火成巖侵入易自燃煤層超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍研究

柳東明

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

為了減少巷道開拓量，節(jié)約成本、緩解采掘接續(xù)緊張的問題，越來越多的煤礦開始采用超長開切眼布置的方式進(jìn)行采煤[1-2]。在易自燃煤層超長俯采工作面開采過程中，受布置方式與煤層產(chǎn)狀等客觀因素制約，其推進(jìn)度較普通規(guī)模工作面有所降低，煤自燃災(zāi)害問題會嚴(yán)重威脅工作面的安全生產(chǎn)[3]。為使防滅火工作具有針對性，徹底杜絕采空區(qū)自然發(fā)火事故，對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行研究極為重要[4]。

國內(nèi)外相關(guān)學(xué)者對工作面采空區(qū)自燃“三帶”開展了大量的研究工作。其中，李鑫等[5]采用束管監(jiān)測系統(tǒng)對突出煤層瓦斯抽采影響下采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，發(fā)現(xiàn)受瓦斯抽采影響，氧化帶寬度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出普通工作面采空區(qū)氧化帶寬度，自然發(fā)火威脅大大增高；柳東明[6]對淺埋藏特厚自燃煤層綜放工作面采空區(qū)自燃立體“三帶”進(jìn)行了研究，得出綜放工作面不僅存在傳統(tǒng)水平方向的自燃“三帶”，也存在垂直方向上的自燃“三帶”，并對采空區(qū)自燃立體“三帶”分布范圍進(jìn)行了現(xiàn)場觀測；王帥[7]針對連續(xù)開區(qū)注氮對采空區(qū)自燃“三帶”分布特征的影響進(jìn)行了深入研究，通過現(xiàn)場實(shí)測得出注氮量與氧化帶寬度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，且注氮量不影響散熱帶范圍。目前，大多數(shù)學(xué)者通常采用在進(jìn)、回風(fēng)巷道預(yù)埋束管取氣化驗(yàn)的方式對傳統(tǒng)規(guī)模采空區(qū)(開切眼長度小于250 m)自燃“三帶”進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，此種方法只能測得進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)氣體體積分?jǐn)?shù)變化情況，無法真實(shí)掌握進(jìn)、回風(fēng)巷道間采空區(qū)流場分布特征，通常是依靠經(jīng)驗(yàn)粗略描繪進(jìn)、回風(fēng)巷道間采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍，測定結(jié)果往往與現(xiàn)場實(shí)際情況存在較大偏差。

大興煤礦北一202工作面采用超長開切眼布置開采易自燃煤層，受火成巖侵入影響煤層傾角加大，且工作面全程俯采，頂板存在復(fù)合煤巖層，采空區(qū)遺煤量較大，導(dǎo)致其自然發(fā)火威脅大幅提高。筆者通過研究易自燃煤層超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍和流場分布規(guī)律，旨在為制訂科學(xué)合理的工作面防滅火技術(shù)方案提供理論依據(jù)。

1 工作面概況

大興煤礦北一202工作面位于北一采區(qū)中部南翼，可采走向長621 m，傾斜寬361.5 m，為大興煤礦首個超長開切眼布置工作面，采用單一走向長壁后退式全部垮落綜合機(jī)械化采煤法。工作面所采2-3煤層厚度在1.00～2.75 m，平均厚度為1.88 m，傾角為7°～26°，平均11°，全程為大俯采狀態(tài)，其中回風(fēng)巷平均俯采角度為7°，進(jìn)風(fēng)巷平均俯采角度為14°。2-3煤層直接頂巖性以泥巖、薄煤層和粉砂巖為主，平均厚度為4.16 m。煤層為Ⅰ類易自燃煤層，最短自然發(fā)火期為40 d。工作面回采期間的配風(fēng)量為800 m3/min，通風(fēng)方式為“U”型通風(fēng)。工作面平面布置如圖1所示。

圖1 北一202工作面巷道布置平面圖

2 超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”多點(diǎn)位觀測

2.1 采空區(qū)多點(diǎn)位氣體監(jiān)測點(diǎn)布置

超長開切眼布置工作面由于采場范圍廣、采空區(qū)空間大，造成工作面漏風(fēng)情況、采空區(qū)氣體運(yùn)移規(guī)律均與常規(guī)工作面不盡相同。因此，對于北一202超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍的測定不能單純在進(jìn)、回風(fēng)巷道采空區(qū)各布置1個測點(diǎn)，而是應(yīng)該在工作面中部采空區(qū)適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)增加氣體監(jiān)測點(diǎn)，采取多點(diǎn)位觀測的方法，以保證“三帶”觀測的準(zhǔn)確性。

在工作面下隅角及下隅角向工作面70 m處分別預(yù)埋1#、2#兩個束管測點(diǎn)，束管由進(jìn)風(fēng)巷引出，利用兩測點(diǎn)對進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)及工作面中部采空區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測；在上隅角及上隅角向工作面70 m處分別預(yù)埋3#、4#兩個束管測點(diǎn)，束管由回風(fēng)巷引出，利用兩測點(diǎn)對回風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)及工作面中部采空區(qū)的O2體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行監(jiān)測。

1#和3#測點(diǎn)束管外套內(nèi)徑15 mm鋼管加以保護(hù)，束管末端應(yīng)距離地面一定的高度，傾斜倚靠巷幫(內(nèi)徑15 mm鋼管與硬幫用鐵絲加以固定)，避免高處墜落巖石砸壞套管；2#和4#束管測點(diǎn)由于管路沿著工作面布置，為防止影響采煤設(shè)備的正常運(yùn)行，應(yīng)在預(yù)埋管路前，分別在上、下隅角向工作面方向沿底板挖出2條70 m×10 cm×10 cm的管路槽，然后將2#和4#束管外套內(nèi)徑50 mm無縫鋼管埋入槽內(nèi)，在束管末端最后一節(jié)鋼管上提前加工好適量的花眼，便于取氣。2#、4#束管測點(diǎn)工作面鋪設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 2#、4#束管測點(diǎn)工作面鋪設(shè)示意圖

2.2 采空區(qū)氣體觀測結(jié)果分析

隨著工作面推進(jìn)，將4個測點(diǎn)埋入采空區(qū)，隨即每天對其進(jìn)行取樣化驗(yàn)觀測。1#、2#、3#及4#束管測點(diǎn)O2和CO體積分?jǐn)?shù)隨測點(diǎn)埋入深度的變化趨勢如圖3所示。

(a)1#束管測點(diǎn)

分析圖3,以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)φ(O2)作為劃分采空區(qū)自燃“三帶”依據(jù)，具體為：當(dāng)φ(O2)≥18%時，為“散熱帶”；當(dāng)7%≤φ(O2)<18%時，為“氧化帶”；當(dāng)φ(O2)<7%時，為“窒息帶”[8-10]。按照此標(biāo)準(zhǔn)，對北一202采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分，結(jié)果如圖4所示。

圖4 超長工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布示意圖

3 超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律數(shù)值模擬研究

利用前述的采空區(qū)多點(diǎn)位氣體觀測方法，可監(jiān)測超長工作面進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)及上、下隅角向工作面70 m架后采空區(qū)氣體變化規(guī)律，但若要完全掌握采空區(qū)流場、自燃“三帶”分布規(guī)律，僅通過預(yù)埋束管顯然是無法實(shí)現(xiàn)的，這就需要采用數(shù)值模擬的方法開展進(jìn)一步的研究[11-13]。

3.1 模型建立

將采空區(qū)內(nèi)部看作多孔介質(zhì)，氣體假設(shè)為理想氣體，其在采空區(qū)內(nèi)的流動遵守質(zhì)量、動量及能量守恒定律[14-15]。以北一202超長俯采工作面為基本模型，對采空區(qū)的尺寸、采煤方式等基礎(chǔ)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕瑧?yīng)用Fluent模擬軟件中的Geometry功能建立采空區(qū)幾何模型[16-17]，模型參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模擬模型參數(shù)

對建立的北一202采空區(qū)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共得到214 480個網(wǎng)格(如圖5所示)，網(wǎng)格質(zhì)量為0.97，證明建立的網(wǎng)格質(zhì)量較好。

圖5 北一202采空區(qū)自燃“三帶”模擬幾何示意圖

本次模擬采用速度入口邊界，工作面進(jìn)風(fēng)量為800 m3/min，通風(fēng)斷面積為16 m2，故將進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速設(shè)為0.83 m/s，回風(fēng)口設(shè)為自由流出；將進(jìn)風(fēng)口處O2的質(zhì)量組分設(shè)為23%，其他氣體設(shè)為0[18-19]；將下隅角與底板相交的位置作為原點(diǎn)，工作面推進(jìn)方向的反方向作為x軸正方向，工作面風(fēng)流由原點(diǎn)流向y軸正方向，重力的反方向?yàn)閦軸正方向[20]。

3.2 采空區(qū)流場分布模擬研究

為了進(jìn)一步了解超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”的成因，分析了北一202采空區(qū)內(nèi)氣體流場的分布，繪制得到回采期間采空區(qū)風(fēng)速流場分布圖，如圖6所示。

圖6 回采期間采空區(qū)風(fēng)速流場分布圖

從圖6可以發(fā)現(xiàn)，在初采期間，風(fēng)流進(jìn)入采空區(qū)后，進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷流場呈現(xiàn)拱形結(jié)構(gòu)，在下隅角處，由于巷道外形尺寸結(jié)構(gòu)的突變，產(chǎn)生了渦流，并在向回風(fēng)側(cè)的傳遞過程中能量逐漸減弱，直至與回風(fēng)流匯合。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)頂板煤巖體逐漸垮落并壓實(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)流逐漸變小，且逐步呈現(xiàn)無規(guī)律分布狀態(tài)。在采空區(qū)的深部區(qū)域，氣體流速明顯小于工作面處，且差別很大。此刻無規(guī)律分布出現(xiàn)的地點(diǎn)集中在散熱帶與氧化帶的交界處，窒息帶內(nèi)沒有流場分布。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，采空區(qū)內(nèi)風(fēng)速流場分布呈現(xiàn)先增加后減少的變化規(guī)律，分析其原因是由于采空區(qū)內(nèi)頂板受周期來壓影響，煤巖體垮落并逐漸壓實(shí)，這就導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)的流場分布也呈現(xiàn)周期交替變化規(guī)律，在部分區(qū)域出現(xiàn)流場波動起伏式變化分布。

3.3 采空區(qū)自燃“三帶”分布模擬研究

根據(jù)北一202工作面實(shí)際情況，模擬了在正常配風(fēng)情況下(800 m3/min)，從開切眼開始回采500 m時，采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)的分布情況，模擬結(jié)果見圖7。

圖7 北一202采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布圖

由圖7可知，采空區(qū)內(nèi)越靠近工作面，O2體積分?jǐn)?shù)越大；由于在上、下隅角處每天砌筑臨時封堵墻、吊掛擋風(fēng)簾等，有效降低了進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度，而在工作面中部由于未采取任何堵漏措施，必然存在一定的漏風(fēng)，導(dǎo)致進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度弱于工作面中部采空區(qū)，造成了采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)從進(jìn)、回風(fēng)巷道側(cè)向工作面中部逐漸升高，形成一個小“凸”形，但變化不是特別明顯，說明雖然本工作面為超長工作面，但是由于采取一系列的堵漏措施，使采空區(qū)的漏風(fēng)量較小。

通過數(shù)值模擬分析，劃分出北一202超長俯采工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍，得出其自然發(fā)火危險(xiǎn)區(qū)域，并與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果進(jìn)行了對比驗(yàn)證，結(jié)果見表2。

表2 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍結(jié)果對照

由表2可以看出，進(jìn)風(fēng)側(cè)與下隅角向工作面70 m架后兩測點(diǎn)，氧化帶最大寬度現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差分別為4 m和3.5 m，結(jié)果十分接近；回風(fēng)側(cè)與上隅角向工作面70 m架后兩測點(diǎn)，氧化帶最大寬度現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相差分別為9、14.7 m，雖然差值相對較大(分析原因可能是由于該地點(diǎn)受注氮等措施的影響所致)，但整體與采空區(qū)自燃“三帶”的范圍分布規(guī)律基本保持一致，進(jìn)而證明了采用數(shù)值模擬方法，分析研究超長俯采工作面采空區(qū)流場、O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的有效性和科學(xué)性。

4 結(jié)語

1)利用采空區(qū)多束管測點(diǎn)現(xiàn)場實(shí)測，得出大興煤礦北一202超長俯采工作面采空區(qū)氧化帶最大寬度為37.7 m，位于上隅角向工作面70 m架后位置。

2)通過Fluent數(shù)值模擬分析，揭示了超長俯采工作面采空區(qū)流場及O2體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律；將采空區(qū)自燃“三帶”模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相對比，得出自燃“三帶”范圍基本一致的結(jié)論，證明了采用數(shù)值模擬方法，分析研究超長俯采工作面采空區(qū)流場、O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的有效性和科學(xué)性。