采空區自然發火三帶分布規律及自燃防治技術

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采空區自然發火三帶分布規律及自燃防治技術

張能榮

(西山煤電集團公司 總調度室，山西太原030053)

摘要通過油浴式煤低溫恒溫氧化實驗得到了馬蘭礦煤樣的低溫氧化規律，通過數值模擬測得了該礦采空區的滲透系數分布，建立了移動坐標下的采空區自然發火多物理場耦合時空演化理論數學模型，并結合實驗室試驗、理論分析、現場測試和數值模擬結果，得出該礦工作面的最小安全推進速度,并制定了該礦采空區自然發火防治措施，確保了工作面的安全、高效生產，取得了一定的經濟效益。

關鍵詞采空區; 低溫氧化規律; 三帶分布規律; 自燃;防治

收稿日期：2015-01-18

作者簡介：張能榮(1983—)，男，山西孝義人，2013年畢業于大同大學，工程師，主要從事煤炭銷售工作

中圖分類號：TD75+2

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)03-0016-04

AbstractLow temperature oxidation rule of coal sample in Malan coal mine is got by oil bath type coal low temperature oxidation experiment, the permeability coefficent distribution of the coal mine goaf is obtained through numerical simulation, the mathematical model of multi physical field coupling space-time evolution theory on goaf spontaneous combustion under the moving coordinate is established. Combines with laboratory experiment, theoretical analysis, field test and numerical simulation results, obtains the minimum safety advancing speed of working face, formulates the coal mine goaf spontaneous combustion prevention and control measures.

西山煤電股份公司馬蘭礦是山西焦煤集團公司的主力煤礦，位于全國最大煉焦煤基地古交市西南16 km處。該礦于1990年6月建成投產，井田面積80 km2，服務年限107年，年設計生產能力400萬t/a.井田沿傾斜方向劃分為+ 910 m、+ 680 m、+ 480 m 三個水平開采。井田共有10層煤層，主采煤層有02#、2#、8#，多為易自燃煤層，采空區火災防治問題較為突出，對安全生產影響較大。

1煤低溫氧化系統的改進

針對該礦存在的實際問題，通過和高等院校合作自主研制了“油浴式煤低溫恒溫氧化實驗系統”。 現在科研院校實驗室使用的煤低溫氧化系統，都是利用熱空氣對煤樣罐加熱實現煤樣溫度升高。由于空氣的導熱性差，空氣浴箱內各處溫度差距較大，造成煤樣罐受熱不均勻，罐內各處溫度差異很大，煤樣受熱不均勻，造成很多數據不準確，影響煤樣參數結果的測定。例如，在計算煤的耗氧速率時，要求煤樣罐內的溫度處處相等，氧氣沿罐軸向上的消耗量看作是線性分布，通過積分得到單位時間內整個罐內煤樣的耗氧總量。如果罐內各處溫差較大，計算出的耗氧總量和實際存在相當大的差距。經多方調研，結合該礦的實際開發了油浴式煤低溫氧化系統，示意圖見圖1.

1—閥門　2—壓力表　3—混氣室　4—質量流量計

該系統采用硅油作為傳熱介質，同時將煤樣罐制作成細圓柱形，使煤樣罐的受熱更為均勻。硅油具有比熱大、溫度分布均勻以及對流換熱系數大的特點。

該系統包括：1) 供氣系統。由氧氣瓶、流量計和混和氣體室構成。2) 升溫(恒溫)系統。由煤樣罐體、加熱箱、硅油罐、溫控表組成。3) 氣相分析系統。由氣相色譜分析儀和采集氣體的設備組成。4) 測溫系統。在煤樣罐的頂部(距頂3 cm)、中部和底部(距底3 cm)安裝3個熱電偶探頭，以測量加熱過程中煤樣罐內3個位置的溫度，其上升變化曲線圖見圖2，從圖2可以看出，整個加熱過程中3個探頭的溫度變化曲線基本吻合，說明該系統能基本實現煤樣罐內各處溫度均衡，達到實驗所需溫度。

圖2　煤溫上升變化曲線圖

2采空區自然發火的能量遷移理論

1) 采空區自然發火的能量遷移理論的提出。

當生產地質條件、通風條件、采空區內各處溫度保持不變且工作面勻速推進時，單位時間內采空區遺煤氧化產生的總熱量Q0等于采空區冒落煤巖的流入和流出而凈帶走的熱量Q1、采空區漏風帶走的熱量Q2以及采空區向周圍煤巖傳遞的熱量Q3之和(能量守恒原理)，這就是采空區自然發火的能量遷移理論。同時，對采空區的數值模擬計算證實了Q3相對其它兩項很小，可以忽略。因此，可建立采空區能量平衡方程，表示為式(1)~(4).

Q0=Q1+Q2

(1)

Q0=k0qQL(1-CN)

(2)

Q1=k1v0hlρsCs(tc-t0)

(3)

Q2=QLρgCg(t1-t2)

(4)

式中：

k0—采空區的氧氣消耗系數；

q—1 mol氧氣與煤反應所釋放的熱量，J/mol；

QL—采空區漏風量，m3/s；

CN—漏風的氮氣濃度，%，取79%；

k1—采空區溫度不均衡系數；

v0—工作面推進速度，m/s，此處不為0；

h—不再發生熱傳遞的煤巖垮落高度，m；

l—工作面長度，m；

ρs—冒落煤巖的密度，kg/m3；

Cs—冒落煤巖的比熱，J/(kg·K)；

tc—采空區冒落煤巖的最高溫度，℃；

t0—原始巖溫，℃；

ρg—空氣密度，kg/m3；

Cg—空氣的比熱，J/(kg·K)；

t1、t2—進、回風溫度，℃.

通過對馬蘭礦18103工作面采空區的最高溫度進行分析，相關參數為：h取16 m，遺煤為0.1 m時的平均密度ρs為2 600 kg/m3、平均比熱Cs為842 J/(kg·K)，遺煤為0.4 m時的平均密度ρs為2 300 kg/m3、平均比熱Cs為1 100J/(kg·K)，l為87 m，t0,t1,t2分別為15.2 ℃、14.9 ℃、18.1 ℃.計算結果見圖3.

圖3　馬蘭礦采空區最高溫度的理論值示意圖

圖3表明：a) 加快工作面推進速度、減小工作面風量都能有效抑制采空區最高溫度的升高。b) 在現有的開采條件下(推進速度為6 m/d、遺煤厚度為0.1 m)，采空區內的最高溫度不會超過35 ℃.根據能量遷移理論還可計算得到不同風量、不同遺煤厚度下該工作面的最小安全推進速度，見圖4.從圖4中可以看出，工作面最小安全推進速度隨工作面風量增大而增大。

2) 采空區滲透系數分的布修正根據斷面單元法測定出18103工作面的通風阻力、漏風量以及風溫等的變化情況。在測定的通風阻力與漏風量條件下，利用開發的仿真軟件對采空區滲透系數進行數值模擬研究。通過對比模擬與現場實測的工作面漏風速度，確定出適宜的采空區滲透系數，見圖5,圖6.

圖4　工作面最小安全推進速度圖

圖5　工作面模擬風速與實測風速對比圖

圖6　 采空區滲透系數分布圖

3馬蘭礦采空區自燃“三帶”的劃分

根據煤礦采空區自燃仿真軟件模擬結果，劃分了18013工作面在遺煤量較大及推進較慢等極端開采條件下的采空區自燃“三帶”，見圖7.

圖7　采空區自燃“三帶”劃分圖

圖7表明過斷層時，該工作面的散熱帶與氧化升溫帶的界限在進、回風巷壁處距工作面約30 m，而中部區域的界限距工作面約20 m,氧化升溫帶與窒息帶的界限為距工作面約80 m的采空區深處。

4馬蘭礦采空區自燃防治技術

針對馬蘭礦現場情況，制定綜合防火措施：1) 加快開采速度，提高回采率。2) 工作面回采結束后，盡快砌筑永久性密閉。 3) 減小工作面遺煤量，每班安排專人清理浮煤。4) 采前卸兩幫錨桿、采后噴阻化劑。5) 必要時，對采空區實施開區注氮，注氮前后的數值模擬對比見圖8，結果表明注氮能有效抑制煤層自燃。

圖8　注氮前后的數值模擬研究對比圖

利用自主研制的油浴式煤低溫恒溫氧化實驗系統得到了馬蘭礦煤樣的低溫氧化規律，數值模擬測得該礦采空區的滲透系數分布，考慮采空區自燃隨工作面推進速度變化和受多物理場的相互作用，建立了移動坐標下的采空區自然發火多物理場耦合時空演化理論數學模型，并首次利用有限體積法，編制了采空區自然發火解算軟件，進行了采空區有無防滅火措施下的采空區多物理場分布規律的數值模擬。根據能量守恒原理提出采空區自然發火的能量遷移理論，建立了采空區能量平衡方程，推導出采空區最高溫度預判方程以及工作面最小安全推進速度計算方程，得到了馬蘭礦工作面的最小安全推進速度。根據馬蘭礦工作面生產實際，結合實驗室試驗、理論分析、現場測試和數值模擬結果，制定了馬蘭礦采空區自然發火防治措施，定量給出了技術措施參數并進行了相應的工業試驗，取得了良好的效果。

本項目的研究成果不僅節約了煤炭資源，提高了生產效率，提升了安全技術水平，而且為增加職工的工資收入和提升企業形象做出了貢獻。通過這一方案的實施，確保了工作面安全高效地生產。應用本項研究成果保證了工作面安全高效生產，截止2013年12月，馬蘭礦共計開采煤炭461萬t，累計新增利潤46 100萬元，新增稅收48 405萬元。

5結論

結合馬蘭礦現場實際，開展采空區自然發火“三帶”劃分研究，獲得采空區自然發火“三帶”的定量時空分布，為采空區防滅火措施提供了準確合理的理論指導，從而獲得最優的自然發火防止和控制措施，進而減小防滅火措施的盲目性和浪費，提高并改進現有防治技術效率，對于煤礦長遠安全生產都具有重要的現實意義，獲得了較好的經濟效益和社會效益。

Goaf Spontaneous Combustion Three Zones Distribution Rule and

Spontaneous Combustion Prevention and Control Technology

ZHANG Nengrong

Key wordsGoaf; Low temperature oxidation regular; Three zones distribution regular; Spontaneous combustion; Prevention and control