偏“W”型通風(fēng)工作面采空區(qū)自燃三帶分布規(guī)律研究

趙志軍

（山西壽陽段王煤業(yè)集團(tuán)有限公司，山西 晉中 045400）

1 引言

采礦爆炸、火災(zāi)等事故是影響煤礦企業(yè)發(fā)展的主要災(zāi)害之一，這些災(zāi)害主要發(fā)生在采空區(qū)周圍，對煤炭回采工作造成了嚴(yán)重影響。造成礦井爆炸、火災(zāi)的主要原因是回采工作面采空區(qū)的自燃三帶分布情況，一些煤礦企業(yè)在沒有明確自燃三帶分布規(guī)律的情況下，貿(mào)然下井開采，進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故。

2 采空區(qū)自燃三帶簡述

2.1 散熱帶

在開展采空區(qū)回采工作時，由于回采工作面不斷向前推進(jìn)，采空區(qū)的頂板等結(jié)構(gòu)出現(xiàn)松垮的情況，在工作面區(qū)域形成了冒落區(qū)。同時由于頂板松垮，大量空氣涌入工作面，導(dǎo)致回采區(qū)域的浮煤出現(xiàn)氧化反應(yīng)，釋放出一定的熱量。不過由于該區(qū)域漏風(fēng)氣流較大，浮煤經(jīng)氧化散發(fā)出的熱量在短時間內(nèi)就被氣流帶走，熱量無法聚集，因此不會出現(xiàn)浮煤自燃的情況。這一區(qū)域就是自燃三帶中的散熱帶，也可稱為冷卻帶。

2.2 氧化帶

隨著采煤工作的推進(jìn)，之前產(chǎn)生的冒落區(qū)會逐漸被壓實(shí)，這時工作面內(nèi)的漏風(fēng)氣流也會逐漸減弱，但氣流內(nèi)所含的氧氣濃度會逐漸上升[1]。隨著漏風(fēng)氣流強(qiáng)度不斷減弱和其內(nèi)部的氧氣濃度不斷上升，導(dǎo)致浮煤氧化反應(yīng)越來越強(qiáng)烈，同時微弱的漏風(fēng)氣流已經(jīng)無法帶走浮煤氧化散發(fā)的熱量，進(jìn)而催化了浮煤氧化反應(yīng)。由于浮煤氧化反應(yīng)不斷加劇，此時工作面內(nèi)的溫度急劇升高，并可能出現(xiàn)明火燃燒的情況，這一區(qū)域就是自燃三帶中的氧化帶。

2.3 窒息帶

待采煤工作通過氧化帶之后，繼續(xù)向前推進(jìn)，冒落區(qū)已經(jīng)被完全壓實(shí)，此時采煤工作面的漏風(fēng)情況基本消失，工作面內(nèi)只殘存著少量的漏風(fēng)氣流，同時這些氣流經(jīng)過氧化帶之后，其氧氣含量也大大減少，雖然工作面由于浮煤氧化產(chǎn)生了較高的溫度，但由于缺少氧氣，浮煤的氧化反應(yīng)已經(jīng)無法繼續(xù)，這一區(qū)域就是自燃三帶中的窒息帶[2]。

3 采空區(qū)自燃三帶的劃分依據(jù)

在劃分采空區(qū)自燃三帶時，主要的劃分依據(jù)就是檢測采空區(qū)工作面各區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度是否滿足浮煤氧化反應(yīng)的需求。具體劃分時，需要找到工作面內(nèi)氧氣濃度的臨界值，即滿足浮煤氧化的氧氣濃度的最低值，如果該區(qū)域內(nèi)的氧氣濃度高于這個臨界值，該區(qū)域內(nèi)就可順利進(jìn)行浮煤氧化反應(yīng)，因此該區(qū)域仍處于氧化帶的范圍。而該區(qū)域的氧氣濃度低于臨界值時，浮煤氧化反應(yīng)得不到充足的氧氣供應(yīng)，那么該區(qū)域就處于散熱帶或窒息帶之間。所以，研究自燃三帶分布規(guī)律的主要研究對象和劃分依據(jù)就是采空區(qū)工作面的氧氣濃度。

4 工作面采空區(qū)數(shù)值模擬分析

數(shù)值模型建立。由于回采工作面采用的是偏“W”型通風(fēng)方式，這就使得采空區(qū)自燃三帶的劃分工作變得更加復(fù)雜。可利用國際上應(yīng)用最為廣泛的CFD軟件，對回采工作面采空區(qū)的相關(guān)數(shù)值進(jìn)模擬計(jì)算，煤礦采空區(qū)工作面的通風(fēng)方式如圖1所示。結(jié)合其實(shí)際通風(fēng)情況，和表1所示的實(shí)際模型參數(shù)，可對采空區(qū)自燃三帶的分布情況及規(guī)律進(jìn)行模擬。

圖1 工作面通風(fēng)方式示意圖

表1 采空區(qū)模型基本參數(shù)

一些煤礦工作面采空區(qū)內(nèi)可能存在嚴(yán)重的瓦斯涌入和浮煤耗氧情況，利用CFD軟件進(jìn)行模擬時，可分別假設(shè)在均勻涌出和非均質(zhì)耗氧情況下對上述兩種問題進(jìn)行模擬，結(jié)合建立模型所需的實(shí)際數(shù)據(jù)，以采空區(qū)氧氣濃度作為劃分標(biāo)準(zhǔn)，對采空區(qū)自燃三帶的分布情況和規(guī)律進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果如圖2所示。

由圖2可以看出，靠近運(yùn)輸巷側(cè)的采空區(qū)氧氣濃度明顯高于軌道巷一側(cè)，采空區(qū)氧氣濃度(8%～14%)的分布為：遺留軌道巷側(cè)約30m處，氧氣濃度約為0.17，并且向采空區(qū)深部逐漸減小，到100m處氧氣濃度約為0.025；遺留皮帶巷側(cè)約100m處，氧氣濃度約為0.17，這主要取決于采空區(qū)瓦斯涌出對氧的驅(qū)替擠占及煤的耗氧作用。

圖2 采空區(qū)自燃“三帶”劃分

5 工作面采空區(qū)氧濃度觀測

5.1 工作面觀測方法

根據(jù)煤礦采空區(qū)工作面的實(shí)際情況，可采用上下兩幫埋管的方法對采空區(qū)氣體成分和溫度等主要參數(shù)進(jìn)測定。首先沿采空區(qū)幫壁在工作面上下兩順的軌道巷和皮帶巷兩幫設(shè)定兩個監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)安裝溫度傳感器和氣體采樣裝置。工作面觀測工作要與采煤工作同時進(jìn)行，隨著采煤工作面的推進(jìn)，需要每天對工作面的氧氣含量和溫度進(jìn)行測定，當(dāng)相關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)異常時，需要通過氣泵將采空區(qū)的空氣樣本收集到氣囊中，送至地面進(jìn)行氣相色譜分析，進(jìn)而確定當(dāng)前工作面內(nèi)的空氣溫度與空氣中的 O2、CO、CO2、CH4、C2H2等重碳?xì)錃怏w的濃度變化規(guī)律。

5.2 工作面采空區(qū)氧濃度觀測結(jié)果分析

經(jīng)過對采空區(qū)工作面氧氣含量和溫度進(jìn)行觀測，將采空區(qū)各氣體觀測數(shù)據(jù)的測定結(jié)果進(jìn)行圖形化處理，得到距離工作面各位置采空區(qū)的氣體分布，將采空區(qū)觀測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)作圖對比分析，對比結(jié)果與模擬結(jié)果基本一致。

6 結(jié)語

對煤礦采空區(qū)的自燃三帶進(jìn)行科學(xué)、精準(zhǔn)的劃分是預(yù)防采空區(qū)自燃、爆炸的主要措施。在對采空區(qū)自燃三帶進(jìn)行劃分之前，首先要對該工作面的浮煤厚度和氧氣濃度進(jìn)行檢測，綜合考慮引起煤炭自燃的主要因素，通過把采空區(qū)的浮煤厚度分布范圍與工作面空間內(nèi)的氧氣濃度場相疊加，明確該工作面自燃三帶的分布規(guī)律，進(jìn)而提前做好防自燃措施，確保采煤工作安全、順利進(jìn)行。