下分層采空區(qū)瓦斯與煤自燃危險區(qū)域判定

丁仰衛(wèi)

（山東魯泰控股集團有限公司鹿洼煤礦，山東省濟寧市，272000）

鹿洼煤礦4301煤層屬自燃及含瓦斯的特厚煤層，煤層平均厚度8 m，煤層采用分層開采，首先對上分層4301（1）工作面進行開采并于2012年年初開采完畢，2016年年初對下分層4301（2）工作面開始進行掘進回采。由于4301（1）上分層開采結束已近4年，上分層采空區(qū)遺煤長時間解析氧化，對下分層開采具有極大的安全隱患，為保證下分層開采時工作面安全回采，需對下分層采空區(qū)內瓦斯及煤自燃指標氣體情況做好監(jiān)測工作。因此，為了預防工作面回采期間瓦斯與煤自燃復合災害的發(fā)生，通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場檢測相結合的方法對采空區(qū)建立了煤自燃指標氣體及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控體系，為下一步有效采取煤自燃與瓦斯防治技術措施提供了依據(jù)。

1 下分層開采采空區(qū)氣體空間運移規(guī)律模擬研究

為研究采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律［1-3］，本文根據(jù)分層開采采空區(qū)煤自燃特性及現(xiàn)場實際情況，建立了采空區(qū)遺煤耗氧模型，完善了氧氣擴散方程，并利用Fluent數(shù)值模擬軟件對采空區(qū)氧氣及瓦斯分布進行模擬［4-7］。

1.1 采空區(qū)氧氣擴散消耗及物理模型的構建

1.1.1 采空區(qū)遺煤耗氧模型

煤自燃涉及到一系列的物理化學反應，由煤氧之間的放熱反應和相關的熱量釋放所引起。煤自燃的主要影響因素包括孔隙率、煤溫以及氧氣濃度。在低溫條件下煤的氧化率對于預測煤自燃是一個至關重要的因素。采空區(qū)物理模型如圖1所示。在圖1中，假設漏風沿著y軸方向均勻地流過微元體，則氧氣消耗速率V(T)表示為：

式中：xi，xj——距x軸原點的距離，m；

yi，yj——距y軸原點的距離，m；

zi，zj——距z軸原點的距離，m；

V(T)——氧氣的消耗速度，mol/（m3·s）。

1.1.2 采空區(qū)內氧氣擴散模型

根據(jù)動力彌散理論，單位時間內氧氣物質量的變化量N由式（2）可得：

N=N1-N2+N3（2）

式中：N——位時間內氧氣物質量的變化量；

N1——滲透空氣中的氧氣流出與流入封閉曲面之差；

N2——封閉曲面內的氧氣消耗量；

N3——由濃度差異引起的彌散進出封閉曲面的氧氣之差。

對于移動坐標下的煤柱氧濃度場模型而言，其單位時間內微元控制體內的氧氣濃度和孔隙率的變化可以忽略。因此采空區(qū)內氧氣濃度擴散方程（1）可變?yōu)椋?/p>

式中：cO2——氧氣濃度，mol/m3；

kO2——氧氣的擴散系數(shù)常數(shù)；

vx，vy，vz——氧氣在x軸、y軸和z軸方向的速度，m/s；

v——氧氣在采空區(qū)內的速度，m/s。

本研究為驗證所建立的采空區(qū)內的耗氧速率和滲流擴散模型的正確性，將相關方程編寫成UDF導入到FLUENT中進行迭代計算。所建立的物理模型基于山東魯泰控股集團有限公司鹿洼煤礦4301（2）工作面構建，具體物理模型如圖1所示。

圖1 采空區(qū)物理模型

1.2 模擬結果分析

采用所建立的采空區(qū)耗氧及氧氣擴散模型對下分層采空區(qū)中所含有的氧氣及瓦斯?jié)舛瓤臻g分布特征進行模擬研究，如圖2所示，進而對采空區(qū)瓦斯與氧氣濃度實現(xiàn)可視化監(jiān)控。

圖2（a）為綜放面采空區(qū)氧氣濃度的分布范圍，軌道巷氧氣濃度的分布范圍要比運輸巷寬，這里以氧氣濃度10%～18%為氧化帶劃分標準，采空區(qū)氧化帶范圍在軌道巷一側為40～70 m，在運輸巷一側為16～31 m；由于工作面向采空區(qū)的漏風在軌道巷一側較強，風流多、能量大，使得漏風流在采空區(qū)深度方向達到更長的距離，使氧氣濃度處于較高水平；因此，在采空區(qū)軌道巷一側，隨著風量的增加，氧化帶在采空區(qū)進風側不斷增加并往采空區(qū)深處遷移。而在采空區(qū)運輸巷側氧化帶位置變化不大。圖2（b）模擬結果顯示采空區(qū)內瓦斯分布不均勻，高瓦斯?jié)舛葏^(qū)域主要集中在中后部靠近回風側的位置，濃度高達30%，采空區(qū)淺部位置瓦斯?jié)舛冉档颓业屯咚節(jié)舛葏^(qū)域面積增大，靠近進風側的位置瓦斯?jié)舛冉档托Ч鼮槊黠@；采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍谲壍老镆粋纫冗\輸巷一側更低，采空區(qū)內瓦斯?jié)舛葹?%～16%的分布區(qū)域在軌道巷一側77～131 m，在運輸巷一側20～39 m。

圖2 采空區(qū)內距離底板0.5 m處氧氣及瓦斯?jié)舛确植?/p>

2 煤自燃指標氣體及瓦斯?jié)舛缺O(jiān)控體系

2.1 監(jiān)控體系布置

為了掌握下分層開采過程中采空區(qū)煤自燃及瓦斯爆炸危險性，在巷道與采空區(qū)內布置監(jiān)測點，對采空區(qū)內的氣體成分進行檢測；采用現(xiàn)場埋管（束管采樣器），每天組織專門人員利用抽氣泵通過正壓束管檢測系統(tǒng)抽取并檢驗采空區(qū)氣樣，得出采空區(qū)內各種氣體組分濃度變化規(guī)律，監(jiān)測進回風側及采空區(qū)不同深度各種氣體濃度變化規(guī)律。

根據(jù)煤自燃“三帶”測定數(shù)據(jù)分析，其采空區(qū)煤自燃氧化大體范圍為：從回采工作面到采空區(qū)內部150 m左右的距離，為了能較為準確地檢測采空區(qū)濃度，每間隔50 m布置1個測點，在回采的整個階段，保證釆空區(qū)內部軌道巷（進風巷）和運輸巷（回風巷）各有3個測點，軌道巷標記為1#、2#、3#，運輸巷標記為4#、5#、6#，待測點進入采空區(qū)后，從軌道巷和運輸巷同時觀測，具體測點分布如圖3所示。

2.2 觀測結果與分析

對鹿洼煤礦4301（2）工作面進行了為期1個月的監(jiān)測，得出了采空區(qū)氧氣濃度隨著采空區(qū)深度的變化規(guī)律，并由此得出采空區(qū)進、回風兩側氧氣及瓦斯?jié)舛扰c采空區(qū)距離之間的關系曲線，如圖4所示。

圖3 綜放面測點布置示意圖

由圖4（a）可以看出，隨著工作面的推進，在進入采空區(qū)深度44 m之后，1#測點氧氣濃度下降到18%；當進入采空區(qū)深度71 m之后，1#測點氧氣濃度下降到10%以下；在進入采空區(qū)深度17 m之后，4#測點氧氣濃度下降到18%左右；當進入采空區(qū)32 m深度之后，4#測點氧氣濃度下降到10%左右；相比較而言，進風側漏風比回風側要嚴重，氧氣濃度降低速率相對較慢。由圖4（b）可以看出，瓦斯氣體的濃度隨著采空區(qū)的深入不斷增加，其變化趨勢在進回側和回風側也有一定的差異；在進入采空區(qū)77 m處，1#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%；進入采空區(qū)深度130 m處時，1#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?6%；在進入采空區(qū)2 m處，4#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%；進入采空區(qū)深度44 m處時，4#測點瓦斯?jié)舛仍黾又?%。同樣可以說明，進風側采空區(qū)漏風強度要大于回風側，因此瓦斯?jié)舛认陆档目臁?/p>

3 采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域的確立

由工作面采空區(qū)內遺煤自燃機理可知，散熱帶主要是由于漏風量太大，采空區(qū)不具備良好的蓄熱環(huán)境因而難以自燃；窒息帶雖然有良好的蓄熱環(huán)境，但是由于沒有充足的供氧條件，因此也不易發(fā)生自燃。所以，本文采取漏風流速和氧氣濃度雙指標的方法，進行采空區(qū)“三帶”的劃分，即將0.004 m/s的采空區(qū)漏風流速和18%的氧氣濃度作為散熱帶與氧化升溫帶邊界劃分的標準，將0.0017 m/s的采空區(qū)漏風流速和10%的氧氣濃度作為氧化升溫帶和窒息帶邊界劃分的標準。

采空區(qū)氧濃度和漏風流速數(shù)值模擬結果以（v≤0.004 m/s∪cO2≤18%）和（v≥0.0017 m/s∪cO2≥10%）雙指標所劃定的區(qū)域作為采空區(qū)的氧化升溫帶，分別取v為0.004 m/s、0.0017 m/s和cO2為18%、10%等值線，如圖5所示。

由圖5可以看出，雙指標劃分法得到的氧化升溫帶，進風側和回風側相比較而言呈現(xiàn)進風側氧化升溫帶寬、回風側氧化升溫帶窄的非均勻分布的狀態(tài)，氧化升溫帶的寬度從進風側的7～31 m減小為回風側的16～52 m，這主要是由于進風側和回風側漏風強度不同而引起氧氣濃度差異造成的。與以氧氣體積分數(shù)為10%～18%或漏風流速為0.0017～0.004 m/s單個指標相比較而言，劃分出的氧化升溫帶寬度的范圍大，從而為安全生產(chǎn)提供了更大的保障。

為了進一步研究采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域，基于束管檢測系統(tǒng)與數(shù)值模擬結果，結合雙指標法建立的氧化升溫帶，劃分出了下分層開采過程中工作面采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害大體區(qū)域。采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域的確立如圖6所示。由圖6可以看出，由雙指標劃分法得到了采空區(qū)的氧化升溫帶，但采空區(qū)除了煤自燃危險，在下分層回采過程中采空區(qū)內有瓦斯不斷涌出，在采空區(qū)積聚而形成瓦斯爆炸危險帶。為了解煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域，以數(shù)值模擬為主要手段，建立氧氣消耗和瓦斯擴散數(shù)學模型，結合上下隅角埋管檢測數(shù)據(jù)，對采空區(qū)瓦斯與煤自燃復合災害危險區(qū)域進行探測及劃分。從模擬與實測結果分析，煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域主要集中在回風側，大體位置：靠近回風側采空區(qū)20～72 m，工作面遠離回風隅角方向0～100 m的區(qū)域。該危險區(qū)域比預測得到的范圍稍微大，但為了更好地防治采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害，進而為安全生產(chǎn)提供更大的保障，這一區(qū)域應該著重進行防治。

圖4 進回風側氧氣及瓦斯?jié)舛入S采空區(qū)深度的變化曲線

圖5 基于雙指標劃分的氧化升溫帶

圖6 采空區(qū)煤自燃與瓦斯復合災害危險區(qū)域的確立

4 結論

（1）建立了采空區(qū)氧氣消耗及擴散數(shù)學模型，通過FLUENT數(shù)值模擬對下分層采空區(qū)氣體流場的空間分布特征，掌握了瓦斯氣氛下采空區(qū)遺煤自然發(fā)火規(guī)律。

（2）為了準確判定采空區(qū)危險區(qū)域的大體位置，采用建立的氧氣消耗和擴散數(shù)學模型以數(shù)值模擬為主要手段，結合上下隅角埋管檢測數(shù)據(jù)為輔，對采空區(qū)瓦斯與氧氣濃度實現(xiàn)可視化監(jiān)控，最后基于漏風風速、氧氣濃度、瓦斯?jié)舛?個參數(shù)對采空區(qū)煤自燃與瓦斯危險區(qū)域進行劃分及定位，為下一步采取煤自燃與瓦斯災害防治技術提供了指導。