工作面動態推進下采空區煤自燃分布特征模擬*

李　品，褚廷湘，陳　興

(河南理工大學 安全科學與工程學院，河南 焦作 454003)

0　引言

在工作面的動態推進過程中，通過對不同推進距離下的采空區煤自燃分布特征進行預測預報，可為采取有效的煤自燃防治措施提供一定的參考。鑒于采空區煤自燃現場監測手段的局限性[1]，利用數值模擬軟件，展開對工作面動態推進下采空區煤自燃分布特征的模擬研究，有利于進一步完善對采空區煤自燃過程的準確預報和預防治理。

在工作面的動態推進過程中，采空區內氧氣流速、氧氣濃度和高溫區域的分布隨著推進距離的增加，處于動態的變化之中。基于采空區遺煤的冒落壓實效應，可通過碎脹系數公式描述采空區滲透率分布的變化規律[2]。在采空區滲流屬性確定的基礎上，對采空區內的連續性方程、滲流-擴散方程及傳熱方程進行聯立求解，可獲得采空區流場、氧氣濃度場和溫度場的分布規律[3-4]。朱建芳等[5-7]在移動坐標系下建立采空區煤自燃解算模型，并通過溫度模擬結果與現場實測比對，驗證了數值模型的正確性；李宗翔[8-9]利用自主開發的G3程序解算了采空區的漏風形態和溫度場分布，并給出了采空區煤自然發火期與工作面推進速度的指數關系；周佩玲[10]基于采空區孔隙率的時空非均質分布，得到了采空區溫度隨工作面推進距離的變化規律；時國慶[11]通過模擬工作面在動態回采過程中采空區漏風風流與氧氣濃度的改變，得到了采空區自燃氧化帶的分布規律；夏同強[12]模擬了工作面不同推進距離下采空區氣體濃度場與溫度場的分布，分析了不同因素對采空區煤自燃的影響效應。

通過以上分析可知，工作面動態推進過程中采空區煤自燃的分布特征，特別是工作面推進距離對采空區煤自燃分布的影響效應仍需進一步的完善補充。利用COMSOL軟件對工作面不同推進距離下的采空區滲透率、以流速和氧體積分數為指標劃分的采空區氧化帶范圍以及采空區高溫區域進行模擬，分析采空區煤自燃分布特征隨推進距離的變化規律，對于動態預防煤自燃的發生具有重要意義。

1　采空區煤自燃數值模型

1.1　煤自燃控制方程

采空區內的冒落煤巖可視為非勻質多孔介質，采空區內氣體流動形態可通過偏達西方程描述，同時，采空區氣體流動和冒落煤巖的氧化升溫過程必須遵守質量、動量和能量守恒定律。采空區煤自燃控制方程[12]為：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：p為采空區氣體流動壓力，Pa；μ為混合氣體動力粘度，Pa·s；ρ為混合氣體密度，kg/m3；k為滲透率，m2；β為非達西流因子，m-1；|v|為風流速度的模；H為冒落高度分布函數；v為多孔介質內流體流速；Qs為采空區氣體源(匯)項；n為孔隙率；ci為氣體組分i的摩爾濃度(mol/m3)；Di為氣體組分i的擴散系數(m2/s)；c為采空區混合氣體的摩爾濃度，Wi為采空區氣體的反應源項；ρe為當量密度，ρe=nρg+(1-n)ρs，ρg，ρs分別為采空區氣體及固相煤體密度，Kg/m3；ce為松散煤體的當量比熱，ce=ncg+(1-n)cs；cg，cs分別為采空區氣體及冒落煤巖的比熱，J/(kg·K)；λe為松散煤體的當量導熱系數，λe=nλg+(1-n)λs；λg，λs分別為采空區氣體和冒落煤巖的導熱系數，W/(m·K)；Q為采空區熱源項。

表1　煤自燃控制方程源項

1.2　采空區滲透率方程

在工作面動態推進的過程中，采空區上覆巖層垮落。受采空區煤柱與工作面支架的影響，采空區兩巷與近工作面端裂隙高度發育，而采空區中部及深部煤巖隨著時間推移逐漸被壓實，采空區冒落分布呈典型的“O”型圈效應。因此，采空區冒落煤巖的碎脹系數分布滿足[12]：

(5)

采空區冒落煤巖空隙率與碎脹系數的關系為：

(6)

采空區冒落煤巖滲透率與空隙率的表達式為：

(7)

式中：Dp為采空區冒落煤巖的平均顆粒直徑，m。

在完善采空區煤自燃數值模型的基礎上，根據實際的煤礦采空區工況條件，建立相似的物理模型，通過設定模型參數和邊界條件，可得到工作面推進過程中采空區滲透率的動態演變規律，在此基礎上聯立求解采空區氣體流動和傳熱傳質控制方程，得到工作面不同推進距離下采空區煤自燃分布特征。

2　采空區煤自燃模型的建立

本文所選算例為義馬礦區耿村煤礦13210工作面，傾向長180 m，煤層傾角平均5°，主采23煤層，平均厚度16 m，工作面平均回采率為0.85。工作面供風量為1 300 m3/min，推進速度為3 m/d，風阻為0.013 N·s2/m8。根據工作面的實際工況，建立工作面動態推進下的采空區物理模型如圖1所示。

圖1　工作面動態推進下采空區物理模型Fig.1　Physical model of gob under dynamic advancing of working face

在動態推進過程中，工作面為采空區內氣體滲流和遺煤氧化提供了壓力和濃度邊界條件。采空區煤自燃數值模型的邊界條件滿足[2]：

式中：R為工作面通風風阻，N·s2/m8；q為工作面供風風量，m3/min；L為工作面長度，m；p0為采空區氣體流動初始壓力，Pa；cO2為采空區氧氣濃度，mol/m3。

根據13210工作面的實際工程條件，可確定工作面長度、風阻和風量等特性參數；通過開展遺煤的煤自燃特征實驗，可確定模擬過程中遺煤的耗氧和放熱強度等特征參數。采空區煤自燃解算模型的模擬參數如表2所示。

表2　模擬參數設置

將上述煤自燃數值模型和模擬參數輸入有限元模擬軟件COMSOL，通過與MATLAB聯用實現工作面推進下采空區物理模型的動態網格剖分與煤自燃數值模型的調用求解，獲得工作面不同推進距離下采空區氧化帶范圍變化。

3　采空區煤自燃分布特征

在工作面動態推進過程中，采空區煤自燃分布特征與推進速度的關系已經得到了廣泛探討，然而相關研究卻忽略了工作面不同推進距離下采空區煤自燃分布特征。針對工作面推進不同階段下的采空區煤自燃分布特征，采取與之相適應的煤自燃防治措施，有利于高效治理采空區潛在的煤自燃災害。采空區滲透率分布決定了氧氣的滲流-擴散規律，影響了采空區氧化帶范圍變化，進一步作用于采空區遺煤的氧化放熱，最終決定了采空區溫度場的分布。因此，采空區煤自燃分布特征主要包括了滲透率分布、采空區氧化帶范圍以及高溫區域分布。

3.1　采空區滲透率分布特征

在推進過程中，由于工作面初次來壓和周期來壓的作用，采空區滲透率在工作面不同推進距離下的分布形態具有一定的差異性。工作面不同推進距離下的采空區冒落煤巖滲透率分布如圖2所示。由于工作面支架和兩巷預留煤柱的作用，采空區近工作面端和兩巷位置滲透率較大，中部及深部滲透率較小，符合“O”形圈理論。在工作面推進初期，采空區內滲透率較高的區域所占比例較大，隨著工作面推進時間的遷移和推進距離的增加，礦壓作用顯現，采空區內冒落煤巖由初始冒落狀態逐漸被壓實，滲透性也隨之降低。隨著工作面向前移動，根據相對運動原理，近工作面端的采空區滲透率相當于保持不變，而中深部采空區滲透率不斷減小。

3.2　流速劃分下采空區自燃氧化帶變化

在確定采空區滲透率的基礎上，通過漏風風速0.24～0.1 m/min的劃分指標，對采空區氧化帶變化范圍進行研究。不同工作面推進距離下通過漏風風速劃分的采空區氧化帶變化范圍如圖3所示。

以漏風風速劃分的采空區煤自燃氧化帶分布呈現階段性變化特征。由圖3可得，隨工作面推進，氧化帶與工作面前端相對距離保持不變。當工作面推進距離小于120 m時，采空區煤自燃氧化帶分布范圍不斷擴大，氧化帶所占采空區比例較高，采空區整體區域漏風強度較大；當工作面推進距離為120 m時，采空區氧化帶范圍所占比例與之前相比減小；當工作面推進距離大于120 m時，采空區的氧化帶區域逐漸穩定，隨著推進距離的增加，氧化帶范圍不再發生變化。

圖3　不同推進距離下漏風風速劃分采空區自燃氧化帶Fig.3　The oxidation zone distribution with air velocity in gob under different advancing distances

3.3　氧體積分數劃分下采空區自燃氧化帶變化

以氧體積分數10%～18%為指標劃分采空區自燃氧化帶，得到工作面不同推進距離下的采空區自燃氧化帶變化規律如圖4所示。

圖4 　不同推進距離下氧體積分數劃分采空區自燃氧化帶Fig.4　The oxidation zone distribution in gob with oxygen volume fraction under different advancing distances

當工作面推進距離為30 m時，采空區整體范圍內漏風流速較高，特別是進風側的氧氣滲流速度較大，采空區氧體積分數的變化梯度較快，因此進風側的氧化帶寬度顯然小于回風側氧化帶寬度。 隨著工作面推進距離的增加，采空區漏風阻力增大，進風側的氧化帶寬度逐漸增加，氧化深度逐漸向采空區深部延展。

當工作面推進距離大于120 m時，采空區氧化帶趨于穩定，氧化帶與工作面前端相對距離以及氧化帶深度保持不變，不再隨推進距離產生變化。采空區以氧體積分數劃分的煤自燃氧化帶具有不對稱性，進風側的氧化帶深度大于回風側。

3.3　采空區溫度分布特征

為了考察以流速和氧體積分數為指標劃分的采空區煤自燃氧化帶與采空區溫度分布的關系，對以采空區漏風流速和氧體積分數為指標劃分的氧化帶與采空區溫度分布云圖進行疊加，如圖5所示。

圖5　不同推進距離下采空區溫度與氧化帶疊加區域分布Fig.5　The superposition area distribution between temperature and oxidation zone in gob under different advancing distances

采空區煤自燃是遺煤在合適的漏風風速和氧氣濃度下發生氧化蓄熱反應，最終達到自燃溫度的過程。因此，在窒息帶雖然漏風風速滿足遺煤的蓄熱條件，但是低氧濃度抑制了煤自燃的發生；同理，在冷卻帶內高氧濃度促進了遺煤氧化放熱，但是由于漏風風速較大，熱量難以積聚，最終造成遺煤升溫速率緩慢。因此，在工作面推進過程中采空區遺煤自燃的產生，是合適的漏風風速與氧氣濃度疊加的結果。

以80℃作為采空區遺煤自燃的標志，由圖5可得，當工作面推進距離為120 m時，采空區煤自燃區域形成且位于工作面后方60～70 m位置。而以流速和氧體積分數為指標劃分的采空區煤自燃氧化帶也恰好在此處重疊。因此可以認為，采空區遺煤在工作面后方60～70 m范圍內進入自燃區域。隨著工作面推進距離的增加，氧化時間的延續和冒落煤巖的涌入，使得采空區自燃區域范圍不斷擴大，溫度逐漸上升，而高溫區域與氧化帶的重疊位置基本不變。此外，由于采空區冒落煤巖與底板的換熱效應，高溫煤體在進入采空區深部窒息區后有一定的降溫過程。因此，采空區高溫區域的傾向寬度沿開切眼方向逐漸減小，形成拖尾現象。

3.4　模擬驗證

為了驗證工作面動態推進下采空區煤自燃分布特征模擬的有效性，在實際推進過程中，距離進風巷60 m處布置有溫度測點，對采空區溫度隨工作面推進90 m距離的變化進行監測。在模擬結果中提取相同位置點的溫度變化曲線，得到了如圖6所示的實測數據與模擬結果對比。由圖6可得，工作面動態推進下采空區煤自燃分布特征模擬與現場實測的數據匹配度較高，升溫與降溫過程一致，溫度相差不大，驗證了工作面動態推進下采空區煤自燃分布特征模擬的有效性。

圖6　采空區溫度的實測與模擬比對Fig.6　Comparison of measured data and simulation of gob temperature

4　結論

1)基于COMSOL軟件實現了工作面動態推進下的采空區煤自燃分布特征模擬，得到了不同推進距離下采空區滲透率、氧化帶和溫度的分布特征。特別地，通過將采空區氧化帶與溫度場進行疊加處理，明確了采空區氧化帶與高溫區域的形成關系。

2)在動態推進過程中，采空區滲透率分布和煤自燃氧化帶范圍均呈現階段性變化特征，在工作面推進初期變化明顯，隨著推進距離的增加最終趨于穩定。

3)以漏風風速和氧體積分數為指標劃分的煤自燃氧化帶的重疊部分，通過合適的漏風速率和氧氣濃度為遺煤提供了良好的氧化蓄熱環境，因此這是采空區煤自燃的發生發展區域。

4)根據上述模擬結果，在實際的防滅火工作中，應著重加強以漏風風速和氧體積分數為指標劃分的氧化帶重疊區域的煤自燃防治措施；同時，針對工作面推進下采空區高溫區域的動態分布特征，應及時采取與之適應的煤自燃防治措施，有利于采空區煤自燃的高效治理。

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