工作面回撤期間煤自燃高溫區域演化規律模擬*

于志金，翟小偉，馬靈軍，董　偉，4，景巨棟，4 ，馬　騰

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.神華寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏 銀川 750002；4.神華寧夏煤業集團有限責任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750002)

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工作面回撤期間煤自燃高溫區域演化規律模擬*

于志金1，2，翟小偉1，2，馬靈軍3，董偉3，4，景巨棟3，4，馬騰1，2

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部 西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.神華寧夏煤業集團有限責任公司，寧夏 銀川 750002；4.神華寧夏煤業集團有限責任公司 羊場灣煤礦，寧夏 銀川 750002)

為掌握綜放工作面停采回撤期間由于煤氧化升溫而產生的溫度異常區域的動態演化規律，進而科學地指導防滅火措施的高效應用。以典型工作面為背景，基于煤自燃過程的耦合原理與實驗得出的數據參數，利用COMSOL軟件對采空區遺煤的氧化升溫過程進行了數值模擬。結果表明：工作面回撤時期，在漏風較為穩定的條件下，煤體持續氧化升溫采空區內的高溫區域會逐漸形成于靠近漏風源的進、回風兩側距工作面3～10 m范圍內，并隨著時間推移，溫度呈非線性升高的特征。如不采取有效的防治措施，燃燒則會在進風一側距工作面3～5 m區域內率先發生。通過現場實踐，利用模擬得出規律成功地指導了現場工作面的回撤，證明了模擬結果能夠正確地反應采空區溫度分布的變化趨勢。

耦合原理；數值模擬；采空區；燃燒；回撤

0　引　言

自燃是煤的本質屬性，而自燃的發生需要穩定的氧化蓄熱環境。工作面停采回撤時期，靜態的工作面條件導致遺煤處于持續的氧化狀態中，隨著時間推移，煤氧化產生的熱量不斷積聚致使溫度上升，如不采取有效的控制措施，極易發生煤自燃火災。在中國，各大煤炭主要產區均存在工作面回撤期間煤自然發火問題[1-2]。對此，許多研究者針對回撤期間煤自然發火的特點，應用了多種防滅火技術來確保工作面順利回收[3-4]。但防治技術實施往往滯后于煤自燃的發展狀態，造成預防工作較為被動，一旦火災發生，工作面只能被迫封閉[5]。因此，為實現對煤自燃狀態超前預測，高溫位置準確判斷。文中利用數值方法，模擬工作面回撤期間采空區內溫度隨時間的瞬態分布特征，而從能夠超前預測煤自燃高溫區域，為現場的煤自燃防治工作提供指導。

1　工程背景與模擬過程

1.1工程背景

某礦2#煤層為Ⅰ級易自燃煤層，自然發火期為23 d，著火點為305 ℃.由于綜放開采、回撤周期長等原因導致該煤層內布置的大部分工作面回撤期間遺煤自燃現象嚴重。往往回撤一段時間后，部分工作面支架后尾梁處率先出現較高濃度的CO，其位置分布極不規律且發展十分迅速，隨即很快能夠檢測出C2H4，C2H6等高溫裂解氣體，發火預兆明顯。使得工作面被迫封閉，造成了嚴重的經濟損失。

II020210綜放工作面位于2#煤層東南部，西部與II020208綜放工作面采空區相鄰，中間留設35 m煤柱，東部為原始煤層，無采掘活動。采用“U”通風方式，走向長為1 008 m，傾斜長為245 m，煤層平均厚度為9.3 m，回采時割煤高度為3.2 m，放煤高度為6.1 m，采放比為N=1∶1.9，停采回撤時期配風量為836 m3/min.

1.2模擬過程

依據II020210綜放工作面回撤期間遺煤所處的外部環境，結合煤氧化升溫過程“三傳一反(傳質、傳熱、傳功、反應)”的特點，考慮多物理場的耦合過程。借助已有研究建立的控制方程[6-7]，建立了適用于描述工作面回撤期間的遺煤自燃數值模型。經過對眾多煤自燃模型的解算發現，在求解方程中的一些重要參數(表1)和模型的邊界條件，特別是傳熱模型的邊界條件設定是影響模擬結果能否準確反映問題變化趨勢的關鍵因素。

表1　煤自燃模型求解關鍵參數

注：煤自燃過程中，上述參數多為變量，隨反應進行其值不斷變化。

以II020210綜放工作面為背景建立幾何模型，假設工作面回撤期間風量和采空區內地漏風規律保持不變。考慮采空區遺煤分布呈兩端多、中間少的特點，在模型中通過設定不均勻耗氧速率來描述遺煤的氧化升溫特征。模型中的主要求解參數來源于自然發火實驗測試數據，并結合相關文獻的計算方法得到[8-9]。依據現場環境設定的邊界條件見表2.

表2　模型的邊界條件

其中：U為速度矢量；C為氧氣濃度；T為溫度；Ta為壁面的溫度；h為換熱系數；λeq為等效導熱系數[10]。

選用基于有限元算法的多物理場耦合軟件COMSOL進行求解，由瞬態的求解方法得到工作面停采后采空區內溫度隨時間的變化特征。

2　模擬結果

2.1采空區溫度場分布

幾何模型中，右側為進風巷。采空區的初始溫度為20 ℃，通過模擬得到工作面停采后采空區溫度場分布如圖1所示。

圖1　采空區溫度場隨停采時間的分布特征Fig.1　Temperature distribution characteristics of mined-out area with stopping mining time(a) 13 d　(b) 17 d　(c) 22 d

停采后，采空區內影響煤自燃的因素保持相對穩定的狀態，煤隨時間推移不斷氧化升溫。由圖1可知，背景工作面在停采13 d后采空區內逐漸形成具有明顯溫差的區域，其中升溫區域主要集中于采空區內距工作面3～20 m范圍。由圖1(a)和圖1(b)可知，在煤的升溫過程中，沿整個工作面方向上均分布著不同程度的高溫點。但由于供氧條件相對充足，煤氧化進入加速升溫階段后，進、回風兩側溫度將會快速上升，在模擬條件下，第22天進風側最高溫度點達到166 ℃.整個采空區最高溫度點溫度隨時間變化規律如圖2所示。

圖2　最高溫度點溫度隨停采時間變化Fig.2　Temperature of the highest temperature point changing with stopping mining time

由圖2可知，采空區煤的升溫具有明顯的非線性特征，停采初期至第17天時煤溫最高點仍低于55 ℃，說明長時間的低溫氧化過程中煤的溫度升高并不明顯，但隨著熱量的不斷積聚，煤溫由55 ℃到220 ℃僅需6 d，特別是突破臨界溫度后，煤溫將迅速上升，并很快發生燃燒。上述原因導致了采空區中的煤自燃往往早期不易發覺，一旦發現高溫出現，則自燃極難控制。因此，準確掌握高溫范圍隨時間的發展規律，在早期及時的進行治理是防治煤自燃的根本思路。

2.2高溫區域的形成特點

結合圖1中采空區內主要的升溫區域，分別沿工作面方向繪制了采空區內距工作面3，5，10 m位置處的溫度隨時間變化曲線，如圖3所示。

圖3　采空區3，5，10 m處溫度隨時間變化特征Fig.3　Temperature variation characteristics with time in mined-out area 3，5，10 m deep

坐標軸左側為進風位置。由圖3可知，隨著煤溫不斷升高，相同時間下，采空區內不同深度的溫度分布差異明顯，溫度越高，溫差越大。不同時間段內采空區5 m處的煤溫明顯高于其他位置，而3和10 m處在整個升溫過程中各點的溫度差異較小。溫度未達到臨界溫度時，沿工作面方向上的各點溫度呈現整體升高的特征，并未形成明顯的高溫區。但溫度升高后，隨著煤耗氧能力的迅速加大，高溫區域將于采空區兩側3～10 m的范圍內逐漸形成，并呈現兩端高，中間低的特點。最終，燃燒大致會發生位于采空區內3～5 m深并距進風位置20～25 m處。

上述現象說明：在準備回撤時，為了防止煤自燃發生，應首先對采空區兩巷位置實施有效的堵漏風措施，減少采空區漏風。同時沿工作面方向對整個工作面實施防滅火鉆孔，其終孔位置應位于支架后3～5 m的范圍內，在靠近進、回風巷位置的重點防范區域內，應加大鉆孔布置強度，同時施工高、低位鉆孔。回撤時，依據鉆孔內氣體或溫度的監測結果，及時地采取防滅火措施，從而抑制煤自燃現象的發生。

3　現場實踐

II020210工作面回撤期間曾多次發生嚴重的CO氣體超限，上隅角和回風流中CO均達到100 ppm以上，并急劇升高，導致工作面被迫封閉。為了實現工作面成功啟封和回撤，首先，在距工作面前方20 m處施工防滅火措施巷并由措施巷向采空區方向施工鉆孔，終孔位于支架后尾梁3～5 m處。在回撤過程中，由于采用局部通風的方式向扇形帶供風，依據兩端升溫較快，特別是自燃位置與進風側具有明顯的一致性特點的模擬結論。隨著支架回撤，應依次通過措施巷鉆孔對進風位置附近實施灌注高分子膠體、水等材料抑制煤自燃。同時對其余鉆孔內檢測到高濃度的CO處灌注高分子膠體。依據上述的治理思路，II020210工作面實施啟封后直至工作面回撤完畢，上隅角和回風流中CO濃度均維持在10 ppm以下。部分出現高濃度CO鉆孔內氣體變化趨勢如圖4所示。

圖4　鉆孔內CO濃度變化Fig.4　CO concentration variation in drill(a) 100-145#支架　(b) 60-100#支架

啟封后，隨著供氧條件的恢復，煤體容易再次氧化進而發生復燃。由圖4可知，在個別位置鉆孔內出現了高濃度的CO后，針對該鉆孔實施的防滅火技術有效地抑制了煤的復燃，并且能夠確保這一區域長時間內CO氣體濃度維持穩定，說明依據模擬結果設計的終孔位置能夠有效地覆蓋煤自燃重點區域，使防滅火材料作用于正確的位置，因此效果顯著。同時，整個回撤期間，通過在進風位置附近對應的措施巷鉆孔持續地灌注防滅火材料，有效地對易自燃區域的煤體進行了包裹，成功地消除了煤自燃隱患。

4　結　論

1)煤自燃模型的正確求解關鍵在于重要參數的選取和邊界條件的設定。在模擬條件下，背景工作面在停采18 d后最高溫度突破臨界溫度，隨后溫度快速升高，第22天最高溫度達到166 ℃，整個過程煤溫呈非線性升高的特點；

2)工作面回撤期間，煤自然高溫區域主要集中于采空區兩側距工作面3～10 m范圍內，并隨著溫度的不斷上升，沿工作面方向上煤溫呈現兩端高、中間低的分布特征，最終，燃燒會率先在靠近進風側采空區內3～5 m處發生；

3)依據模擬確定的防滅火重點區域，將措施巷鉆孔的終孔位置設于采空區3～5 m范圍內，在回撤期間，通過鉆孔對進風位置附近和出現自燃隱患地點進行灌注高分子膠體和注水的方法，成功實現了工作面啟封和回撤。

References

[1]丁永祿，董偉，郝軍.工作面回撤期間封閉和注液氮防滅火技術[J]．煤炭科學技術，2013，41(2)：49-51，55．

DING Yong-lu，DONG Wei，HAO Jun.Fire prevention and control technology with sealing and liquid nitrogen injection during withdrawing period of coal mining face[J].Coal Science and Technology，2013，41(2)：49-51，55．

[2]陳跟馬，張進軍，昝軍才，等.大佛寺煤礦40104綜放工作面火區啟封安全回撤技術實踐[J]．礦業安全與環保，2012，39(4)：55-58．

CHEN Gen-ma，ZHANG Jin-jun，JI Jun-cai，et al.Practice on fire area reopening and safety retreating in 40104 fully-mechanized face of Dafosi coal mine[J].Mining Safety & Environment Protection，2012，39(4)：55-58．

[3]鮑永生.高瓦斯易燃厚煤層采空區自燃滅火與啟封技術[J]．煤炭科學技術，2013，41(1)：70-73．

BAO Yong-sheng.Fire extinguishing and unsealing technology of spontaneous combustion in goaf of high gassy and easy combusted thick seam[J].Coal Science and Technology，2013，41(1)：70-73．

[4]周立春.封閉綜放工作面啟封時期的防滅火技術[J]．中國煤炭，2011，37(9)：92-93，97.

ZHOU Li-chun.Technology of fire prevention and extinguishment on fully mechanized working face during unsealing period[J].China Coal，2011，37(9)：92-93，97.

[5]梁運濤，羅海珠.中國煤礦火災防治技術現狀與趨勢[J].煤炭學報，2008，33(2)： 126-130.

LIANG Yun-tao，LUO Hai-zhu.Current situation and development trend for coal mine fire prevention & extinguishing techniques in China[J].Journal of China Coal Society，2008，33(2)： 126-130.

[6]XIA Tong-qiang，ZHOU Fu-bao，LIU Ji-shan，et al.A fully coupled hydro-thermo-mechanical model for the spontaneous combustion of underground coal seams[J].Fuel，2014，125：106-115.

[7]朱建芳，蔡衛，秦躍平.基于移動坐標的采空區自然發火模型研究[J]．煤炭學報，2009，34(8)：1 095-1 100．

ZHU Jian-fang，CAI Wei，QIN Yue-ping.Mathematical model for spontaneous combustion in goaf in the moving coordinates[J]．Journal of China Coal Society，2009，34(8)：1 095-1 100．

[8]文虎.煤自燃過程的實驗及數值模擬研究[D]．西安：西安科技大學，2003.

WEN Hu.Study on experimental and numerical simulation of coal self-ignition process[D].Xi’an:Xi’an University of Science & Technology，2003.

[9]文虎，徐精彩.煤自燃過程的動態數學模型和數值分析[J]．北京科技大學學報，2003，25(5)： 387-390.

WEN Hu，XU Jing-cai.Dynamic mathematical model and numerical analysis of coal spontaneous combustion process[J]．Journal of University of Science and Technology Beijing，2003，25(5)： 387-390.

[10]李宗翔．自燃采空區耗氧-升溫的區域分布特征[J]．煤炭學報，2009，34(5)：667-672．

LI Zong-xiang.Study on distribution characteristic of remaining coal oxygen consumption and spontaneous combustion heating-up in goaf[J]．Journal of China Coal Society，2009，34(5)：667-672.

Evolutional law simulation of high temperature zone of coal spontaneous combustion during retreating period of mining face

YU Zhi-jin1，2，ZHAI Xiao-wei1，2，MA Ling-jun3，DONG Wei3，4，JING Ju-dong3，4，MA Teng1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；3.ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCorporationLtd，Yinchuan750002，China；4.YangchangwanMine，ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCo.,Ltd.，Yinchuan750002，China)

Grasping the evolutional law of temperature abnormal region due to the self-heating of coal during retreating period of full-mechanized mining face，is a scientific guidance for effective application of fire prevention measures.Taking the typical working face as the background，based on the coupling principle of coal spontaneous combustion and data from experiment，numerical simulation is carried out by COMSOL software.The results show that during retreating period of face，on the conditions of the stability of air leakage，coal will be oxidized with the temperature rising constantly.High temperature zone will be formed gradually on both sides of air intake and return where close to air leakage source and 3～10 m from the face in mining-out area，and with time goes，temperature rises constantly.If not to take effective measures to control，burning will first happy in the side of air intake from working face 3～5 m.The conclusions have been drawn from simulated results to guide the mining face retreat successfully，and the simulated results are validated it，which can correctly reflect the variation tendency of temperature distribution in mining-out area.

coupling principle；numerical simulation；mining-out area；burning；retreating

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0504

1672-9315(2016)05-0628-05

2016-05-20責任編輯：劉潔

國家自然科學基金青年基金(51404195)；陜西省重點科技創新團隊計劃(2012KCT-09)

于志金(1989-)，男，漢，黑龍江雙鴨山人，博士研究生，E-mail：yuzhijin0927@126.com

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