8204工作面采空區自燃特性分析

崔永青，孫 亮

(1. 山西馬堡煤業有限公司， 山西 長治 046300； 2. 煤科集團 沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122； 3. 煤礦安全技術國家重點實驗室， 遼寧 撫順 113122)

采煤工作面開采后，煤層上覆巖層將逐漸垮落壓實，但仍存在裂隙，工作面的風將漏入采空區，對采空區遺煤自然發火產生嚴重威脅。因此，準確掌握采空區流場的性質對防止遺煤自燃具有重要意義[1-2]. 科研工作者對此開展了大量的研究，錢鳴高[3]等研究得到采空區冒落壓實“O”形圈理論，對后來的研究指出了方向；李宗翔等[4]將采空區分割為4個區：不自燃Ⅱ區、不自燃Ⅰ區、自燃區和易自燃區，指出采空區遺留煤自然發火的特性。為了獲得礦井采空區自然發火防治理論，研究采空區流場成為核心問題，最近幾年來研究的主要方法是通過Fluent流體軟件[5-7]進行數值模擬，部分科研工作者通過自編軟件的針對性和靈活性進行試驗，取得了一定的研究成果[8-10]，如遼寧工程技術大學安全科學與工程學院李宗翔教授利用自編的軟件—G3程序比較準確地描述采空區自燃溫度場的性質，可以分析不同因素對自燃升溫的影響，例如采煤方法、通風方式和防滅火措施等[11-14]，成為研究采空區自然發火危險范圍的重要方法。G3程序是基于場流理論，即非均質介質—非線性滲流—多組分氣體交換—溫度場方法，是系統研究采空區自然發火的分布特點的一種有效途徑，仍需進一步完善基礎研究條件的隨機性變化。采空區不但具有垮落壓實的非均勻性，還具有煤耗氧的非均勻性，且煤耗氧是隨機變化的。

因此，根據這一現象，研究了基于垮落壓實非均勻性“O”形圈分布、煤耗氧非均勻性和隨機性的采空區流場的自然發火特點[15-16]，以更加接近采空區自然發火分布特征的真實情況。

1 采空區煤氧化反應方程

所謂非均質冒落采空區主要指一個非線性滲流場，這個場由包層流、紊流和過渡流3種流體構成[8]，在場內采空區遺煤發生氧化耗氧及自燃升溫，研究此場主要用到下列方程組：

(1)

(2)

(3)

式中，k為滲透系數張量，m2/(Pa·s)；p為風壓，Pa；為Hamilton算子；V為風流滲流速度，m/s；‖V‖是V的模；n為空隙度；b為與k同單位的識別參數；δ1為考慮冒落介質調和粒徑、顆粒形狀系數和空氣運動黏性系數的特征參數，根據文獻[8]，可取δ1=1 438.36 m-1s；c(O2)為氧濃度，mol/m3；τ為時間變量；V是式(1)解出的滲流速度，V=n·v(其中v是真實速度)；D是氧氣彌散系數張量[7]，m2/s；c為空氣的摩爾密度；Wg是瓦斯組分涌出稀釋強度，這里忽略；H1為遺煤堆積層厚度；γ0是煤耗氧速度常數(待定系數)，mol/(m3·s)；b0為實驗常數[9]，b0=0.023 5 ℃-1；t為采空區多孔介質表征溫度，℃；λe為有效熱傳導系數，W/(m·℃)；CS、Cg分別為多孔骨架、空隙氣體的體積當量熱容，J/(m3·℃)；h為對流換熱系數，W/(m2·℃)；Tf為風流溫度，℃；QS為自燃放熱項；b1為煤耗氧化學反應放熱值，J/mol.

2 計算“O”型冒落的條件

伴隨著工作面的不斷開采，上覆巖層逐漸破斷垮落，采空區覆巖垮落從穩定狀態變化為不穩定狀態，再到穩定狀態，在工作面采空區周圍保護煤柱的支撐下，垮落整體演變成基本頂和上覆關鍵巖層的O-X型破斷。伴隨著工作面的推進和周期來壓的到來，采空區中部的覆巖裂隙和垮落下來的巖石幾乎都已壓實，但在采空區周圍保護煤柱側離層裂隙和冒落裂隙得到良好的保留，進而圍繞采空區周圍發育成相互連通的裂隙網絡，也就是采場“O”型圈，作為主要通道為采空區漏風滲流提供了便利。根據這一現象以及工作面在開采時，存在動態變化和冒落壓實的隨機性，得到采空區冒落分布“O”形圈，見圖1b).

圖1 采空區計算區域與冒落非均質性模型圖

以山西馬堡煤業有限公司8204工作面采空區流場條件為例，工作面長度80 m，計算幾何模型見圖1.圖中Q為工作面風量；qL、q′L分別為工作面向采空區漏入、漏回風量；qCH4為沿縱深邊界瓦斯平移涌出風量。

采空區壓實分布以“O”型圈模型的計算表達式如下：

KP(x,y)=KP,min+(KP,max-KP,min)e-a1d1(1-e-ξ1·a0d0)(ξ1<1)

(4)

式中，ξ1是控制“O”型圈模型分布形態的調整系數。取a1=0.036 8、al=0.268、ξ1=0.233時的KP(x,y)分布顯示結果見圖1b). 經過現場觀測，工作面風量Q=426.8 m3/min(每米風阻0.009 4 N s2/m8)，漏入風量qL=34.2 m3/min；冒落壓實按負指數規律變化，衰減率為0.037 6，推定b=0.58，則k=0.001 702～0.048 3 m2/(Pa·s)，qCH4=1.8 m3/min.

采用有限元法求解進行數值計算，使用李宗翔教授編制的G3程序開展數值模擬計算[7]，需在MATLAB環境下運行；模型選用雙流層模型，底部是遺煤耗氧層，上部是非耗氧的巖層裂隙。計算結果見圖2，流線間流量差值為2 m3/min，風壓等值線差值為2 Pa.

圖2 采空區場條件及風流規律的模擬結果圖

在8204工作面借助束管監測系統對采空區氣體成分開展現場實測，通過回歸分析擬合獲得γ0=1.472×10-5mol/(m2·s)；起始溫度為17 ℃. 規程中工作面的推進度是2.4 m/d，為了便于研究，采用可能發生的最大自燃情況進行計算，同時在實際生產中工作面會發生配采或機械故障停產，因此推進度取平均數為1.2 m/d；模擬得到場流區域氣體濃度—溫度分布結果，見圖3，4，5，6，得出了不同模擬條件下的表征溫度升溫過程。

3 采空區漏風滲流、遺煤耗氧與升溫變化的模擬

均勻耗氧場未采取任何防火措施(不注氮)的模擬結果見圖3，由圖3可知，工作面回采后發生“O”型垮落巖體結構明顯大于幾何完全垮落的孔隙，采空區漏風面積相對擴大。通過分析圖2a)和圖3c)發現，煤氧化升溫地帶位于采空區冒落壓實范圍的邊界處，產生局部效應，主要處于偏向漏風風流上風側進風方向(此位置氧氣足夠)。因為風流經過采空區遺留煤時發生“沿程耗氧”效應，采空區氧濃度的分布不平均，在進風區域比回風區域高，在工作面回風隅角周圍雙流層模型的氧氣濃度局部開始增大。

圖3 采空區自然發火的模擬結果圖

影響采空區遺煤自然發火的因素主要有煤自身性質和外力因素，其中外力因素主要通過改變采場環境、實施采空區防滅火安全技術手段。總結起來主要是通過惰化和阻化的手段達到采空區防滅火的效果，惰化技術主要為通過降低氧氣濃度達到防滅火效果，比如向采空區注入氮氣、CO2氣體等，而阻化技術為通過隔絕遺煤與氧氣達到防滅火效果，比如向采空區噴灑阻化劑、注水和灌漿等。堵漏和封閉技術兼有兩種防滅火技術的特點，比如向采空區注入三相泡沫、凝膠等。由于采空區遺煤厚度不均勻、漏風浮動變化導致供氧不穩定、噴灑阻化劑和注水灌漿等阻化效果差異大，使得采空區發生非均勻耗氧。而現場實際生產過程中影響采空區內遺煤非均勻耗氧的隨機原因很多，耗氧不均勻現象經常發生，均勻耗氧現象是人為假設的理想化情況。

依據工作面采空區現場條件計算實際耗氧隨機非均勻性的模擬結果見圖4，耗氧隨機情況在0.1～1.1倍上下浮動變化，上限值表示采空區采取阻化措施后完全沒有作用；下限值表示采取以上綜合阻化措施后阻化效果的充分體現，假設非均勻耗氧隨機變化通過有限元剖分單元作為定值，并以0～1的隨機量來計算。

模擬獲得溫度變化見圖4. 由圖4可知，溫度呈現非均勻分布變化，模擬結果與采空區發生自然發火的實際情況相符合，采空區自然發火最先在某一角落開始引燃，如果未能采取有效措施控制火勢，將會逐步蔓延最終產生局部火區。同時還發現盡管采空區局部耗氧在變化，但采取阻化措施后控制住了采空區耗氧能力，明顯減弱整體的耗氧能力，證明溫度開始下降；分析圖3d)和圖4d)發現，采取阻化措施后采空區自然發火有毒有害氣體CO的分布范圍明顯收縮；但是采取阻化措施后，仍然不能扭轉采空區自燃，這一現象正好和現場實際情況比較符合(即采取噴灑阻化劑和灌漿一般很難完全控制采空區自燃)。發現采空區流場的蓄熱與漏風供氧聚集部位(即在采空區進風隅角的冒落壓實邊界區域)是采空區自然發火的高溫區域，之后再分析耗氧隨機變化的不均勻影響因素。

圖4 阻化后耗氧不均勻情況下的模擬結果圖

注入氮氣惰化采空區的模擬結果見圖5，對比分析發現向采空區注入氮氣后，可以大面積的惰化采空區，采空區轉變為供氧不充足自燃減弱的形式，自燃升溫很難保持下去，采空區溫度逐漸減小最終保持平穩，更有可能滅火降溫。由圖6得到采空區在升溫時，如果噴灑阻化劑同時配合注氮氣，則可確保自燃升溫的可能性完全消除，體現出綜合防滅火手段的優點這一理論研究結果。

圖5 實施惰化(注氮氣10 m3/min)情況下的模擬結果圖

圖6 實施措施后采空區升溫與CO涌出量的對比圖

4 結 論

1) “O”形圈特征的采空區自然發火情況與采場簡單的幾何裂隙分布有很大的差異，但是二者所遵照的場流規律基本一致。采空區發生火災的地點主要位于靠近壓實的采空區邊緣，自然發火重點地帶主要是在采空區進風隅角附近，冷卻帶位于工作面周圍的垮落紊流范圍。采空區上覆巖層越穩定，所形成的“O”形圈特點就越明顯，自然發火高溫地帶的重心分布特征越收縮于采空區的中心。

2) 現場采空區的實際情況很繁雜，每個因素都是非均勻的和隨機變化的，其中耗氧是非均勻性的(阻化劑噴灑非均衡條件)，所以基于非均勻流場的數值模擬結果(采空區溫度場和自然發火演變過程)更具合理性；耗氧分布的非均勻性也反映了采空區自然發火的爆發特點。

3) 以上研究對現場實際生產中判定采空區高溫地帶和開展防滅火工作具有重要意義，在防治采空區自然發火時，重點處理區域應是采空區高氧濃度分布地帶，實施滅火時要擴展至采空區深部的低氧濃度區域。