特厚易自燃煤層回采工作面上隅角貧氧致因機理研究

高瑞青，王 飛，劉紅威，張小龍，賀志宏，劉振明，王子邦，宮 彪

（1.太原理工大學(xué)安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院，山西太原 030024；2.山西煤礦安全研究生教育創(chuàng)新中心，山西太原030024；3.西山煤電（集團）有限責(zé)任公司，山西太原 030000；4.晉能控股煤業(yè)集團有限公司，山西大同 037003）

隨著煤炭開采技術(shù)水平的提升，我國煤礦綜采工作面采高不斷增加[1]，在特厚自燃煤層放頂煤綜采過程中，采空區(qū)自然發(fā)火嚴(yán)重[2-3]，工作面上隅角貧氧現(xiàn)象時有發(fā)生。根據(jù)GB 8958—88《缺氧危險作業(yè)安全規(guī)程》中定義在氧氣體積分?jǐn)?shù)低于19.5%的工作環(huán)境作業(yè)時為缺氧作業(yè)。當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于18.5%工作能力下降，劇烈運動感到不適[4]。考慮煤礦井下環(huán)境復(fù)雜，人員工作強度大，以18.5%為界定義當(dāng)工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)低于18.5%的現(xiàn)象稱為工作面貧氧現(xiàn)象[5]。為保證工人的安全生產(chǎn)，對工作面上隅角貧氧致因機理的研究具有重要意義。

為掌握特厚易自燃煤層回采工作面上隅角貧氧機理，研究人員進行了相關(guān)研究。郭永文[6]針對神東礦區(qū)工作面低氧現(xiàn)象提出采空區(qū)遺煤低溫氧化是低氧氣體產(chǎn)生的來源；潘榮錕等[7]采用CDEM 數(shù)值模擬以及SF6示蹤氣體漏風(fēng)測試等方法對淺埋近距離煤層群工作面上隅角貧氧致因進行了研究，指出工作面上隅角貧氧是多因素影響下的綜合結(jié)果，開采擾動產(chǎn)生的漏風(fēng)裂隙，是造成上隅角貧氧的主要致因；方保明[8]提出造成工作面低氧的主要原因是煤層賦存于CO2-N2帶，回采過程中高氮氣體涌出與采空區(qū)內(nèi)遺煤低溫氧化形成高氮低氧環(huán)境。現(xiàn)場研究還發(fā)現(xiàn)采空區(qū)二氧化碳涌出，外界大氣壓變化也是造成上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)低的重要原因。上述研究表明工作面上隅角貧氧現(xiàn)象的出現(xiàn)不是單一因素造成的，是多因素耦合綜合作用的結(jié)果。

目前大范圍采場氣體分布的研究主要采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的手段[9-11]。基于此，以馬道頭礦8105 工作面為工程背景，建立特厚易自燃煤層回采工作面流場數(shù)值計算模型，分析采空區(qū)耗氧速率、工作面進風(fēng)量、采空區(qū)埋管注氮（注氮量和注氮位置）對采場氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的影響效應(yīng)，明晰工作面上隅角的貧氧致因機理。

1 上隅角貧氧工程實例

馬道頭礦井通風(fēng)方式為混合式，通風(fēng)方法為機械抽出式。8105 綜放工作面主要開采中5#、（3-5）#煤層，埋深300～460 m，平均傾角3°，走向長度2 288 m，傾斜長度220 m，總厚度為5.76～22.98 m，平均煤厚17.8 m，平均落底煤厚度1.17 m。8105 工作面采用一進一回的“U”型通風(fēng)方式，全負壓通風(fēng)；所在煤層為易自燃煤層，自然發(fā)火期41 d；采用向采空區(qū)24 h 不間斷注氮為主的方式預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃。在8105 工作面3 種生產(chǎn)狀態(tài)下對上隅角距煤壁1.5 m 處，分別在高度為2.5、1.5、0.8 m 位置用橡膠氣囊取低氧氣體氣樣，在實驗室用氣相色譜分析。8105工作面上隅角低氧氣體成分分析表見表1。由表1可知，生產(chǎn)過程中工作面附近存在嚴(yán)重的貧氧區(qū)域，對工作面的安全生產(chǎn)造成了極大的威脅。

表1 8105 工作面上隅角低氧氣體成分分析表Table 1 Analysis table of low-oxygen gas composition in the upper corner of working surface

2 計算模型

2.1 模型建立與參數(shù)設(shè)定

考慮到采空區(qū)中復(fù)雜的流場分布，提出合理假設(shè)[12]：視采場內(nèi)氣體為不可壓縮流體；采空區(qū)孔隙率及滲透率為采空區(qū)位置坐標(biāo)的函數(shù)，不隨時間發(fā)生改變；考慮重力對采空區(qū)流場的影響；忽略溫度及煤層傾角對采空區(qū)流場分布的影響。

2.1.1 數(shù)學(xué)模型

采空區(qū)內(nèi)煤巖受工作面開采影響，在采空區(qū)內(nèi)形成自由堆積的多孔介質(zhì)區(qū)域，流體在采空區(qū)內(nèi)的運動符合多孔介質(zhì)滲流理論。流體在采空區(qū)內(nèi)的運動滿足多孔介質(zhì)質(zhì)量及動量守恒方程，多孔介質(zhì)內(nèi)的質(zhì)量守恒方程為[13]：

式中：γ 為多孔介質(zhì)空隙率，m-3；ρf為流體質(zhì)量密度，kg/m3；▽為哈密算子；v→為流體在多孔介質(zhì)中滲流速度，m/s；Sm為氣體質(zhì)量源項，kg/（m3·s）；t 為時間，s。

多孔介質(zhì)內(nèi)的動量守恒方程為：

式中：p 為氣體壓力，Pa；τ=為黏性應(yīng)力張量；g→為重力加速度，m/s2；S 為多孔介質(zhì)中風(fēng)流運移過程中附加的動量損失源項，N/m3。

對各向同性的多孔介質(zhì)動量損失源項為[14]：

式中：μ 為流體的動力黏度系數(shù)，kg/（m·s）；α 為滲透率；vi為i 方向的速度；C2為慣性阻力系數(shù)。

根據(jù)Blake-Kozeny 推導(dǎo)思想，在非線性流態(tài)條件下定義適用的經(jīng)驗公式為[15]：

式中：Dm為采空區(qū)內(nèi)落巖的平均粒徑，m。

氧氣擴散方程：

式中：ρ 為流體密度，kg/m3；Yi為氧氣體積分?jǐn)?shù)，%；J→i為氧氣的擴散通量；Ri為氧氣化學(xué)反應(yīng)生成凈速率，kg/（m3·s）；Si為氧氣生成率，kg/（m3·s）。

J→i為氧氣的擴散通量，由Fick 定律給出，湍流模型中表達式為：

式中：Di,m為氧氣的質(zhì)量擴散系數(shù)；μt為湍動黏度，kg/（m·s）；Sct為湍流施密特數(shù)；DT,i為氧氣組分的熱擴散系數(shù)；T 為溫度，K。

2.1.2 幾何模型與邊界條件

8105 進風(fēng)巷與工作面交界點為坐標(biāo)原點，工作面傾向長度為y 軸方向，沿著采空區(qū)走向為x 軸方向，進風(fēng)巷、回風(fēng)巷斷面尺寸為5.1 m×3.9 m；工作面尺寸為6.864 m×3.9 m，傾向長度為220 m；采空區(qū)走向長度為300 m；高度為48 m。工作面采用“U”型通風(fēng)，進風(fēng)量為2 100 m3/min，配合進風(fēng)巷雙埋管注氮距工作面30、60 m，24 h 不間斷注氮，總注氮量為1 745 m3/h，邊界條件和參數(shù)設(shè)置見表2。8105 工作面物理模型如圖1。采空區(qū)空隙率分布函數(shù)為[16]：

表2 邊界條件和參數(shù)設(shè)置Table 2 Boundary conditions and parameter settings

圖1 8105 工作面物理模型Fig.1 Physical model of 8105 working face

式中：x 為采空區(qū)走向方向距離，m；y 為工作面傾向方向距離，m；z 為采空區(qū)高度，m；l 為工作面總長度，m。

z=0 m 平面采空區(qū)空隙率分布如圖2。

圖2 z=0 m 平面采空區(qū)空隙率分布Fig.2 Porosity distribution of goaf on z=0 m plane

2.2 計算模型準(zhǔn)確性校驗

8105 模型工作面測點布置示意圖如圖3。利用后處理工具對工作面測點及束管監(jiān)測處的數(shù)據(jù)進行截取，通過模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析。工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)實測與模擬結(jié)果對比如圖4。束管監(jiān)測氧氣體積分?jǐn)?shù)與模擬結(jié)果對比如圖5。

圖3 8105 模型工作面測點布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of 8105 model working face

圖4 工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)實測與模擬結(jié)果對比Fig.4 Comparison of actual measurement and simulation results of oxygen volume fraction in working face

圖5 束管監(jiān)測氧氣體積分?jǐn)?shù)與模擬結(jié)果對比Fig.5 Comparison of tube bundle monitoring oxygen volume fraction and simulation results

由圖4 可知：當(dāng)工作面靠近進風(fēng)側(cè)y=0～20 m時，模擬結(jié)果與工作面實測分別為21%與20.9%；當(dāng)y=20～50 m 時，受進風(fēng)側(cè)埋管注氮影響，氧氣體積分?jǐn)?shù)小范圍急速下降；當(dāng)y=50～115 m 時，氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步平緩下降；當(dāng)y=115～210 m 時，采空區(qū)氣體涌入工作面，氧氣體積分?jǐn)?shù)下降趨勢顯著；當(dāng)y>210 m，由于工作面靠近回風(fēng)巷側(cè)壓力小，采空區(qū)氣體加速涌入工作面，氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇下降。工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布與現(xiàn)場實測結(jié)果相對一致。

由圖5 可知：模擬顯示距離工作面0～10 m 時，氧氣體積分?jǐn)?shù)從17.9%驟降至12.1%，距工作面10～80 m 范圍內(nèi)，氧氣體積分?jǐn)?shù)由12.1%平緩降6.4%；束管實測數(shù)據(jù)顯示在距工作面5～10 m 位置，氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇下降，在距工作面10～75 m 處氧氣體積分?jǐn)?shù)緩步下降至6.7%，在75～80 m 驟然下降至6%；模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)變化趨勢吻合較好。。

3 回采工作面上隅角貧氧致因機理

3.1 耗氧速率對采場氧氣體積分?jǐn)?shù)分布的影響

通過改變采空區(qū)耗氧速率，模擬分析工作面及上隅角區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)分布的變化規(guī)律。不同耗氧速率下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖6。

圖6 不同耗氧速率下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.6 Oxygen volume fraction at measuring points in working faces under different oxygen consumption rates

由圖6 可知：當(dāng)耗氧速率為0 kg/（m3·s）時，工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)基本穩(wěn)定在21%，隨著耗氧速率的增加工作面測點0～200 m 測點氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步下降，耗氧速率與工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)呈現(xiàn)負相關(guān)；當(dāng)耗氧速率變化梯度較大時，在5×10-7～1.2×10-6kg/（m3·s），工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇降低；當(dāng)耗氧速率變化梯度最小，在1×10-8～1×10-7kg/（m3·s），工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)變化較小；耗氧速率越大，工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)下降梯度越大。

z=1.7 m 不同耗氧速率上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖7。不同耗氧速率上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計如圖8。

圖7 z=1.7 m 不同耗氧速率上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.7 Oxygen volume fraction distribution in upper corner（z=1.7 m）under different oxygen consumption rates

圖8 不同耗氧速率上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計Fig.8 Statistics of oxygen depletion effect in upper corner of different oxygen consumption rates

由圖7 與圖8 可知：當(dāng)耗氧速率為0 kg/（m3·s）時，上隅角與下隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)基本一致，氧氣體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在20.8%以上；耗氧速率增至1.8×10-7kg/（m3·s）時，上隅角區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步下降，氧氣體積分?jǐn)?shù)均大于18.5%，未出現(xiàn)貧氧現(xiàn)象；當(dāng)耗氧速率大于1×10-7kg/（m3·s）后，上隅角貧氧現(xiàn)象出現(xiàn)，隨著耗氧速率的增加，上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)不斷降低，貧氧區(qū)域在上隅角附近逐步擴大。

綜合分析可知采空區(qū)遺煤氧化是造成工作面上隅角貧氧現(xiàn)象的前提條件，采空區(qū)遺煤氧化加劇，耗氧速率增加，產(chǎn)生大量的低氧體積分?jǐn)?shù)氣體，工作面負壓通風(fēng)方式幫助了采空區(qū)內(nèi)貧氧氣體運移到靠近工作面一側(cè)，在上隅角聚集造成上隅角貧氧現(xiàn)象。

3.2 進風(fēng)量對采場氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的影響

通過改變巷道進風(fēng)量，模擬分析了工作面與上隅角區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)分布的變化規(guī)律。不同進風(fēng)量下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖9。

圖9 不同進風(fēng)量下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.9 Oxygen volume fraction at measuring points in working faces under different air intake

由圖9 可知：當(dāng)進風(fēng)量大于2 100 m3/min 時，工作面測點0～200 m 氧氣體積分?jǐn)?shù)穩(wěn)定在20.7%以上；進風(fēng)量增大，采空區(qū)涌入工作面的低氧氣體及時被風(fēng)流帶走，工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)顯著提升，隨著進風(fēng)量的增加工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步提高；同時進風(fēng)量的增加，使進風(fēng)側(cè)壓力增大，采空區(qū)漏風(fēng)加劇，采空區(qū)與工作面回風(fēng)側(cè)壓差變大，采空區(qū)低氧體積分?jǐn)?shù)氣體在工作面尾部區(qū)域（y>200 m）加速涌入，氧氣體積分?jǐn)?shù)迅速下降；當(dāng)工作面進風(fēng)量降至1 874 m3/min 以下，采空區(qū)氣體通過漏風(fēng)裂隙涌入工作面，由于工作面風(fēng)速較小不能及時稀釋低氧體積分?jǐn)?shù)氣體造成工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)迅速降低。

z=1.7 m 不同進風(fēng)量上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖10，不同進風(fēng)量上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計如圖11。

由圖10 與圖11 可知：當(dāng)工作面進風(fēng)量小于2 100 m3/min 時，工作面漏風(fēng)較小，采空區(qū)遺煤氧化減緩，低氧體積分?jǐn)?shù)氣體減少，上隅角處氧氣體積分?jǐn)?shù)均大于18.5%；隨著進風(fēng)量的增加上隅角處最低氧氣體積分?jǐn)?shù)緩步下降，當(dāng)工作面進風(fēng)量在1 648～2 100 m3/min 時，最低氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇下降，進風(fēng)量2 100～2 552 m3/min 之間時，上隅角出現(xiàn)貧氧現(xiàn)象，低氧范圍迅速擴大；當(dāng)進風(fēng)量大于2 552 m3/min后，隨著進風(fēng)量的增加，低氧范圍趨于基本穩(wěn)定，上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)緩步下降。

圖10 z=1.7 m 不同進風(fēng)量上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.10 Oxygen volume fraction distribution on upper corner（z=1.7 m）under different air intake

圖11 不同進風(fēng)量上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計Fig.11 Statistical analysis of oxygen deficiency effect in upper corner of different air intake

綜合分析可知隨著進風(fēng)量的增加，工作面漏風(fēng)增大，采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化加劇產(chǎn)生大量的低氧體積分?jǐn)?shù)氣體，同時采空區(qū)與工作面回風(fēng)側(cè)的壓差變大，采空區(qū)內(nèi)氣體在工作面尾部加速涌入，在上隅角渦流區(qū)域聚集加劇了上隅角貧氧現(xiàn)象。

3.3 注氮對采場氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律的影響

3.3.1 工作面及上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布

當(dāng)注氮位置為30、60 m 時，不同注氮量下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖12。

圖12 不同注氮量下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.12 Oxygen volume fraction at measuring points of working face under different nitrogen injection rates

由圖12 可知：注氮量的變化對工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布有較大影響；當(dāng)注氮流量在1 385～2 465 m3/h 時，采空區(qū)注氮口與工作面壓差均衡，增加注氮量對工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布影響較小；當(dāng)注氮量從2 825 m3/h 增加至3 545 m3/h 時，注氮口附近區(qū)域與工作面壓差增大，氮氣通過漏風(fēng)通道涌入工作面，造成工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)迅速下降。

z=1.7 m 不同注氮量工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖13，不同注氮量上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計如圖14。

圖13 z=1.7 m 不同注氮量工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.13 Oxygen volume fraction distribution on working face（z=1.7 m）under different nitrogen injection rates

由圖13 與圖14 可知：隨著注氮量的增加，工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，上隅角低氧范圍逐步擴大；當(dāng)注氮量超過2 825 m3/h 后，注氮口與工作面壓力失衡，采空區(qū)低氧體積分?jǐn)?shù)氣體大量涌入工作面，注氮口附近工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)降至18.5%以下造成工作面低氧。當(dāng)注入氮量從0 m3/h 增至3 185 m3/h 上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步下降，上隅角低氧區(qū)域逐步擴大，當(dāng)注氮量增加至3 545 m3/h 時，注氮口壓力升高，與工作面壓差增大，氮氣通過漏風(fēng)通道涌入工作面，工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇下降，同時氮氣大量涌入工作面，在上隅角渦流區(qū)域聚集，造成上隅角低氧區(qū)域急劇擴大。

圖14 不同注氮量上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計Fig.14 Statistics of oxygen-deficient effects in the upper corner of different nitrogen injection rates

因此自燃礦井在采用注氮技術(shù)治理采空區(qū)遺煤自燃時，應(yīng)合理設(shè)置注氮量大小，減輕工作面低氧危險性，兼顧防治采空區(qū)遺煤自燃的發(fā)生，從而達到工作面低氧與煤自燃協(xié)調(diào)防治的目的。

3.3.2 工作面及上隅角貧氧分析

當(dāng)注氮量為1 745 m3/h，分別模擬不同注氮位置時，工作面與上隅角區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)分布的變化規(guī)律。不同注氮位置下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布如圖15。不同注氮位置上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計如圖16。

圖15 不同注氮位置下工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布Fig.15 Oxygen volume fraction at measuring points of working face under different nitrogen injection positions

圖16 不同注氮位置上隅角貧氧效應(yīng)統(tǒng)計Fig.16 Statistics of oxygen depletion effect in upper corner of different nitrogen injection positions

由圖15 可知：隨著注氮氣位置的不斷深入，工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)分布變化較小。綜合分析注氮位置的深入對工作面測點氧氣體積分?jǐn)?shù)影響較小。

由圖16 可知：當(dāng)注氮量為1 745 m3/h 隨著注氮位置的變化，上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)和低氧區(qū)域范圍均無顯著變化。即注氮位置的深入對工作面及上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布有著微弱的影響效應(yīng)。

4 結(jié) 論

1）采空區(qū)耗氧速率為0 kg/（m3·s）時，工作面進風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)基本一致。采空區(qū)耗氧速率大于0 kg/（m3·s）時，回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)小于進風(fēng)側(cè)。采空區(qū)遺煤氧化是造成工作面上隅角貧氧現(xiàn)象的前提條件。

2）隨著耗氧速率的升高，采空區(qū)遺煤氧化加劇產(chǎn)生大量的低氧體積分?jǐn)?shù)氣體，通過漏風(fēng)裂隙涌入工作面氣體氧體積分?jǐn)?shù)降低，工作面及上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸下降，貧氧區(qū)域逐步擴大。

3）隨著工作面進風(fēng)量的增加，工作面氧氣體積分?jǐn)?shù)升高，同時采空區(qū)漏風(fēng)量增大，采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化反應(yīng)加劇產(chǎn)生大量的低氧體積分?jǐn)?shù)氣體，由于采空區(qū)內(nèi)與工作面回風(fēng)側(cè)壓差變大，采空區(qū)氣體在工作面尾部加速涌入，上隅角附近氧氣體積分?jǐn)?shù)急劇降低，貧氧范圍迅速擴大。當(dāng)進風(fēng)量大于2 778 m3/min時，上隅角貧氧區(qū)域趨于穩(wěn)定，但氧氣體積分?jǐn)?shù)仍逐步下降。

4）采空區(qū)埋管注氮在防滅火的同時為采空區(qū)內(nèi)提供了大量的氮氣，氮氣通過漏風(fēng)通道擴散到工作面中稀釋了風(fēng)流中的氧氣含量，隨著注氮量的增加，工作面及上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)逐步降低。當(dāng)注氮量大于2 825 m3/h 時，注氮口與工作面壓力失衡，大量氮氣涌入工作面造成工作面貧氧；當(dāng)注氮量為1 745 m3/h 時，注氮位置的不斷深入，對工作面與上隅角氧氣體積分?jǐn)?shù)分布影響較小。