基于大采高工作面遺煤氧化特征的煤自燃危險區域分布研究

芮國相，劉 春，李文龍，韋雪娥

（1.國電建投內蒙古能源有限公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209；2.中國礦業大學安全工程學院，江蘇 徐州 221116；3.山東魯泰控股集團有限公司鹿洼煤礦，山東 濟寧 272350）

在工作面回采過程中，采空區遺煤與氧氣發生煤氧復合作用，產生大量熱，如果熱量不能及時散失，積累到一定程度容易引發煤自燃[1-2]。采空區不同位置的遺煤發生自燃的可能性不同，按照遺煤自燃的可能性，通常可將采空區劃分為散熱帶、氧化帶和窒息帶，其中，氧化帶是發生煤自燃的主要危險區域[3-8]。掌握煤自燃危險區域分布規律有助于及時提出針對性的采空區煤自燃防治方案，對于工作面安全回采具有重要指導意義。

國內學者在煤自燃特性及煤自燃“三帶”分布規律方面進行了大量研究。秦波濤等[9]針對火成巖侵蝕煤層的自燃特性進行了研究，結果表明：火成巖侵蝕改變了煤體的孔隙結構，有利于氧氣分子在煤體內部運移、吸附。此外，火成巖侵蝕還會導致漏風加劇，遺煤氧化時間變長，氧化帶范圍增加。鄧軍等[10]分析了不同變質程度煤的自燃特性，結果表明：煤的變質程度越高，特征溫度和活化能越大，煤自燃的可能性越小。宋雙林[11]研究了不同氧氣體積分數下風化煤的自燃特性，結果表明：與原煤相比，風化煤對氧氣體積分數的變化更加敏感，自燃危險程度更高。文虎等[12]采用理論分析、數值模擬以及現場原位觀測方法研究了不同抽采條件對采空區煤自燃“三帶”的影響，結果表明：隨著抽采負壓增大，進風側“三帶”向采空區內部延伸，氧化帶寬度增大；回風側“三帶”遷移，氧化帶寬度減小。單大闊[13]通過布置束管的方法測定采空區的氣體及溫度變化數據，確定了采空區自燃“三帶”分布范圍。郭重托[14]針對巨厚煤層綜放開采工作面長度確定問題，采用數值計算的方法證明了工作面長度與煤自燃氧化帶寬度呈正相關。王正帥[15]通過現場實測確定了采空區“三帶”分布范圍，并采用數值模擬研究了不同注氮工藝參數對采空區中部自燃“三帶”分布的影響，確定了最佳注氮位置。齊慶杰等[16]基于采空區自燃“三帶”劃分標準結合Comsol 軟件模擬出工作面不同供風量對采空區自燃升溫帶的動態變化，并得到了工作面供風量與自然帶寬度的擬合曲線。王瑞青[17]通過現場實測和數值模擬瓦斯抽采量及抽采口位置變化對自燃“三帶”的影響相結合的方法，研究得出采空區遺煤危險性與瓦斯抽采量成正比。

大采高工作面巷道尺寸大，采空區漏風更加嚴重，且進入采空區的煤柱在發生自然氧化時更容易積聚熱量，使采空區發生遺煤自燃的風險大幅度增加[18-21]。察哈素煤礦31317 工作面屬于典型的大采高綜采工作面，CO 超限問題嚴重，主要原因之一就是采空區遺煤自然氧化問題突出。為掌握察哈素煤礦31317 大采高綜采工作面采空區煤自燃危險區域分布規律，提高注氮、灌漿效率，首先利用程序升溫方法分析大采高工作面遺煤氧化特征；然后通過預埋束管實測31317 工作面采空區進風側、回風側自燃“三帶”；再利用Fluent 軟件模擬采空區全空間煤自燃“三帶”分布，并驗證模擬準確度；最后利用數值模擬研究不同采高工作面氧化帶分布隨巷道風速的變化規律，得出大采高工作面自燃危險區域的演變特點，為工作面安全回采與采空區遺煤自燃防治提供指導。

1 工程概況

31317 工作面位于察哈素煤礦3-1 煤層，南西為已回采完畢的31315 工作面，北東為31319 回風順槽，正南與爾林兔煤礦為界，工作面走向長度5 331 m，工作面寬度285 m。工作面采用“U”型通風系統，31317 膠運順槽、31319 回風順槽進風、31317 回風順槽回風，配風量為2 100 m3/min，風速為1.1 m/s。煤層自燃傾向性等級為Ⅰ類，容易自燃，最短自然發火期為47 d，工作面回風隅角CO 濃度長期高于24 ppm，CO 超限問題嚴重。

2 大采高工作面遺煤氧化特征分析

大采高工作面具有更大的巷道截面積，在相同風速條件下向采空區內的漏風量更多，當采空區內的遺煤發生自然氧化時，有更充足的氧氣供應，使煤的整個自然氧化過程都處于更高的氧氣濃度氛圍下，因此，氧氣濃度是區分不同采高工作面采空區遺煤自然氧化外界條件的重要指標之一[22]。

2.1 實驗方法

以氧氣濃度作為表征不同采高工作面采空區的特征參數，利用煤自然發火指標氣體試驗系統（圖1）進行不同氧氣濃度（10%、12%、14%和16%）下的煤程序升溫實驗，測量煤樣升溫過程中各指標氣體的出現溫度，對比不同氧氣濃度下各指標氣體隨溫度的變化規律，總結大采高工作面采空區煤自燃特征。

圖1 煤自然發火指標氣體測試系統Fig.1 Gas test system for coal spontaneous ignition index

2.2 實驗步驟

實驗開始前，預先調配氧氣濃度為10%、12%、14%和16%的實驗用氣體，并制備粒徑0.18～0.42 mm的實驗用煤粉400 g，具體實驗步驟如下所述。

1）打開煤樣罐，在煤樣罐底部鋪一層玻璃纖維棉，然后取50 g 煤粉放入煤樣罐中，在煤粉上方再鋪一層玻璃纖維棉，防止煤粉隨氣流進入管路內。

2）設定升溫速率，開始程序升溫。同時，打開閥門2，關閉閥門1，并開啟氣瓶閥門，向煤樣罐內通入氧氣濃度為10%的實驗用氣體，通氣速率為50 mL/min。

3）當煤樣溫度達到設定的溫度點時，打開閥門1，關閉閥門2，將氣體通入氣相色譜儀進行氣體成分和濃度分析。

4）重復以上步驟，分別測量氧氣濃度為12%、14%和16%時的煤自然發火指標氣體及濃度。

2.3 實驗結果分析

不同氧氣濃度下煤程序升溫實驗結果如圖2 所示。由圖2 可知，煤體在不同氧氣濃度下都能夠發生氧化熱解，并產生各類標志氣體，但是熱解速率存在一定差異。以CO、C2H4和C3H8作為煤體氧化熱解各階段的標志氣體，分別統計各氣體在不同氧氣濃度條件下的出現溫度，結果如圖3 所示。由圖3 可知，在緩慢氧化階段，按照氧氣濃度從低到高，檢測到CO 的溫度分別為84 ℃、76 ℃、60 ℃和55 ℃，因此在采空區漏風量大或者供氧充足的工作面更容易出現CO 超限問題。在加速氧化階段，按照氧氣濃度從低到高，檢測到C2H4的溫度分別為152 ℃、120 ℃、103 ℃、96 ℃，氧氣濃度越高，C2H4出現越早，且隨著溫度升高釋放量增加，高氧氣濃度組C2H4釋放速度明顯快于低氧氣濃度組；檢測到C3H8的溫度分別為165 ℃、148 ℃、139 ℃和129 ℃，同樣說明高氧氣濃度條件下煤樣更容易進入劇烈氧化階段。

圖2 不同氧氣濃度下各氣體濃度隨溫度變化情況Fig.2 Variation of gas concentration with temperature under different oxygen concentrations

圖3 不同氧氣濃度下各標志氣體的出現溫度Fig.3 Occurrence temperature of each indicator gas under different oxygen concentrations

根據氧化升溫實驗結果，煤體所處環境中氧氣濃度越高或者工作面向采空區漏風量越大，煤氧復合反應越迅速，煤越容易發生自燃，氧化升溫各階段標志氣體出現的溫度越低。

3 大采高工作面采空區煤自燃危險區域分布規律

掌握采空區煤自燃危險區域分布規律能夠有效提高注氮、注漿防滅火效率[23-25]。在工作面正常回采過程中，工作面漏風是影響采空區煤自燃危險區域分布的關鍵因素，為此，首先實測31317 工作面的煤自燃“三帶”；然后模擬采空區煤自燃“三帶”范圍，并驗證模型的準確度；最后利用數值模擬對比研究不同采高工作面氧化帶分布，并進一步分析不同采高工作面煤自燃危險區域隨漏風量的演化特征。

3.1 采空區煤自燃“三帶”現場實測

1）束管布置。采用束管監測系統確定工作面自燃“三帶”的分布范圍，現場布置如圖4 所示。采空區煤自燃“三帶”觀測管路鋪設完成后，每天同一時間分別采集軌道順槽采樣點1、采樣點3 及運輸順槽采樣點2、采樣點4 的氣體，將收集到的氣樣儲存在氣樣袋中，并運往地面用氣相色譜儀進行氣體分析。

圖4 測點布置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measurement point layout

2）數據分析。以氧氣濃度18%和5%作為采空區煤自燃“三帶”的劃分依據，各采樣點氧氣濃度隨工作面回采的變化如圖5 所示。由圖5 可知，31317綜采工作面采空區進風側采樣點1 在進入到采空區110.3 m 時，氧氣濃度下降到18%以下；隨著工作面推進，進風側采空區內氧氣濃度出現輕微波動，但總體呈現逐漸下降趨勢，在進入到采空區253.2 m 位置時，氧氣濃度下降到5%以下。進風側采樣點3 在進入到采空區93.2 m 時，氧氣濃度下降到18%以下；在進入到采空區241.9 m 位置時，氧氣濃度下降到5%以下。回風側采樣點2 在進入到采空區54.2 m 時，氧氣濃度下降到18%以下，在進入到采空區213.7 m位置時，氧氣濃度下降到5%以下。回風側采樣點4在進入到采空區60.4 m 時，氧氣濃度下降到18%以下，在進入到采空區204.1 m 的位置時，氧氣濃度下降到5%以下。

圖5 各采樣點氧氣濃度變化規律Fig.5 Oxygen concentration variation rules at each sampling point

根據以上實測結果，進風側采樣點1 劃分的氧化帶范圍為110.3～253.2 m，采樣點3 劃分的氧化帶范圍為93.2～241.9 m；回風側采樣點2 劃分的氧化帶范圍為54.2～213.7 m，采樣點4 劃分的氧化帶范圍為60.4～204.1 m。選取最大可能范圍作為氧化帶范圍，即31317 工作面采空區進風側氧化帶范圍為93.2～253.2 m，回風側氧化帶范圍為54.2～213.7 m。

3.2 采空區自燃“三帶”分布規律數值模擬

1）模型建立。利用Fluent 模擬軟件建立31317綜采工作面采空區流場模型，工作面采用“U”型抽出式通風方式，進風巷、回風巷的長寬高分別為：20 m×5.5 m×4 m，工作面長寬高分別為：10 m×280 m×5.5 m，采空區長寬高分別為：300 m×280 m×50 m，其中，采空區上層裂隙帶高30 m，下層冒落帶高20 m，采空區模型如圖6 所示。

圖6 采空區模型網格劃分Fig.6 Mesh division of goaf model

2）采空區氣體運移理論方程。采空區氣體流動主要遵循以下控制方程。

①連續方程：在直角坐標系中，連續方程可表示為式（1）。

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；u、ν、ω分別為x、y、z方向上速度分量，m/s。

②動量方程可表示為式（2）。

式中：p為氣體微元上的壓力，Pa；tij為氣體微元上的黏性應力，Pa；gi為方向上的單位體積重力分量，m/s2；Ei為x方向氣體的動量損失原項，Pa/m，計算見式（3）。

式中：μ為采空區氣體的黏度，Pa·s；a為采空區的滲透率。

③組分運輸方程可表示為式（4）。

式中：ci為氣體i的濃度，kg/m3；Di為氣體i的擴散系數；Si為單位時間內單位體積消耗氣體的量，kg/（m3·s）。

3）模擬結果分析。31317 綜采工作面采空區Z=1 m 時的氧氣濃度分布云圖如圖7 所示，模擬結果與現場實測對比結果見表1。由圖7 和表1 可知，進風側自燃“三帶”距離工作面比回風側更遠，根據氧氣濃度曲線，進風側散熱帶為＜95 m，氧化帶為95～255 m，窒息帶為＞255 m；回風側散熱帶為＜55 m，氧化帶為55～215 m，窒息帶為＞215 m，進風側、回風側的氧氣濃度分布與圖5 中的實測結果基本一致，說明模型精度滿足要求。同時，由圖7 還可知，采空區中間部分的氧氣分布與采空區進風側、回風側的氧氣分布存在一定差異，采空區中間部分的氧氣濃度等值線普遍向采空區內部凸出，分析認為一方面是進風側、回風側煤柱側幫產生的壁面阻力減緩了風流流速，該區域的持續供氧能力下降；另一方面是進風側、回風側煤柱受應力集中破碎后，其自身的自燃氧化消耗了相當程度的氧氣。以上模擬結果表明，進風側和回風側的束管監測系統僅反映了采空區兩側的氧化帶寬度，而在采空區中間區域布置束管的難度極大，因此，現場實測與數值模擬結合是精確劃定氧化帶的必要方法。

表1 模擬結果與現場實測對比Table 1 Comparison of simulation results and field measurements 單位：m

圖7 氧氣濃度分布云圖Fig.7 Cloud map of oxygen concentration distribution

4）大采高工作面煤自燃危險區域分布規律。以巷道截面積（表2）作為區分不同采高工作面的特征變量，首先通過對比相同風速條件下不同采高工作面的氧化帶范圍，得出大采高工作面煤自燃危險區域的特征；然后對比不同采高工作面氧化帶范圍隨風量的變化特點，得出大采高工作面煤自燃危險區域的分布規律。數值模擬設計風速分別為0.7 m/s、1.1 m/s 和1.5 m/s，不同風速條件下，不同采高工作面氧化帶模擬結果如圖8 所示。

表2 不同采高工作面巷道尺寸Table 2 Roadway dimensions of working faces with different mining heights 單位：m

圖8 不同采高工作面自燃危險區域隨風量變化云圖Fig.8 Cloud map of spontaneous combustion risk area changing with wind volume at working faces with different mining heights

由圖8 可知，同一工作面下，隨著巷道風速增加，工作面的氧化帶范圍逐漸增大，氧化帶整體向采空區內部移動，其中，氧化帶中部變化最明顯，進風側次之，回風側受風速影響最小。分別計算9 種不同工況下氧化帶面積，如圖9 所示。由圖9 可知，相同風速條件下，隨著巷道截面積增大，氧化帶范圍逐漸增大，與前文實驗測得的氧氣濃度越高，煤氧化速率越快，標志氣體出現溫度越低的結果吻合。此外，隨著巷道風量自0.7 m/s 升至1.5 m/s，工作面1 的氧化帶面積自27 595 m2增加至42 226 m2，增加量為14 631 m2；工作面2 的氧化帶面積自25 456 m2增加至32 156 m2，增加量為6 700 m2；工作面3 的氧化帶面積自24 189 m2增加至27 541 m2，增加量為3 352 m2，工作面1 的氧化帶面積變化最大，說明巷道截面積越大，煤自燃危險區域受風量的影響越明顯。

圖9 氧化帶面積隨風速變化規律Fig.9 Variation of oxidation zone area with wind speed

綜合本文實驗和模擬結果，大采高工作面更容易因工作面漏風發生采空區遺煤自燃，因此，回采過程中的采空區防火重點首先是降低工作面向采空區的漏風量，其次是加強采空區注氮、灌漿，并且在注氮、灌漿時應考慮氧化帶中間位置向采空區內部偏移問題，防止漿液覆蓋不充分。

4 結論

通過實驗室分析、現場實測以及數值模擬研究了大采高工作面煤自燃特征以及采空區煤自燃危險區域分布規律，得到的主要結論如下所述。

1）大采高工作面因其漏風量大，采空區氧氣供應充足，加之煤柱堆積導致散熱效果差，所以更容易發生熱量積聚，導致煤自燃。

2）數值模擬結果顯示采空區中間部分的氧氣濃度等值線普遍向采空區內部偏移，說明現場實測與數值模擬相結合是精確圈定煤自燃危險區域的必要方法。

3）與常規采高工作面相比，大采高工作面氧化帶范圍對風速變化的響應更靈敏，其中氧化帶中部受風速影響最大，進風側次之，回風側受風速影響最小。