古山煤礦易自燃傾斜煤層綜放面防滅火措施數(shù)值模擬*

畢 波，陳 鵬，安士凱，李 翠，徐燕飛

(1.煤礦生態(tài)環(huán)境保護(hù)國家工程實驗室，安徽 淮南 232001；2.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，北京 101601)

0 引言

礦井火災(zāi)是威脅煤礦安全生產(chǎn)的主要災(zāi)害之一，由采空區(qū)自然發(fā)火而引發(fā)的瓦斯爆炸更是威脅煤礦職工生命安全的主要元兇。在自然發(fā)火隱患的礦井，火災(zāi)防治工作是礦井安全生產(chǎn)的第一要務(wù)。近年來隨著礦井開采年限的增長、井下采空區(qū)的增多，以前不存在火災(zāi)隱患的礦井也出現(xiàn)了發(fā)火征兆,使未來采空區(qū)火災(zāi)的防治變得尤為重要。文中通過向采空區(qū)埋設(shè)束管化驗氣體成分，確定采空區(qū)“自燃帶”邊界；通過數(shù)值模擬，計算采空區(qū)滲流場、氧濃度分布，分析采空區(qū)的自燃“三帶”[1]；并研究向采空區(qū)注氮、在上下隅角筑擋風(fēng)墻、不放煤等防滅火措施對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，從而更好地指導(dǎo)防滅火工作。

古山煤礦地表標(biāo)高+576～+600 m，煤層厚度14 m、煤層最大傾角為44°，屬易自燃傾斜煤層。工作面采用走向長壁后退式采煤、支撐掩護(hù)式低位放頂煤技術(shù)。煤層內(nèi)含有發(fā)火期為15天的絲煤，在工作面的上部還有小煤窯火區(qū)和上分層火區(qū)。礦井的火災(zāi)防治工作十分復(fù)雜，嚴(yán)重影響煤礦的正常生產(chǎn)。

1 模擬模型與實測結(jié)果

1.1 采空區(qū)滲流與擴(kuò)散模型

數(shù)值模擬模型為古山煤礦工作面。工作面進(jìn)風(fēng)量642 m3/min，巷道氧氣濃度為20.8%、氮?dú)鉂舛葹?9%。工作面風(fēng)流流動是紊流，非均質(zhì)采空區(qū)是由紊流、層流和過渡流形成的非線性滲流場。對大面積的冒落采空區(qū)，可采用達(dá)西定律進(jìn)行滲流耦合計算。采空區(qū)的氣體濃度分布服從Fick定律擴(kuò)散[1]。

1.2 現(xiàn)場實測結(jié)果

采空區(qū)防火根據(jù)漏風(fēng)風(fēng)速、氧氣濃度、遺煤厚度劃分為3個區(qū)域“散熱帶”、“自燃帶”、“窒息帶”?！吧釒А币话阏J(rèn)為采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速>0.16 m/s時，風(fēng)流可以把煤層自燃產(chǎn)生的熱量及時帶走，熱量不能持續(xù)蓄積煤就不會發(fā)生自燃現(xiàn)象。“自燃帶”采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速<0.16 m/s時，風(fēng)流不能把煤層自燃產(chǎn)生的熱量帶走。一定厚度的遺煤、持續(xù)的氧氣供應(yīng)，煤體經(jīng)過長時間的熱量積聚最終會導(dǎo)致采空區(qū)自燃?！爸舷А碧幱诓煽諈^(qū)漏風(fēng)風(fēng)速較小的區(qū)域，風(fēng)流內(nèi)氧氣濃度<8%時，風(fēng)流不能為煤體自燃提供足夠的氧氣供應(yīng)最終會發(fā)生窒息。即使煤體已經(jīng)發(fā)生自燃，也會因缺少足夠的氧氣而進(jìn)入“窒息帶”缺氧而窒息[1，3]。

通過向采空區(qū)埋束管取氣，經(jīng)化驗分析數(shù)據(jù)得出采空區(qū)氧氣濃度分布，從而判定采空區(qū)自燃“三帶”。圖1為采空區(qū)兩測點的氧氣濃度測試值，1號點距下幫煤壁45 m，從47 m處開始進(jìn)入窒息帶；2號點距下幫煤壁75 m，從25 m處開始進(jìn)入窒息帶。

圖1 實測采空區(qū)氧氣濃度分布圖

2 數(shù)值模擬

2.1 采空區(qū)“三帶”模擬

根據(jù)現(xiàn)場工作條件，對采空區(qū)的自燃“三帶”進(jìn)行了模擬。工作面進(jìn)風(fēng)量642 m3/min，采空區(qū)注氮流量320 m3/h、濃度在97%以上，注氮位置處于采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)向內(nèi)20 m的位置。圖2為注氮采空區(qū)“三帶”分布圖，顯示氧氣濃度從8%～18%的等值線和漏風(fēng)風(fēng)速為0.016 m/s的等值線。由于工作面采用放頂煤，采空區(qū)遺煤均>自燃最小堆積厚度。因此漏風(fēng)風(fēng)速<0.016 m/s且氧氣濃度>8%的區(qū)域為“自燃帶”；漏風(fēng)風(fēng)速>0.016 m/s的區(qū)域為散熱帶；氧氣濃度<8%的區(qū)域為窒息帶。模擬結(jié)果如下：采空區(qū)“自燃帶”寬度為42 m，距下幫煤壁45 m，采空區(qū)從46 m處進(jìn)入窒息帶；距下幫煤壁75 m，采空區(qū)從23 m處進(jìn)入窒息帶。模擬結(jié)果基本與現(xiàn)場實測1號、2號測點相符，見表1。

表1 現(xiàn)場實測進(jìn)入窒息帶與模擬進(jìn)入窒息帶的位置對比表

圖2 注氮采空區(qū)“三帶”分布圖

2.2 筑擋風(fēng)墻的數(shù)值模擬

在工作面上下隅角筑擋風(fēng)墻減少采空區(qū)的漏風(fēng)是最常用的防滅火措施。但對如何影響采空區(qū)的“三帶”問題研究較少。為更好地指導(dǎo)防滅火工作，對筑擋風(fēng)墻后采空區(qū)“三帶”變化進(jìn)行數(shù)值模擬。圖3、圖4為“三帶”隨著擋風(fēng)墻位置變化的模擬結(jié)果。工作面保持進(jìn)風(fēng)量、注氮量不變，在上下隅角分別筑2 m×1.5 m×2.6 m擋風(fēng)墻。“自燃帶”寬度隨擋風(fēng)墻位置變化的模擬結(jié)果見表2。由表2可看出上隅角擋風(fēng)墻對于工作面的防火工作只在初期有效果。隨著擋風(fēng)墻的進(jìn)入工作面采空區(qū)對自然帶的影響在急速下降。當(dāng)擋風(fēng)墻進(jìn)入采空區(qū)4 m時就已經(jīng)失去了作用。所以擋風(fēng)墻必須要連續(xù)構(gòu)筑。

表2 上隅角擋風(fēng)墻對“自燃帶”寬度的影響表

a-埋進(jìn)采空區(qū)1 m位置；b-埋進(jìn)采空區(qū)3 m位置圖3 上隅角擋風(fēng)墻對自燃帶的影響

a-埋進(jìn)采空區(qū)1 m；b-埋進(jìn)采空區(qū)3 m圖4 下隅角擋風(fēng)墻對自燃帶的影響

埋進(jìn)距離/m開始位置/m結(jié)束位置/m“自燃帶”寬/m上隅角1 m03838下隅角1 m03434上隅角3 m54944下隅角3 m54136

表3為上下隅角擋風(fēng)墻對“自燃帶”寬度的影響對比表。可看出在擋風(fēng)墻規(guī)格相同的情況下，在下隅角筑擋墻的自燃帶寬度要小于上隅角。且下隅角對采空區(qū)自然帶的影響時間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于上隅角。

2.3 不放頂煤的數(shù)值模擬

由于古山煤礦工作面防火條件復(fù)雜，在回采過程中可能出現(xiàn)需要加快工作面推進(jìn)速度而不能放頂煤的情況。不放頂煤在采空區(qū)形成煤柱可以減小采空區(qū)的漏風(fēng)率，有利于防火。為研究采空區(qū)不放頂煤對“自燃帶”的影響，對保持工作面的進(jìn)風(fēng)量、注氮量不變，有10 m不放煤的情況下進(jìn)行數(shù)值模擬。研究結(jié)果如圖5所示。當(dāng)10 m的煤柱進(jìn)入采空區(qū)10 m、30 m、50 m、70 m時，對采空區(qū)的“三帶”的影響。可以看出在不放頂煤的情況下，采空區(qū)滲透系數(shù)減小，導(dǎo)致“自燃帶”范圍減小。尤其是當(dāng)煤柱進(jìn)入采空區(qū)30 m時“自燃帶”的范圍達(dá)到最小值。

a-煤柱埋進(jìn)10 m；b-煤柱埋進(jìn)30 m；c-煤柱埋進(jìn)50 m；d-煤柱埋進(jìn)70 m圖5 不放煤對采空區(qū)“自燃帶”的影響

“自燃帶”寬度隨采空區(qū)煤柱埋進(jìn)位置的變化見表4。由表4可知不放煤采空區(qū)“自燃帶”寬度的影響成階段性變化。第一個階段是采空區(qū)的“自燃帶”隨煤柱被埋進(jìn)采空區(qū)距離增加而減小。當(dāng)煤柱被埋進(jìn)到30 m后，采空區(qū)的“自燃帶”寬度達(dá)到最小值。第二個階段是采空區(qū)“自燃帶”隨著煤柱被埋進(jìn)采空區(qū)距離增加而增加。當(dāng)煤柱被埋進(jìn)采空區(qū)70 m后對采空區(qū)“自燃帶”長度的作用減小為零。

表4 “自燃帶”寬度隨采空區(qū)煤柱埋進(jìn)位置的變化表

3 結(jié)論

(1)在風(fēng)量為642 m3/min且注氮量為320 m3/h時，采空區(qū)“自燃帶”寬度為42 m。

(2)上下隅角擋風(fēng)墻對于工作面的防火工作只在初期有效果。隨著擋風(fēng)墻的進(jìn)入工作面采空區(qū)對自燃帶的影響在急速下降。當(dāng)擋風(fēng)墻進(jìn)入采空區(qū)4 m時就已經(jīng)失去了作用。所以擋風(fēng)墻必須要連續(xù)構(gòu)筑。

(3)所筑擋風(fēng)墻規(guī)格相同的情況下，在下隅角筑擋風(fēng)墻的效果要比在上隅角的情況好一些。

(4)不放煤采空區(qū)“自燃帶”寬度的影響成階段性變化。當(dāng)煤柱被埋進(jìn)到30 m時，采空區(qū)的“自燃帶”寬度達(dá)到最小值。當(dāng)煤柱被埋進(jìn)采空區(qū)70 m以后對采空區(qū)“自燃帶”長度的作用減小為零。