè)監(jiān)測(cè)1個(gè)備用,兩測(cè)點(diǎn)間距為50 m,取樣管路采用束管,束管全段采用鋼管進(jìn)行保護(hù),束管前端取樣頭為65 mm保護(hù)圓柱形鋼管,鋼管上有小孔,以便氣體進(jìn)入取樣頭,束管單管伸入取樣頭并用封泥將進(jìn)口封嚴(yán)。

圖2 測(cè)點(diǎn)示意

沿回風(fēng)巷布置的管路直接接入井下束管監(jiān)測(cè)系統(tǒng),進(jìn)行實(shí)時(shí)取樣自動(dòng)分析;沿進(jìn)風(fēng)巷布置的束管長(zhǎng)度共計(jì)150 m,采用人工取氣分析[10-12]。隨著工作面的推進(jìn),當(dāng)取樣頭進(jìn)入采空區(qū)內(nèi),記錄下取樣頭的初始位置,每天固定時(shí)間采樣分析一次,并記錄工作面每日推進(jìn)度。

2.3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

5101綜采工作面進(jìn)風(fēng)巷(輔運(yùn))監(jiān)測(cè)自2023年4月13日至4月28日共監(jiān)測(cè)16 d,有效監(jiān)測(cè)采空區(qū)深度72.6 m;回風(fēng)巷(膠運(yùn))監(jiān)測(cè)自2023年4月13日至4月28日共監(jiān)測(cè)16 d,有效監(jiān)測(cè)采空區(qū)深度68.2 m.整個(gè)觀測(cè)過(guò)程中,5101工作面上下隅角吊掛擋風(fēng)簾,擋風(fēng)簾嚴(yán)密;上下出口斷面合理,采面風(fēng)流暢通;工作面兩端頭三角區(qū)頂板垮落及時(shí),沒(méi)有形成懸頂。

圖3為進(jìn)風(fēng)巷人工采樣分析所得出的O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加而變化的曲線,由圖可見(jiàn),采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加而減少。當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到19.6 m時(shí),O2含量為18.098 2%;當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到68.2 m時(shí),O2含量為8.198 5%.

圖3 進(jìn)風(fēng)巷(輔運(yùn))測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度變化圖

圖4為束管系統(tǒng)自動(dòng)采樣分析所得出的O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加而變化的曲線,當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到10.1 m時(shí),O2含量為18.396%;當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到15.4 m時(shí),O2含量為17.190 3%;當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到35.6 m時(shí),O2含量為9.586 9%;當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到43.2 m時(shí),O2含量為7.535 3%.經(jīng)數(shù)值插入處理可得:當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到10.3 m時(shí),O2含量為18%;當(dāng)采空區(qū)深度達(dá)到36.3 m時(shí),O2含量為8%.

圖4 回風(fēng)巷(膠運(yùn))測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度變化圖

由此得出該采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍見(jiàn)表1.由觀測(cè)數(shù)據(jù)可以看出,回風(fēng)巷側(cè)的采空區(qū)散熱帶和氧化帶寬度明顯窄于進(jìn)風(fēng)巷,而窒息帶要寬于進(jìn)風(fēng)巷。

表1 5101工作面采空區(qū)實(shí)測(cè)自燃“三帶”范圍

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

根據(jù)圖3和圖4所示兩回采巷道側(cè)束管監(jiān)測(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)分布特征,采用線性函數(shù)、二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合[13],擬合結(jié)果見(jiàn)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)分布采用二次函數(shù)效果最佳,O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律可以用二次函數(shù)進(jìn)行表達(dá),具體表達(dá)式如下:

y=Ax2-Bx+C

(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)二次函數(shù)擬合結(jié)果,分別計(jì)算采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)8%和18%對(duì)應(yīng)采空區(qū)深度,進(jìn)而獲得自燃“三帶”分布范圍,結(jié)果見(jiàn)表3.對(duì)比表1和表3可以看出,采用二次函數(shù)擬合計(jì)算得到的采空區(qū)自燃“三帶”范圍與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的采空區(qū)自燃“三帶”范圍基本相符?？梢?jiàn),采用二次函數(shù)對(duì)實(shí)測(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分布數(shù)據(jù)進(jìn)行精確擬合,能夠較好地反映采空區(qū)兩回采巷道O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

表3 二次函數(shù)計(jì)算自燃“三帶”范圍

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

選用Fluent軟件對(duì)采空區(qū)內(nèi)氣體流動(dòng)規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬,以永智煤礦5101綜采工作面與采空區(qū)實(shí)際尺寸為基礎(chǔ)進(jìn)行建模選取工作面、進(jìn)風(fēng)巷與采空區(qū)的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn),沿工作面傾向?yàn)閄軸,工作面長(zhǎng)度為224.85 m,采空區(qū)深度方向?yàn)閅軸,采空區(qū)深度為300 m,向上為Z軸,模擬上覆巖層25 m工作面進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷斷面積分別為17.5 m2、16.8 m2.

模型被劃分為2 400 000個(gè)網(wǎng)格,將進(jìn)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(yùn)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。進(jìn)風(fēng)巷設(shè)置為速度入口,選擇組分運(yùn)輸模型,混合物選擇methane-air并選擇能量方程,采空區(qū)中設(shè)置為多孔介質(zhì),孔隙率和粘性阻力系數(shù)為UDF函數(shù),導(dǎo)入到FLUENT中求解運(yùn)算[14]。

3.2 流速劃分下采空區(qū)自燃氧化帶

U型通風(fēng)下工作面風(fēng)速分布如圖5所示。由圖5可得,供風(fēng)風(fēng)流在流經(jīng)工作面時(shí),仍保持著較高的流速,但在進(jìn)回風(fēng)隅角,由于風(fēng)流變向和漏風(fēng)的影響,風(fēng)速略有減小。

圖5 U型通風(fēng)工作面及采空區(qū)風(fēng)速分布

為了進(jìn)一步分析采空區(qū)自燃氧化帶的位置,根據(jù)0.004 m/s(0.24 m/min)和0.001 m/s(0.1 m/min)對(duì)采空區(qū)的“三帶”進(jìn)行劃分[15]。圖6是以漏風(fēng)風(fēng)速為指標(biāo)劃分的自燃氧化帶的分布范圍。由圖6可得,采空區(qū)自燃氧化帶分布在采空區(qū)后方20 ～70 m范圍內(nèi)。由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性,兩巷附近的漏風(fēng)流速等值線較中部更加深入,氧化深度更大。在進(jìn)風(fēng)側(cè),0.004 m/s的等值線可深入到采空區(qū)走向70 m左右位置。

圖6 采空區(qū)的氧化帶分布(風(fēng)速劃分)

3.3 O2體積分?jǐn)?shù)劃分下采空區(qū)自燃氧化帶

分別提取采空區(qū)中間及進(jìn)回“兩道”測(cè)點(diǎn)O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行分析,如圖7所示。進(jìn)風(fēng)側(cè)在進(jìn)入采空區(qū)20 m左右后,O2體積分?jǐn)?shù)下降至18%,在70 m左右位置,氧氣濃度為8%;回風(fēng)側(cè)的O2體積分?jǐn)?shù)在進(jìn)入采空區(qū)后便急速下降,當(dāng)深入采空區(qū)10 m左右位置時(shí),O2體積分?jǐn)?shù)為18%;在35 m左右位置時(shí),O2體積分?jǐn)?shù)為8%.采空區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)分布具有不均勻性,進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)明顯高于回風(fēng)側(cè)。

圖7 采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布

圖8表示進(jìn)、回風(fēng)側(cè)及采空區(qū)中部O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律,分別以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)18%、8%為界劃分“三帶”,根據(jù)圖8分析可得,氧化帶由采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)向采空區(qū)回風(fēng)側(cè)延伸時(shí),寬度逐漸減小,回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度與采空區(qū)中部及進(jìn)風(fēng)側(cè)相比較窄,在進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區(qū)中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風(fēng)巷一側(cè)氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m.

圖8 進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)及采空區(qū)中部O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律

4 工作面最小安全推進(jìn)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(shí)間足夠長(zhǎng),即維持時(shí)間t必須達(dá)到:

t>tmin

(2)

式中:tmin為煤的最短發(fā)火期,d.

理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明,加快工作面推進(jìn)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(kāi)采狀況,設(shè)采空區(qū)自燃氧化帶最大深度為L(zhǎng)max,則設(shè)計(jì)推進(jìn)速度v應(yīng)滿足下式:

(3)

因此,工作面最小推進(jìn)速度為[16]:

(4)

式中:t為采空區(qū)遺煤氧化時(shí)間,d;Lmax為采空區(qū)自燃氧化帶最大寬度,m;v為工作面推進(jìn)速度,m/d;tmin為煤的最短發(fā)火期,d.

永智煤礦5-1號(hào)煤層采空區(qū)最短發(fā)火期為33 d,自燃氧化帶最大寬度為進(jìn)風(fēng)巷側(cè)48.6 m.將相關(guān)參數(shù)代入式(4)中,計(jì)算得到5101綜采工作面最小推進(jìn)速度為1.47 m/d.采空區(qū)自燃“三帶”測(cè)定期間,5101工作面平均推進(jìn)速度為4.4 m/d,遠(yuǎn)大于發(fā)生自燃的極限推進(jìn)速度1.47 m/d.因此,按照當(dāng)前的推進(jìn)速度,5101工作面采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火危險(xiǎn)的概率較低。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明,進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)散熱帶范圍為0～19.6 m,氧化帶為19.6～68.2 m,窒息帶在68.2 m之后?；仫L(fēng)巷側(cè)采空區(qū)側(cè)散熱帶范圍為0～10.3 m,氧化帶為10.3～36.3 m,窒息帶在36.3 m之后;二次函數(shù)可對(duì)O2體積分?jǐn)?shù)與采空區(qū)深度進(jìn)行較好的擬合,以反映采空區(qū)兩回采巷道O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。

2) 利用Fluent軟件進(jìn)行模擬,以漏風(fēng)風(fēng)速為指標(biāo),氧化帶范圍為20 ～70 m;以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為指標(biāo),進(jìn)風(fēng)巷一側(cè)氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區(qū)中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風(fēng)巷一側(cè)氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m,進(jìn)風(fēng)側(cè)的采空區(qū)氧化體積分?jǐn)?shù)明顯高于回風(fēng)側(cè),數(shù)值模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果大致相同。

3) 依據(jù)所劃分的“三帶”范圍,計(jì)算出5101工作面發(fā)生自燃的極限推進(jìn)速度為1.47 m/d,按照永智煤礦當(dāng)前工作面推進(jìn)速度,出現(xiàn)自然發(fā)火危險(xiǎn)的概率較低,該結(jié)論為永智煤礦防滅火工作提供了科學(xué)指導(dǎo)。