采空區埋管抽采下自燃“三帶”分布規律研究

李 鋒，羅伙根，王 超

（1.國家能源集團 神東技術研究院，陜西 神木 719300；2.中國神華神東煤炭集團 保德煤礦，山西 忻州 036600；3.安徽理工大學 能源與安全學院，安徽 淮南 232001）

煤炭自燃是礦井生產過程中主要自然災害之一，分析煤炭自燃事故案例，結合國內外學者的技術與理論研究，發現采空區、破碎煤柱、斷層等位置是井下煤自然發火的主要地點，特別是采空區遺煤自燃尤為嚴重，準確劃分采空區自燃“三帶”對防滅火有重要作用。在防治采空區瓦斯災害時，埋管抽采是常用方法之一，但在抽采瓦斯過程中，勢必會造成采空區漏風嚴重，影響采空區自燃“三帶”分布，從而導致遺煤自燃。因此，針對高瓦斯易自燃煤層開展采空區埋管抽采對自然“三帶”分布規律的影響研究，對預防采空區遺煤自燃，防止瓦斯爆炸具有十分重要意義［1-2］。

以保德煤礦81307 綜放工作面為研究對象，通過現場實測和數值模擬相結合的手段，研究采空區埋管抽采瓦斯條件下自燃“三帶”分布規律，從而為礦方合理確定各種防滅火工藝的具體參數提供依據，能有效指導工作面的安全生產，減少煤自燃事故的發生。

1 礦井概況

神華神東保德煤礦位于山西省忻州市保德縣境內，礦井總面積為 55.9 km2，南北縱向長 14 km，東西橫向長約 5.7 km。規劃煤炭地質儲量 12.5 億 t，可采儲量 8.2 億 t，服務年限為 64.6 年。2017 年，核定生產能力為500 萬t/a。礦區內含煤地層主要為二疊系-石炭系，共含煤10 層，其中8、10、11 號煤層全區可采，13 號部分區域為可采煤層，礦區其余煤層條件受限，均不可采。2017 年對 8 號煤層自燃傾向性進行了等級鑒定，8 號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，煤吸氧量為0.66 cm3/g，屬于自燃煤層。2017 年礦井瓦斯等級鑒定結果：礦井絕對瓦斯涌出量為100.66 m3/min，相對瓦斯涌出量為 12.38 m3/min，屬高瓦斯礦井。

81307 綜放工作面東鄰81306 綜放工作面（已回采完畢），北為二號主、輔運大巷，南鄰礦井邊界，以西為未開發實體煤。工作面設計可采長度為2 470 m，傾向長240 m，平均煤厚7.3 m，屬厚煤層，回采煤量為 518.7 萬 t。

2 自燃“三帶”劃分依據

煤炭發生自燃的 3 個條件：一是煤層本身具有可燃屬性，同時呈破碎狀態堆積；二是連續通風供氧條件；三是燃燒環境，必須能夠保持熱量不易擴散，能夠蓄熱。在有煤自燃傾向性的煤層開采過程中，工作面漏風給采空區遺煤提供合適的通風供氧條件，漏風速度大小和遺煤堆積狀態決定了煤氧化蓄熱的環境，而氧氣濃度大小則決定了煤氧化自燃能力[3-7]。因此，根據供氧濃度可以將采空區劃分出自燃“三帶”，分別為散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。以氧氣濃度在采空區內分布情況，對采空區自燃“三帶”進行劃分：散熱帶，氧氣濃度＞18%；氧化升溫帶，18%≥氧氣濃度≥8%；窒息帶，氧氣濃度＜8%。

3 數值模擬

3.1 數值模型的建立

81307 綜放工作面采用偏 Y 型通風方式，其中一號回風巷和運輸巷進風，運輸巷靠近切眼處的聯巷回風。為了治理采空區瓦斯，采用采空區埋管抽采方式（布置間距100 m，抽采負壓為32 kPa，抽采流量為600 m3/min），工作面布置方式如圖1。

圖1 工作面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of working face

根據81307 綜放工作面進、回風巷以及瓦斯抽采巷道布置的特點，并結合煤層特征及現場實測數據。煤層平均厚度7.3 m，垮落帶高度可達3～5 倍。進風巷高 3.4 m，寬 5.0 m；回風巷高 3.6 m，寬 5.2 m。建立采空區三維物理模型：綜放工作面長度240 m，采空區垮落高度取30 m，深度取500 m，距離工作面500 m 處與采空區兩側及頂部一致，按照壁面處理，設為漏風邊界；采空區回風側瓦斯抽采采用的是800 mm 瓦斯管，具體幾何模型參數見表1。

表1 幾何模型參數Table 1 Geometric model parameters

因此，采空區垮落帶，斷裂帶和工作面兩道之間的松散煤巖體是采空區內部滲流去。采空區內不同區域由于塌陷，浮煤和垮落的巖石等壓實程度不同，造成不同區域的孔隙率不同。根據經驗，由工作面向采空區深部延伸，孔隙率逐漸變小。忽略其他因素的耦合影響，針對聯巷埋管抽采瓦斯條件下，研究采空區內部自燃“三帶”的分布規律。建立的采空區幾何模型如圖2，并對其進行網格劃分，由于抽采管尺寸較小，需要對局部網格進行加密處理（圖3）。

3.2 數值模擬結果

利用ANSYS FLUENT 軟件，對埋管抽采條件下采空區內氧氣濃度分布規律進行數值模擬（圖4）。

由圖4 可以看出，在埋管抽采條件下，工作面附近氧氣濃度為20%～21%。隨著深入距離不斷增大，氧氣濃度逐漸下降。當深入采空區一定距離后，氧氣濃度下降趨勢減緩，濃度變化不大。這是由于工作面向采空區深部方向上壓實程度逐漸增大，孔隙率逐漸減小，氧氣濃度逐漸降低的緣故[8-11]。對模擬結果進行量化處理，當一號回風巷側深入采空區175 m 時，氧氣濃度下降至18%，深入采空區330 m時，氧氣濃度下降至8%；運輸巷側深入采空區120 m 時，氧氣濃度下降至18%，深入采空區255 m 時，氧氣濃度下降至8%。由此得出，一號回風巷側氧化帶范圍為175～330 m，運輸巷側氧化帶范圍為120～255 m，運輸巷側氧化帶寬度略大于一號回風巷側。這是由于運輸巷側存在瓦斯抽采管，受瓦斯抽采的影響，運輸巷側氧氣濃度較高。因此，瓦斯抽采對采空區風流流動影響比較嚴重，如果遺煤條件和漏風條件滿足自燃要求，瓦斯抽采口附近就容易發生自然發火。

圖2 81307 工作面采空區物理模型Fig.2 Physical model of goaf in 81307 working face

圖3 81307 工作面網格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing in 81307 working face

圖4 采空區氧濃度分布圖Fig.4 O2 concentration distribution in the goaf

4 現場實測與分析

4.1 實測方案

為了研究采空區埋管抽采條件下自燃“三帶”的分布規律，在81307 綜放工作面運輸巷布置氣體和溫度監測點，在監測點鋪設束管和安裝溫度傳感器，實時監測采空區氣體和溫度變化情況，測點布置如圖5。

圖5 81307 工作面采空區自燃“三帶”測點布置圖Fig.5 Arrangement of measurement points of three spontaneous combustion zones in goaf of 81307 working face

當監測點進入采空區后，每天取氣樣送實驗室分析，并記錄采空區溫度。當監測點所采集的氧氣濃度低于8%時，可停止觀測。通過現場實測，得到的采空區氧氣濃度和溫度隨進入采空區深度變化曲線如圖6 和圖7。

圖6 采空區氧氣濃度隨推進距離變化曲線Fig.6 Variation curve of O2 concentration in goaf with advancing distance

4.2 氧氣劃分“三帶”

由圖6 可以看出，在有采空區埋管抽采條件下，81307 綜放工作面運輸巷側漏風量較大，氧氣濃度在工作面推進約30 m 時才出現下降趨勢，推進至110 m 時，O2濃度降至 18%，250 m 時降至 10%，265 m時降至 8%。根據自燃“三帶”劃分標準［12-13］，81307 綜放工作面運輸巷側氧化帶范圍為110～265 m。

圖7 CO 濃度隨推進距離曲線Fig.7 Variation curve of CO concentration in goaf with advancing distance

4.3 一氧化碳劃分“三帶”

從圖7 可以看出，在工作面推進過程中出現一氧化碳濃度的峰值，最高可達8×10-6。回風側由于漏風的聚集，通風供氧條件好，氧氣濃度較高，煤的氧化較為強烈，使CO 的濃度較高。測點在距工作面110 m 處時，一氧化碳濃度開始逐漸增大，呈直線上升趨勢，說明遺煤進入了加速氧化階段；在170 m達到了濃度峰值，之后逐漸下降，超過260 m 以后CO濃度逐漸趨于正常。這一測試結果說明：在距工作面110 ～260 m 范圍內，采空區內部有明顯的煤炭氧化現象發生，結果與采空區氧氣濃度分布規律一致。

4.4 溫度劃分“三帶”

測點溫度隨推進距離變化曲線如圖8。由圖8可以看出，81307 綜放工作面初始溫度為25 ℃，隨測點埋深增加，采空區溫度逐漸上升。這是因為采空區遺煤在氧氣作用下發生氧化，放出熱量[14]，溫度升高。當推進至110 m 時溫升曲線斜率急劇增大，溫度迅速上升，最高達43.5 ℃，預計進入加速升溫階段。推進至260 m 時出現較為明顯的降溫，這是由于隨著工作面的推進，深部區域氧氣濃度降低，遺煤氧化速率變慢[15]，放熱量大于產熱量，表明此時進入窒息帶。對比驗證溫度變化規律與采空區氧氣、一氧化碳分布規律，可以判定結果具有一致性。

通過現場實測，81307 綜放工作面在采空區埋管抽采條件下自燃“三帶”分布情況見表2。綜合數值模擬和現場實測的研究結果[16-18]，得出81307 綜放工作面采空區在埋管抽采條件下自燃“三帶”分布規律為一號回風巷側 0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運輸巷側0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于265 m 為窒息帶。

圖8 測點溫度隨推進距離變化曲線Fig.8 Variation curve of temperature of measuring point with advancing distance

表2 實測81307 工作面埋管抽采條件下采空區“三帶”Table 2 Three zones of goaf under the condition of buried pipe extraction in 81307 working face

5 結 論

1）采用FLUENT 軟件對81307 綜放工作面采空區埋管抽采條件下自燃“三帶”分布規律進行數值模擬，得出一號回風巷側0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運輸巷側0～120 m 為散熱帶，120～255 m 為氧化帶，大于 255 m 為窒息帶。

2）采用氣體濃度法和熱電偶測溫法分別對自燃“三帶”進行現場測定，氣體濃度法測定結果為0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于265 m為窒息帶；熱電偶測溫法測定結果為0～110 m 為散熱帶，110～260 m 為氧化帶，大于260 m 為窒息帶，兩者實測結果基本一致。

3）綜合數值模擬和現場實測的研究結果，得出一號回風巷側 0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運輸巷側0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于 265 m 為窒息帶。