綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

李 偉，強奮勇，楊程帆，權(quán)巖萍

(1.陜西省榆林市大梁灣煤礦有限公司，陜西 榆林 719000；2.西安天河礦業(yè)科技有限責任公司，陜西 西安 710054；3.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054)

0 引言

在工作面回采過程中，采空區(qū)遺煤與氧氣結(jié)合發(fā)生反應(yīng)后，特別容易發(fā)生自燃，而采空區(qū)遺煤自燃主要發(fā)生在氧化升溫帶。為了確保采空區(qū)遺煤不出現(xiàn)自燃危險，需要劃分出散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶，即采空區(qū)遺煤自燃“三帶”。因此，確定自燃“三帶”的分布范圍對礦井工作面采空區(qū)煤自燃防控至關(guān)重要。

國內(nèi)各大煤礦和科研學者在這方面做了大量的工作。李宗翔等[1]提出以采空區(qū)漏風流場與濃度場確定自燃“三帶”。徐精彩等[2]研究出采空區(qū)煤炭自燃的定量標準，例如自然發(fā)火最小浮煤厚度、最低氧氣百分比等。金永飛等[3]以束管觀測的方式，通過CFD軟件模擬研究采空區(qū)注氮工作參數(shù)變化時的煤自燃區(qū)域變化情況，從而讓注氮治理煤自燃災(zāi)害更加科學。文虎等[4]通過現(xiàn)場測量氧濃度變化和數(shù)值模擬相結(jié)合的辦法進行驗證，更加準確地分析了煤層分層前后采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域的變化情況。尚秀廷等[5]借助FLUENT軟件，模擬研究了采空區(qū)氧氣濃度分布和對多孔介質(zhì)的滲流速度。李鋒等[6]應(yīng)用數(shù)值模擬的方法研究了煤自燃“三帶”的分布，得到的模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測結(jié)果相一致。焦庚新等[7]研究隨著工作面推進時氧氣濃度變化規(guī)律，運用束管監(jiān)測系統(tǒng)測量的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果基本吻合。孫珍平[8]研究了均壓工作面在均壓前后采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律。王月紅等[9]通過現(xiàn)場實際情況與數(shù)值模擬不同注氮工藝參數(shù)條件下的采空區(qū)溫度場和氧濃度場的變化規(guī)律相結(jié)合，以此確定采空區(qū)注氮防滅火最佳工藝參數(shù)。曹鏡清等[10]通過對現(xiàn)場進行實測，得出CO、O2等氣體濃度等數(shù)據(jù)，利用數(shù)值擬合升溫速率，最終達到能夠判定采空區(qū)自然發(fā)火的危險區(qū)域。李宗翔等[11]針對偏“W”型通風方式，運用數(shù)值軟件對采空區(qū)壓力場、速度場等進行模擬，得出工作面兩端壓差和漏風規(guī)律及采空區(qū)瓦斯和氧氣濃度分布規(guī)律與現(xiàn)場實測結(jié)果相接近。

為確定大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍，通過對大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)進行現(xiàn)場觀測，將得到的自燃“三帶”結(jié)果與數(shù)值模擬相互驗證。確保自燃三帶劃分的準確性，對大梁灣煤礦30103綜采工作面的安全回采與采空區(qū)遺煤自燃的預(yù)先防控具有實際的指導意義和價值。

1 工作面概況

30103綜采工作面位于大梁灣礦井西翼301盤區(qū)，西為回采過的30102綜采工作面，東為備采30104綜采工作面，南為“三巷式”布置的開拓巷道，即西翼輔助運輸大巷、帶式輸送機大巷及回風大巷，北為有40 m煤柱相隔離的常興煤礦。30103綜采工作面寬度為275.32 m，可采長度為1 850 m，平均煤厚5.1 m，面積508 986.84 m2，采用走向長壁式采煤法，全部垮落法管理頂板。采煤機雙向割煤，循環(huán)進尺0.8 m，采高3.4～7.2 m，雙向割煤，端頭斜切進刀，進刀長度不小于66 m，截深0.8 m。

2 采空區(qū)“三帶”現(xiàn)場觀測

2.1 測點布置

現(xiàn)場采用在進回風巷道布置束管的方式，觀測采空區(qū)氧氣濃度分布情況。選擇大約距工作面300 m左右作為大梁灣煤礦“三帶”束管測定范圍，在進回風巷道各間隔50 m左右設(shè)定一個測點，每側(cè)設(shè)置3個測點，總共6個測點。基本保證進回風巷道束管能夠同時進入采空區(qū)開始觀測。觀測到氧氣濃度低于8%以下時方可結(jié)束。

2.2 工作面推進情況

在觀測期間，30103綜采工作面的推進速度平均保持在9.52 m/d，推進速度最大可達12.75 m/d，偶爾因生產(chǎn)等原因，推進速度會放慢至4.65 m/d。采空區(qū)內(nèi)遺煤與氧氣的反應(yīng)時間直接受推進速度的影響。當工作面推進速度的加快時，有利于防治采空區(qū)遺煤自燃，從而消除采空區(qū)遺煤自燃隱患。因此在條件允許的情況下，工作面需保持穩(wěn)定的推進速度，進而減少采空區(qū)遺煤與氧氣的反應(yīng)時間，達到預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃的目的。

2.3 采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律

選取1#和4#束管觀測數(shù)據(jù)，利用Origin分別作出進、回風側(cè)采空區(qū)內(nèi)部距工作面不同距離各點的氧氣濃度變化趨勢圖，如圖1、2所示。

圖1 進風側(cè)采空區(qū)氧氣濃度隨埋深變化趨勢Fig.1 Variation trend of oxygen concentration with buried depth in goaf on the air inlet side

通過分析圖1和圖2得知，30103綜采工作面采空區(qū)進風側(cè)1#測點在距離工作面104 m的位置，氧氣體積分數(shù)下降到18%左右。隨著工作面的繼續(xù)不斷向前推進，進風側(cè)采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度雖然出現(xiàn)波動，但總體上呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，在距離工作面276 m的位置，氧氣體積分數(shù)減小到10%左右。此時，氧氣濃度下降速度比較快，且速率比較穩(wěn)定，按照此規(guī)律，進風側(cè)在距工作面310 m的位置，氧氣體積分數(shù)基本可以降至8%左右。而在回風側(cè)4#測點距工作面與進風側(cè)相同距離，氧氣濃度相對而言低很多，基本在距工作面60 m的位置，氧氣體積分數(shù)已經(jīng)下降到18%甚至以下，而當繼續(xù)深入到采空區(qū)235 m的位置時，氧氣體積分數(shù)就已降至8%以下。在采空區(qū)中部，從進風側(cè)向回風側(cè)，氧氣濃度分布情況從整體上來看，呈現(xiàn)出遞減的趨勢。而在兩側(cè)束管進入采空區(qū)同一深度，進風側(cè)氧氣濃度普遍比回風側(cè)大。

圖2 回風側(cè)采空區(qū)氧氣濃度隨埋深變化趨勢Fig.2 Variation trend of oxygen concentration with buried depth in goaf on the return air side

因此，根據(jù)現(xiàn)場觀測得到的數(shù)據(jù)可以確定30103工作面采空區(qū)散熱帶的分布范圍為回風側(cè)距工作面0～60 m，進風側(cè)距工作面0～104 m。在回風側(cè)，窒息帶深度相對進風側(cè)而言較淺，位于235 m左右，在進風側(cè)窒息帶的深度相對較深，位于310 m左右，采空區(qū)“三帶”劃分見表1。

表1 采空區(qū)“三帶”劃分Table 1 “Three zones” division of goaf

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

3.1 采空區(qū)漏風規(guī)律控制方程

工作面開采過后，頂板巖層會相繼垮落。因此采空區(qū)內(nèi)充滿了垮落下來的塊狀破碎巖石，還存在遺留在采空區(qū)內(nèi)部的松散煤體，這些破碎巖體及松散煤體之間的裂隙在采空區(qū)內(nèi)分布極為豐富，根據(jù)這些特征基本允許將松散煤體和巖體均視為均勻的多孔介質(zhì)，僅需在模擬時設(shè)置不同的滲流參數(shù)作為區(qū)分即可。在滲流模型中，漏風強度僅考慮平均意義下的，也就是通過單位面積松散煤體的漏風量[12]。在設(shè)定的計算區(qū)域內(nèi)，流體的密度保持不變，空氣滲流應(yīng)當符合達西定律。常溫常壓下松散煤體對空氣的吸附與脫附維持在平衡狀態(tài)，遺煤與氧氣發(fā)生反應(yīng)，互相消耗，同時產(chǎn)生與消耗量同等質(zhì)量的氣體，故而空氣的總質(zhì)量是不會產(chǎn)生任何變化的。根據(jù)菲克定律，空氣中各組分擴散是從濃度最高處向最低處進行的[13-14]。因為煤自燃是一個非常緩慢的過程，所以工作面在正常推進時，可以將采空區(qū)的滲流、擴散及化學反應(yīng)考慮成一個穩(wěn)態(tài)過程。因此采空區(qū)溫度基本可以認為保持不變[15]，于是得出控制方程，見式(1)

(1)

3.2 數(shù)學建模及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)30103綜采工作面實際情況，建立工作面采空區(qū)三維模型，設(shè)置采空區(qū)深度為400 m，工作面傾向長度為275.32 m，浮煤厚度取0.51 m，浮煤上為29.49 m厚的巖石。坐標原點定在回風巷道最左側(cè)，工作面推進方向反方向的指向為x軸正方向，工作面走向方向的指向為y軸正方向，向上為z軸正方向。計算區(qū)域劃分網(wǎng)格為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，浮煤中網(wǎng)格在x,y,z3個方向上步長為0.5 m，巖石中步長為0.5～4 m，共劃分網(wǎng)格3 118 605個。三維模型及網(wǎng)格劃分如圖3～5所示。

圖3 采空區(qū)三維模型Fig.3 3D model of goaf

圖4 三維模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Meshing of 3D model

圖5 三維模型網(wǎng)格劃分局部放大Fig.5 Partial enlargement of mesh division of 3D model

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

利用Fluent建立的模型進行模擬，得到了大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)氧氣濃度分布，如圖6～8所示。

圖6 距底板0.5 m氧氣濃度平滑分布Fig.6 Smooth distribution of oxygen concentration at 0.5 m from floor

圖7 距底板0.5 m氧氣濃度條紋分布Fig.7 Stripe distribution of oxygen concentration at 0.5 m from floor

圖8 采空區(qū)氧氣濃度立體分布Fig.8 Stereoscopic distribution of oxygen concentration in goaf

由圖6～8可知，大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)在進風側(cè)距工作面121 m處氧氣體積分數(shù)為18%，在308 m處為8%；同樣在回風側(cè)氧氣濃度分別是43 m和227 m處。數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際測量結(jié)果基本吻合，綜合現(xiàn)場測量及模擬所得結(jié)果，為較為順利地消除30103綜采工作面采空區(qū)煤自燃隱患，應(yīng)當擴大采空區(qū)危險區(qū)域監(jiān)測范圍。因此可以確定，大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)內(nèi)部氧化升溫帶在距工作面進風側(cè)104～310 m、回風側(cè)43～235 m處，在此范圍內(nèi)煤自燃風險較高。

4 工作面安全推進速度

根據(jù)自燃“三帶”分布規(guī)律，30103綜采工作面氧化升溫帶寬度最大值出現(xiàn)在工作面進風一側(cè)，其氧化升溫帶的距離Lmax=206 m。30103采空區(qū)遺煤最短自然發(fā)火期τmin=51 d，計算得工作面安全推進速度為

(2)

式中，vmin為工作面安全推進度，m/d；k為安全系數(shù)，取1.2；τmin為煤層最短自然發(fā)火期，取51 d。

因此，當采煤工作面的推進速度大于4.84 m/d時，正常條件下，采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火危險性較小；而當工作面推進速度連續(xù)51 d小于4.84 m/d時，期間必須加強監(jiān)測，并相應(yīng)的采取堵漏風及防滅火措施。

5 結(jié)論

(1)得到了30103工作面采空區(qū)煤自燃“三帶”范圍為散熱帶(進風側(cè)<104 m，回風側(cè)<43 m)、氧化升溫帶(進風側(cè)104～310 m，回風側(cè)43～235 m)、窒息帶(進風側(cè)>310 m，回風側(cè)>235 m)。

(2)確定了大梁灣煤礦30103綜采工作面安全推進速度為4.84 m/d。

(3)大梁灣煤礦30103綜采工作面采空區(qū)“三帶”數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測范圍結(jié)果相吻合，結(jié)合2種方法相互輔證，提高了“三帶”劃分結(jié)果的可靠性。