瓦斯抽采條件下綜采面采空區自燃三帶數值模擬研究

許楊

摘 要：采空區漏風引起的采空區遺煤自燃是煤礦的一大主要災害，嚴重影響和制約井下安全生產及人員健康。本文采用流體力學模擬軟件fluent對斜溝礦18103工作面采空區漏風進行了數值模擬，結合該工作面實際開采條件，反演得到采空區平均顆粒粒徑，并對工作面采空區自燃“三帶”分布進行分析，并提出有效的放漏風治理措施。

關鍵詞：采空區漏風;數值模擬;采空區平均顆粒粒徑;自燃“三帶”

0 前言

綜采工作面采空區瓦斯抽采及漏風治理是保證礦井安全生產的重要通風技術手段之一，采空區在瓦斯抽采負壓情況下會增加遺煤自燃的危險，影響礦井的安全生產。為此，研究瓦斯抽采條件下綜采工作面采空區煤自燃三帶的模擬研究非常重要。受采空區的影響，在煤炭開采時不得不面臨很大的安全隱患。隨著礦山機械化水平的快速發展，效率高、成本低且效益好的綜合機械化采煤工藝逐漸普及。與此同時，推進速度快所產生大量采空區也增加了工作面的安全隱患。經過研究分析，因采空區存在疏松多孔的特點，風流可在采空區內流動（圖1），再加上采空區內有遺煤存在，導致因采空區漏風造成的的采空區遺煤自燃災害時有發生，對礦井工作面安全回采和職工安全造成嚴重威脅，開展對采空區漏風及煤自燃危險區域的數值模擬研究，可保證礦井的安全生產。

采空區遺煤的自燃嚴重影響到安全生產的順利進行，遺煤自燃必須具有充足的氧氣，因此根據采空區漏風規律進行采空區的防治是最為有效的方法[1]。為研究采空區漏風規律，本文采用專業的流體力學模擬軟件Fluent對斜溝礦18103工作面采空區漏風流場進行了數值模擬，結合該工作面實際開采條件，對工作面采空區自燃“三帶”分布進行分析，以便制定相應措施減少事故發生和生命財產損失。

1 采空區平均顆粒粒徑模擬研究

1.1 模擬方案

根據礦井實際條件進行數值模擬研究，為了模擬計算結果的準確性，對18103工作面內顆粒直徑進行測量計算，作為數值模擬的基礎，以此得到模擬的最佳模型。模擬將采空區平均粒徑作為變量（0.05m，0.2m，0.4m）建立3個模型進行模擬，采空區不同平均粒徑模擬結果中與實測數據最為接近的模擬數據所對應的即采空區平均顆粒粒徑。

1.2 模擬結果及分析

在采空區模型的建立下，通過分析不同粒徑下采空區壓力場的分布研究采空區漏風規律，以z=2m和y=265m兩個平面為例進行展示，采空區不同平均粒徑下流場分布如圖2所示。

根據圖2可得到如下規律：①隨采空區平均粒徑的不同，采空區內壓力分布也有較大變化，但工作面壓力分布變化不大，相同X位置壓力隨著接近回風巷而越小;②采空區平均顆粒粒徑與采空區的壓力值成反比例關系，平均顆粒粒徑越小則采空區內壓力值越大;③高抽巷抽采負壓值受18103工作面采空區顆粒粒徑的影響，發生變化成反比例關系，當采空區的顆粒徑越小時抽采負壓值越大。

通過建立數值模擬，得出18103工作面不同粒徑下的抽采負壓，現場實測值和模擬得到的抽采負壓對比分析，得到模擬最佳采空區平均粒徑取值。隨著平均粒徑取值變化，高抽巷負壓有明顯不同。采空區平均顆粒粒徑與通風阻力成反比例關系，當采空區顆粒直徑、顆粒間的滲透孔隙值較小時，大密度的顆粒使得工作面通風阻力增大，因此造成通風負壓增加。當顆粒密度從0.05m增加到0.5m時，通風阻力減小，從65708Pa下降到-6568Pa。通過模擬得出，當顆粒直徑為0.1m時，工作面實際負壓值與模擬負壓值相近。

2 采空區自燃“三帶”分布分析

采空區遺煤根據區域可以劃分為散熱帶、氧化自燃帶和窒息帶三個區域，根據不同區域煤通風狀況的差異進行改進是保證18103工作面高效回采的基礎。

窒息帶內風流速度最小，一般不具備煤體自燃的條件，散熱帶內雖然有充足的氧氣但是較大風流的作用下，煤體氧化散發的熱量會被風流帶走，很難達到煤體燃燒的溫度值，因此也煤體自燃傾向性較小。自燃帶內的煤體有充足的氧氣，在煤體氧化過程中，熱能不斷積聚，最終會發生自燃現象，因此，自燃區內煤體自燃是最危險的。

在大量學者對工作面采空區漏風防治的研究基礎上，根據礦井工作面實際的通風速率、氧氣濃度以及溫度值等作為劃分采空區的自燃“三帶”的指標。本文結合《煤炭自燃理論與防治實踐》規程，以采空區漏風風速0.00083～0.0017m/s為自燃帶的判定標準，采空區漏風風速小于0.00083m/s為窒息帶，大于0.0017m/s為散熱帶。采空區氧氣濃度分布圖如圖3所示。

圖3中，紅色區域為散熱帶，綠色區域為自燃危險區域，藍色區域為室息帶。由此可得，散熱帶分布在工作面附近，窒息帶分布在采空區深部及中部。而自燃危險區域也即自燃帶位于采空區進風側走向25～95m和回風側走向15～120m范圍內，屬于重點監測治理區域。

3 防漏風措施

針對模擬所得工作面采空區漏風情況與自燃危險區域分布，提出如下防漏風措施：①通過風壓的調節改變風流速度，從而降低降低漏風源和漏風匯二者間的壓力差值，減少煤體自燃的所需的氧氣;②通過設置防漏風擋風墻增大漏風風路的風阻來減小采空區漏風最大處的漏風量;③通風的調節需滿足工作面的安全生產，因此，在通風調節的過程中，降低溫度、瓦斯濃度的同時需保證工作面的合理供風量;④為了充分減少采空區漏風現象，通過高水材料進行裂隙的填充，達到減少漏風量的目的。

4 結論

本文通過采用流體力學模擬軟件Fluent對斜溝礦18103工作面采空區漏風流場進行了數值模擬，主要得到以下結論：①礦井采空區內冒落壓實的發生與工作面的地質條件、巷道圍巖受力特征有關，根據現場實測和數值模擬結果，得到當顆粒直徑為0.1m時，工作面實際負壓值與模擬負壓值相近;②根據極限風速法將采空區自燃分為散熱帶、氧化自燃帶和窒息帶三個區域，在采空區進風側25～95m和回風側15～120是煤體自燃的危險區域;③根據斜溝礦18103工作面實際通風狀況，從通風方法和防滅火技術方面對采空區煤體自燃進行了有效防治，保障了工作面的順利回采。

參考文獻：

[1]楊子祥，劉玉斌.星村煤礦深井綜放開采綜合防滅火研究[J].煤炭科技，2014（3）：11-14.

[2]李崇茂，李永元，王海文.特厚煤層綜放工作面自燃危險區域分布規律研究[J].煤礦安全，2013，044（009）：34-37.