緩斜煤層下行通風采空區自燃危險區域預測模型

張增輝

（國家能源集團神東煤炭集團 保德煤礦，山西 保德 036600）

隨著綜采放頂煤技術的發展和廣泛應用，煤礦采空區火災事故也更加頻繁地發生，這增加了井下采空區火災防治的難度[1]。綜放工作面開采完成后，采空區內存留大量松散遺煤，若采空區漏風嚴重，其內部易發生煤自燃[2]。通常采空區內部發生火災時難以發現，若無法及時處理，容易引發大規模煤層火災[3]。據統計，在國有的重點煤礦中，有60%的煤礦發生過采空區煤自燃災害[4-7]。對于傾斜易自燃工作面而言，工作面采空區內熱風壓的方向始終向上且煤自燃傾向性越高火風壓作用越強，下行通風時對工作面的漏風抑制效果越明顯，所以采空區內自燃危險區域的分布與上行通風可能有所不同[8]。目前的研究主要針對上行通風采空區自然發火的[9-11]，對不同自燃傾向性的下行通風采空區自燃危險區域分布的研究相對較少[12]。

對于采空區自燃“三帶”的劃分，學者們多將氧氣體積分數10%或8%作為采空區內窒息帶和氧化自燃帶的邊界[13-15]。取低值8%作為劃分標準，采空區內氧氣體積分數大于8%的區域具有自燃危險的可能，因此稱之為具有自燃危險可能的區域。為此，以保德礦為例，由于煤層傾角的存在，工作面兩端的巖層應力不同，采空區內進回風測的孔隙率和滲透率也必然不同，在建立孔隙率和滲透率方程時應該將煤層傾角考慮進去；結合現場觀測數據建立了更加符合該礦采空區實際的采空區氣體滲流及擴散數學模型，依據該模型數值模擬得出了采空區內遺煤不同自燃傾向性（熱通量設置分別為0、5、15、35、65 W/m2）下行通風時綜放工作面采空區具有自燃危險可能的區域的分布規律、分布范圍及采空區內部高溫區域的分布范圍、最高溫度值等相關規律，所得規律與現場測定的采空區氧氣數據一致，驗證了模型的準確性。

1 采空區滲流方程及仿真模型

1.1 采空區氣體滲流及擴散數學模型

采空區是由松散煤體和圍巖層組成的多孔介質區域，假設風流在通過松散煤體空隙時，密度不變；漏風風流經過松散煤巖體空隙時，滲流速度極小，采空區內部滲流主要為層流；采空區煤巖體為方向性質相同的多孔介質，則有：

式中：H為采空區巖層壓力，Pa；Kx、Ky、Kz為x、y、z方向多孔介質中的滲透系數，（m3·s）/kg；x、y、z為三軸方向的距離，m。

采空區頂板垮落形成的松散煤厚度可達煤層實體厚度1.25 倍，其空隙率約為0.25。采空區后部煤巖體逐漸被壓實，空隙率約為0.20[16-17]。由于采空區內情況復雜，難以有效觀測，因此傾向方向的空隙率也參考這一數值。

采空區內松散煤體的空隙分布可擬合為：

式中：n為采空區孔隙率；b為與工作面距離，m；a為與進風端口的水平距離，m；L為工作面長度，m；θ為工作面傾角，（°）。

通過實驗可以測定出空氣在不同空隙率破碎煤體中的滲透率[18]，結合現場實際，保德煤礦81309 工作面采空區內空隙率為0.2～0.3，采空區內部不同深度的滲透系數k為：

根據多孔介質傳質學理論，采空區內氧氣質量平衡方程為[19-21]：

式中：Qx、Qy、Qz為x、y、z方向上的漏風強度；C為采空區內氧氣濃度，mol；Dx、Dy、Dz為x、y、z方向松散煤體內氧氣的擴散系數，取2.88×10-5m2/s；V(T)為氧氣濃度為C時的耗氧速率，mol/(m3·s)。

1.2 計算模型及其邊界條件

根據81309 工作面的現場實際，一號進風巷寬5.0 m，高3.8 m；運輸巷寬5.0 m，高3.8 m。采空區簡化為深400 m，寬300 m，高20 m 的六面體，利用ICEM 建立上述模型，并劃分為1 m×1 m×1 m 的正六面體網格，x軸為走向，y軸為傾向方向（81309 工作面煤層傾角為12°），z軸為高。

工作面風量1 500 m3/min，將式（1）～式（4）編寫為CFD 仿真中的采空區孔隙率及滲透率UDF 控制程序，設置采空區內部熱通量分別為0、5、15、35、65 W/m2。其他參數見表1。

表1 其他相關參數的設定Table 1 Settings of other relevant parameters

2 不同火源強度下行通風時采空區氧氣及溫度場

自燃特性的不同會導致采空區內部煤放熱量、溫度不同，傾斜煤層采空區內部的火風壓強度也不同，從而使得下行通風時采空區內部具有自燃危險可能的區域的分布產生差異。采用實測方法對上述規律進行驗證的難度很大，因此利用CFD仿真軟件通過設置采空區不同熱源的方式對其進行研究。

采空區內部的熱風壓作用隨著煤層傾角和火源強度的增加而增大，以傾角12°的81309 工作面為研究對象，通過改變Fluent中熱通量的值來實現采空區火源強度的變化，火源功率分別為0、5、15、35、65 W/m2。不同火源強度時下行通風采空區具有自燃危險可能的區域面積和最高溫度變化情況如圖1。在CFD 仿真結果中設置的采空區z=0.5 m 切面的不同火源功率的氧氣流場和溫度場的分布仿真結果如圖2、圖3。

圖1 不同火源強度下行通風仿真結果Fig.1 Simulation results of descending ventilation with different fire source intensity

圖2 不同火源功率時采空區氧氣場分布仿真結果Fig.2 Simulation results of oxygen field distribution in goaf under different fire power

圖3 不同火源功率時采空區溫度場分布仿真結果Fig.3 Simulation results of goaf temperature field distribution under different fire power

由圖1～圖3 可以看出：隨著設置的采空區火源功率的增大，即采空區內部火風壓不斷增大，下行通風采空區內部進風、回風側氧氣體積分數為8%的位置與工作面距離的差值在逐漸減小，并且當火源強度超過某一數值后，回風側氧化帶的寬度大于進風側；隨著火風壓的增大下行通風采空區內部的高溫區域的最高溫度從302 K 持續增長到318 K（僅作為仿真分析，非實際采空區溫度）。

3 工作面參數實測及仿真模型驗證

3.1 工作面測點布置

為了確定81309 工作面實際的采空區“三帶”分布并驗證仿真模型的準確性，在該工作面共布置了6 個觀測點：1#、2#測點布置在一號進風巷可實現對進風側的氣體及溫度數據采集；3#、4#測點布置在采空區中部，距一號進風巷為40、60 m；5#、6#觀測點設置在運輸巷17 聯巷。測量前預先埋入2 路束管及測溫導線，密閉施工完成后采集氣體及溫度數據。工作面觀測點布置示意如圖4。

圖4 測點布置平面圖Fig.4 Measurement points layout plan

3.2 實測采空區“三帶”分布及模擬驗證

進風巷1#監測點O2及CO 體積分數隨埋入采空區深度的變化規律曲線如圖5。

圖5 1#測點氣體分布變化曲線Fig.5 Gas concentration variation curves at measurement point 1#

由圖5 可以看出：隨著工作面推進O2體積分數總體持續下降；推進距離121 m 時，降至17.85%；推進距離200 m 左右時，O2體積分數降至8%以下；推進距離76 m 時，首次監測到CO，CO 體積分數隨工作面推進先升高后降低；在214 m時，CO 體積分數達到最大值17×10-6。

采空區中部3#監測點O2及CO 體積分數隨埋入采空區深度的變化規律曲線如圖6。

圖6 3#測點氣體分布變化曲線Fig.6 Gas concentration change curves at measurement point 3#

由圖6 可以看出：隨著工作面推進采空區中部O2體積分數總體呈持續下降的趨勢，CO 體積分數呈先升高后持續下降的趨勢；當推進距離103 m時，O2體積分數達18%以下；推進距離175 m 左右時，O2體積分數達8%以下；推進距離22 m 時，監測到CO；推進距離113 m 時，CO 體積分數達到最大值20×10-6。

回風巷6#監測點O2及CO 體積分數隨埋入采空區深度的變化規律曲線如圖7。

圖7 5#測點氣體分布變化曲線Fig.7 Gas concentration variation curves at measurement point 5#

由圖7 可以看出：推進距離191 m 時，O2體積分數降至17.51%；推進距離290 m 左右時，O2體積分數降至8%以下；推進距離22 m 時，監測到CO 體積分數為1×10-6；推進距離113 m 時，CO 體積分數達最大值20×10-6，認為此時采空區的漏風為遺煤低溫氧化所需要的漏風風速；推進距離208 m 后，O2體積分數降低，采空區遺煤氧化逐漸受到限制，其后CO 體積分數一直呈持續下降趨勢。

由圖5～圖7 的實測數據可知：進、回風側及工作面中部對應的采空區內窒息帶臨界位置分別距離工作面200、290、175 m，進風側氧化帶的位置比進風側的位置深90 m。

通過圖1～圖3 的仿真結果可以看出：當模擬不設置火源時，采空區內進、回風側窒息帶臨界位置大約分別距工作面280、150 m，二者相差130 m；但隨著模擬設置中火源功率的增大，其內部氧氣流場受火風壓的作用逐漸明顯，采空區內進、回風側窒息帶臨界位置的差值逐漸減小；當火源功率為15 W/m2時二者的差值約為40 m；當火源功率再增大，下行通風時進風側的氧化帶寬度逐漸與進風側相同；當火源功率增到65 W/m2時進、回風側窒息帶臨界位置距工作面分別為115、290 m，二者的差值為-175 m，回風側的窒息帶臨界位置深于進風側，此時的仿真結果與81309工作面的實測數據較為吻合。說明了采空區自燃“三帶”的分布仿真規律與實測的結果具有一致性，也就說明了所建立的預測模型較為準確，可用于分析緩斜煤層下行通風采空區自燃危險區域的分布特點。

4 結 語

CFD 仿真結果顯示采空區內部火風壓作用（遺煤自燃傾向性等級）影響下行通風時其內部氧氣流場和溫度場分布；81309 工作面下行通風時在采空區熱風壓的影響下，隨工作面推進氧氣體積分數遞減速率進風側低于回風側，造成回風側散熱帶和氧化帶的分界線后移，導致采空區回風側散熱帶寬度較大；仿真與實測的結果規律一致，說明改建的采空區仿真模型適用于傾斜礦井的氣體流場仿真。