高家堡煤礦自燃“三帶”分布與注氮參數優化

楊 建，劉浩東，崗戰偉

(陜西正通煤業有限責任公司，陜西 咸陽 713699)

0 引言

掌握采空區自燃“三帶”分布規律是制定有效防滅火措施、開展防滅火工作的基礎[1-3]。目前常用的采空區“三帶”分布觀測方法主要是在采空區布設埋管抽氣，通過檢測氣體成分確定“三帶”范圍[4-6]。但由于采空區中部存在埋管工藝復雜、矸石垮落沖擊破壞力大、獲取氣體濃度準確度較低等不利因素，往往僅在進風側和回風側分別布設埋管確定進、回風側的“三帶”分布，采空區中部的“三帶”則根據經驗劃定[7-10]。隨著流場理論被應用于采空區流場，數值模擬成為研究采空區氣體體積分數分布的一種有效手段。研究表明，在采空區內都是連續分布函數，將其設定為常數或用分段函數代替，并不完全符合實際[11-14]。

以高家堡煤礦204工作面為研究對象，建立三維模型，通過UDF編制連續分布函數，加載入模型，研究綜采面采空區自燃“三帶”分布與注氮參數，以期為高家堡煤礦和其他具有相似條件的礦井采取采空區自燃防治措施提供參考。

1 采空區現場監測系統參數采集

1.1 采空區束管監測系統測點布置

采用埋管抽氣法觀測采空區氣體濃度分布，測定范圍大約距工作面200 m，每間隔50 m設一個測點，保持采空區內部進風側、回風側及中部區域各3個測點，各測點同時進行觀測。待氧氣體積分數低于5%以下，即可結束觀測。在204工作面運輸順槽、回風順槽和工作面后方共布置5路監測管路，每條管路間隔50 m設置一個監測點，如圖1所示。每個監測點都安設束管裝置、氣樣采集裝置。隨著工作面的推進，傳感器和束管都將埋入采空區。通過每天傳感器的讀數和束管檢測系統的氣體分析數據，掌握采空區內氧氣和一氧化碳及其他氣體成分的變化情況，進而得出采空區內的氣體濃度變化規律。

圖1 204采空區溫度及氣體濃度測點布置Fig.1 Layout of temperature and gas concentration measuring points in goaf 204

各測點在不取氣時用塑料密封好，放置在隱蔽地點，加以保護。由于將測點與礦井束管監測系統相連操作過于繁雜，所以需要利用便攜式抽氣泵進行人工采樣分析。每天組織專人用球膽(氣囊)在各測點取氣，送至地面色譜站采用氣相色譜分析法測定。束管在鋪設過程中使用3英寸鋼管作為保護套管，以防被冒落的巖石壓壞。為了便于區分不同的測點，束管抽氣口處作出辨認標記，束管直徑為8 mm，束管端頭應使用過濾式探頭。每根束管負責一個測點的氣樣，為防擠壓，兩順槽處敷設的管路需要盡量貼近煤壁，探頭固定在煤壁下方，防止采煤過程中探頭被砸。引線從3英寸的鋼管內拉出。在鋪設過程中還應注意每個測點的探頭都應在引出的過程中標示清楚其具體測點號；此外，在鋪設探頭的過程中，所有的管路應緊貼煤體以減少垮落壓斷的可能性。

1.2 氧氣濃度分布

根據204工作面地質構造及巷道布置的特點，按照方案總共布置了15個觀測點。在觀測的過程中，由于采空區深度的加大，采空區內部礦壓也隨之增大。根據觀測數據，采空區內不同位置氧氣濃度及溫度分布如圖2、3所示。

圖2 采空區內氧氣濃度分布Fig.2 Oxygen concentration distribution in the goaf

圖3 采空區內溫度分布Fig.3 Temperature distribution in the goaf

隨著工作面的推進，采空區深度的增加，采空區內的氧氣濃度整體呈下降趨勢。在回風側采空區58 m左右的深度氧氣體積分數下降到了14%，之后氧濃度下降速度明顯加快，可見采空區浮煤的氧化較為嚴重。在進風側氧氣的濃度下降比回風側慢，在距工作面82 m的范圍內氧氣濃度一直保持在較高的水平，氧氣體積分數降低到14%左右，這是由于進風側風壓差較大，造成漏風很大，另外由于束管鋪設在靠近巷幫的地方，此處由于煤柱及巷道支護錨桿與錨網的共同作用，在很長的一段距離內頂板無法垮落，造成“三角”漏風區域的存在，同時由于臨近巷道側的采空區頂板垮落不嚴實孔隙率較大。

2 采空區氧化“三帶”分布范圍模擬

2.1 FLUENT模型的建立

根據高家堡煤礦204工作面基本參數，建立簡化后的綜放采空區三維網格模型。在Solidworks軟件中根據實際尺寸建立三維模型，工作面寬度10 m，進風巷、回風巷長10 m，橫截面5 m×5 m，采空區26 m×220 m×200 m(高×長×寬)。根據后期模擬計算需求選擇ICEM-CFD軟件進行結構六面體網格劃分，建立三維網格模型如圖4所示。網格劃分質量的好壞將直接影響到后期FLUENT數值模擬結果的精度和收斂速度，對模型進行網格劃分后，網格質量為1，達到FLUENT軟件求解計算要求。

圖4 工作面3D模型Fig.4 3D model of working face

作面進風巷道口定義為速度入口inlet，邊界條件類型為velocity-inlet，回風巷道出口定義為自由出口(outflow)，工作面與采空區之間的2個面，設置為內部交界面(interior)，在ICEM-CFD中設置整個三維模型為流體區域(fluid)。設置完成后，初始化計算條件，進行數值模擬迭代計算。

2.2 模擬結果及分析

采空區內部氧氣濃度分布如圖5所示。受風流運移的影響，采空區整體氧氣濃度回風側明顯小于進風側，同時沿工作面推進方向看，采空區中部和深部氧氣濃度在逐漸降低。采空區靠近進風側氧氣的滲流范圍相對于采空區中部以及回風側更加明顯，氧化帶最大深度達135 m。由于空氣經過沿途耗氧以及動量損失回到回風側，氧氣濃度明顯降低。回風側氧氣濃度隨著向采空區深部的不斷延伸，呈現不斷衰減的趨勢，較高濃度的氧氣帶在進風巷和回風巷呈現非等距分布，按氧氣濃度8%～18%為氧化帶、大于18%為散熱帶、小于8%為窒息帶的“三帶”劃分標準，明顯可以看出進風側氧化帶范圍大于回風側氧化帶范圍，從工作面方向看從進風側到回風側，氧化帶寬度呈現逐漸減小的變化。

圖5 采空區氧氣濃度分布Fig.5 Oxygen concentration distribution in goaf

由圖4、5中數據可得到散熱帶的范圍位于工作面后方0～34 m左右，同時顯然采空區進風巷一側散熱帶寬度大于回風巷，工作面進風巷一側散熱帶最大深度達到34 m，而回風巷散熱帶最大寬度僅為工作面后方20 m。

根據采空區氧濃度場數值模擬結果可以看出，204工作面采空區散熱帶的分布范圍在采空區內距離工作面0～34 m以內，在采空區進風側處由于漏風相對較大，散熱帶范圍相對較深，回風側由于遺煤的氧氣消耗，散熱帶較淺。窒息帶在距離工作面100～135 m以上的采空區深部。

3 不同注氮口位置對采空區自燃“三帶”模擬結果及分析

3.1 注氮口位置對采空區自燃“三帶”模擬

為了確定合理的注氮氣位置，分析不同注氮位置對于注氮效果的影響，故選取4個不同的注氮口位置，X值代表注氮口距離工作面的距離。由于氮氣壓注管路埋深超過50 m后有極大概率會被遺煤壓碎破壞，因此注氮氣管路埋深最大設置為60 m，即模擬注氮口分別位于工作面后方30 m、40 m、50 m、60 m。注氮管路位置模型如圖6所示。

圖6 注氮口不同位置模型示意Fig.6 Different positions model of the inert injection port

為了模擬取得較好的效果，從而選取出合理的注氮位置，設定注氮流量為600 m3/h，通過改變注氮口位置參數，進行多組模擬，結合自燃“三帶”的變化分析注氮效果，確定最佳注氮口位置。不同注氮口采空區自燃“三帶”數值模擬結果如圖7所示。

圖7 采空區內氧氣濃度分布示意Fig.7 Oxygen concentration distribution in the goaf

通過數值模擬結果可知，注氮后采空區流場發生了明顯的變化，氮氣注入采空區后，能夠有效地驅替采空區內部的氧氣，同時增大了采空區內部的壓強，從而減少工作面內部與采空區風流的壓強差，有效地抑制了工作面風流向采空區后方漏風的情況。

3.2 注氮效果與氧化帶深的關系

工作面未注氮前進風巷一側散熱帶的最大延伸深度達到了工作面后方33 m，因此當注氮位置位于工作面進風巷一側后方30 m時，注氮明顯對散熱帶的范圍造成一定的影響，在靠近注氮口位置處出現了散熱帶、氧化升溫帶、窒息帶在此匯集的現象，并且采空區后方氧化帶范圍出現明顯下降，說明在此位置注氮起到了一定的防滅火效果。但同時由于注氮口位置處于散熱帶區域內而距離氧化帶較遠，一方面散熱帶內風速較大，在此區域注氮后氮氣容易被漏風風流所帶走，另一方面，由于遠離氧化帶，注氮后其氧化帶效果較差，在此位置注氮后采空區氧化帶最大深度為104 m，縮減幅度約為22.3%。

而當注氮口位置位于工作面后方40 m時，在此區域注氮時同樣也出現了采空區后方氧化帶、散熱帶、窒息帶匯集的現象，并且由于注氮的影響，注氮位置附近散熱帶區域形狀發生了明顯的變化，其氧化帶最大深度為95 m，氧化帶最大寬度縮減39 m，縮減程度為29.1%。持續增加深度，使得注氮口位置位于工作面后方50 m時，其氧化帶最大寬深為92 m，最大縮減幅度為31.3%。當注氮口位置為采空區內部60 m時，氮氣主要向采空區后方流失，氧化帶的最大深度為94 m，縮減幅度為29.8%。當注氮口位置位于工作面后方50 m時，氧化帶的縮減幅度最大，因此將此參數設定為采空區最佳注氮距離。

4 結論

(1)通過對高家堡煤礦204工作面進行束管敷設現場測定和數值模擬相互驗證，得出回采期間采空區內氧化“三帶”分布范圍。204工作面采空區散熱帶的分布范圍在采空區內距離工作面0～34 m以內，進風側散熱帶較深，回風側較淺；氧化升溫帶的劃分在距離工作面34～135 m范圍內，進風側較深，可達135 m；窒息帶分布在距離工作面100～135 m以上的采空區深部。

(2)利用FLUENT數值模擬軟件，對采空區內注氮口位置分別位于30 m、40 m、50 m、60 m的情況下采空區氧化“三帶”的分布影響進行了研究，并確定以50 m為最佳注氮口位置。