六家煤礦綜放采空區自燃危險區域實測及數值模擬

王中舉 張德鵬 韓 偉

（1.內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司老公營子煤礦；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司；3.內蒙古平莊煤業（集團）有限責任公司六家煤礦）

礦井火災是煤礦發生的重大災害之一，我國大中型煤礦中存在自然發火危險的礦井約占總數的70%［1］，由于采空區遺煤自然發火引起火災占火災事故總數的80%左右［2］。隨著現代采煤工藝的發展，大采高綜采放頂煤工藝普遍應用于大部分煤礦，綜采放頂煤工藝在提高采煤效率的同時也造成采空區遺煤量大、結構松散、漏風通道復雜、漏風量多等現象，為采空區遺煤提供良好的供氧條件與蓄熱條件，極易引起采空區自然發火［3-4］。在回采過程中按遺煤發生自燃的可能性將采空區劃分為散熱帶、氧化帶、窒息帶。準確測試劃分“三帶”范圍，可以為礦井防滅火措施提供依據，避免采空區自然發火事故。目前對于采空區“三帶”劃分國內外并無統一標準，在現場實踐中形成3 種劃分指標：采空區漏風風速、采空區氧濃度、采空區溫度［5-7］。本文以六家煤礦SIIN26-9綜放工作面為研究對象，在現場實踐中以氧濃度結合溫度作為標準劃分采空區“三帶”范圍，同時利用數值模擬方法以漏風風速為標準對“三帶”范圍進行優化。

1 工作面概況

六家煤礦位于內蒙古自治區赤峰市東南45 km處，隸屬于平莊煤業（集團）有限責任公司，2012 年核定生產能力為180 萬t/a。2019 年礦井瓦斯等級鑒定結果為低瓦斯礦井。煤層自燃傾向性為Ⅱ類，屬自燃煤層，煤塵具有爆炸性。SIIN26-9綜放工作面位于南二采區，工作面走向長度680 m，傾向長度160 m，平均煤厚6.9 m，采用走向長壁后退式采煤方法，綜合機械化放頂煤采煤工藝。全部跨落法管理頂板，巷道用錨網聯合支護。

2 現場實測研究

2.1 采空區埋管布置方案

選取SIIN26-9 綜放工作面為研究對象，共布置4個測點，分別在工作面和回風順槽，具體位置如圖1所示，采用PT100熱電阻溫度傳感器和電阻值測試儀測試采空區溫度變化，采用便攜式負壓采樣泵和束管采集采空區氣體，地面氣相色譜分析儀分析氣體成分，獲取O2、N2、CO、CH4、C2H4、C2H2濃度和溫度T。每個測點安裝1個氣體采樣器和溫度探頭，每個采樣器連接1 路束管，溫度傳感器連接1 路雙絞線，測點采樣器外加套管保護通過三通連接。

2.2 觀測結果

對SIIN26-9 綜放工作面進行70 d 的采空區溫度及氣體實測，然后對采空區自然發火“三帶”進行初步劃分。

（1）從采空區氧濃度分析。“三帶”劃分按氧氣濃度＞17%為散熱帶，氧氣濃度＜7%為窒息帶，7%～17%為氧化帶，分析各測點氧濃度變化情況，初步得出SIIN26-9工作面采空區散熱帶、氧化帶和窒息帶的范圍，如表1所示。

根據表1 可得出，SIIN26-9 工作面散熱帶寬度為0～35.4 m，氧化帶寬度為35.4～98.6 m，窒息帶寬度為大于98.6 m。

（2）溫度變化規律分析。測點1～4溫度變化規律如圖2 所示。從溫度曲線可以看出，測點1 在埋入采空區后20 m處出現溫度上升，最高溫度達24.4 ℃，當埋入采空區90 m后溫度開始下降；測點2在埋入采空區35 m處出現溫度上升，最高溫度達24.5 ℃，當埋入采空區100 m 處溫度開始下降；測點3 在埋入采空區后30 m處出現溫度上升，最高溫度達24.6 ℃，當埋入采空區95 m后溫度開始下降；測點4在埋入采空區后20 m 處出現溫度上升，最高溫度達24.4 ℃，當埋入采空區80 m 后溫度開始下降。從各測點溫度變化規律結合氧氣分布，可以得出：采空區距離工作面35 m 范圍內為散熱帶，此區域溫度變化不大，少量遺煤開始氧化，大部分生成的熱量被帶走；采空區距離工作面20～100 m 為氧化帶，此區域大量浮煤開始氧化，煤溫逐漸升高，大部分生成的熱量滯留在采空區內，導致溫度有所升高；采空區距離工作面80～100 m 后進入窒息帶，此區域伴隨氧氣濃度下降，浮煤逐漸氧化進程變慢以致最終停止氧化，溫度開始緩慢下降。通過溫度劃分的“三帶”范圍與氧氣濃度劃分結果基本一致。

（3）其他自然發火標志氣體變化規律分析。在整個實測過程中，采空區有少量CO 生產，沒有出現C2H4、C2H2，由此可得出采空區浮煤未達到加速或急劇氧化階段。

3 數值模擬分析

由于現場條件復雜，無法對采空區全面監測，只能選取幾個測點來測定從而進行推斷采空區自燃危險區域，這樣所得出的結論片面，準確性欠佳，所以通過FLUENT 流體模擬軟件對六家煤礦SIIN26-9 綜放工作面采空區進行建模計算，根據六家煤礦SIIN26-9綜放工作面的實際情況來設定初始條件，對采空區漏風流場進行模擬計算，根據風速判斷采空區自燃危險區域，與實測結果互相驗證和補充，最終判斷出更切合實際的采空區自燃“三帶”范圍。

3.1 物理模型的建立

利用FLUENT軟件進行氣體流動分析，流體模型基于流體運動控制方程（連續性方程、動量守恒方程、能量守恒方程）建立。

根據六家煤礦SIIN26-9 綜放工作面采空區的實際概況，參照有關參數建立工作面幾何模型，包括進風順槽、回風順槽、回采工作面及采空區，其中工作面長170.2 m、寬7.34 m、高2.5 m，采空區長150 m、寬170.2 m、高20 m。利用ICEM 建立物理模型，以煤層走向為X軸，傾向為Y軸，垂向為Z軸。

根據SIIN26-9 綜放工作面實際情況建立幾何模型，如圖3所示。

3.2 參數設定

（1）邊界條件的設定。將劃分好網格的模型導入到FLUENT 中，依據SIIN26-9 綜放工作面實際條件，設置進風巷入口速度為0.75 m/s；設置回風巷出口為自由出流。

（2）采空區模型滲透率的確定。采空區由于煤巖跨落得到一個漏風空間，該空間可看作多孔介質，由于煤巖跨落不均勻和支架支撐等影響，使采空區內的滲透率呈不均勻分布，采空區的滲透率直接影響著漏風大小，在模擬多孔介質過程中，滲透率的準確程度直接影響著模擬效果，滲透率的確定是該模擬過程中重要的一個步驟。根據國內外模擬采空區的研究現狀，得到滲透率的連續性方程。采空區的滲透率由介質的孔隙率、平均粒子直徑決定，根據Blake-Kozeny公式計算：

式中，e為滲透率，m2；Dp為平均粒子直徑，取0.014～0.016 m；n為孔隙率，%。

由式（1）可知，滲透率可由孔隙率計算得出。根據參考文獻及經驗分析，得出孔隙率變化規律：采空區內距工作面越遠孔隙率越小，當到達壓實穩定區，采空區的孔隙率趨于穩定；在進風巷和回風巷兩側，由于懸臂梁結構的原因，導致進回風巷兩側孔隙率較大，當距離工作面較遠時，煤巖壓實較穩定，孔隙率也趨于穩定。所以采空區孔隙率基本呈“O”形圈的形狀，孔隙率的分布公式如下：

通過孔隙率導出滲透率公式，從而確定黏性阻力、黏性阻力及滲透率倒數，將黏性阻力、孔隙率公式利用C 語言編譯，導入FLUENT 中的UDF 進行設定。

3.3 計算結果及分析

通過對采空區模型進行解算分析，得到采空區內漏風流場，依據采空區漏風對現場測試結果進行修正。散熱帶與氧化帶的臨界風速按0.004 m/s 計，氧化帶與窒息帶的臨界風速按0.001 67 m/s 計，利用Tecplot 處理Z=1 m 截面模擬速度云圖如圖4 所示，三維氧化帶云圖如圖5 所示，Z=1 m 截面二維氧化帶云圖如圖6 所示（X/Y/Z軸與模型一致）。考察SIIN26-9綜放工作面采空區在X和Y軸方向上的模擬結果。由圖4～圖6 可以看出，采空區進、回風兩側氧化帶寬度變化不大，由于進風側向采空區漏風較多，其氧化帶比回風側略遠；整體上距工作面越遠，漏風風速越小，并且采空區范圍內進風側和回風側漏風風速略大于工作面中部。

可以看出模擬的采空區自然發火“三帶”范圍：進風側散熱帶＜38 m，窒息帶＞76 m，中間為氧化帶；工作面中部散熱帶＜30 m，窒息帶＞82 m，中間為氧化帶；回風側散熱帶＜28 m，窒息帶＞72 m，中間為氧化帶。

模擬結果與實測數據結合，綜合確定采空區自然發火“三帶”范圍為進風側散熱帶＜35 m，窒息帶＞80 m，中間為氧化帶；工作面中部散熱帶＜30 m，窒息帶＞85 m，中間為氧化帶；回風側散熱帶＜25 m，窒息帶＞75 m，中間為氧化帶。

4 結論

（1）對SIIN26-9綜放工作面進行70 d的“三帶”溫度及采空區氣體實測，測試結果表明按氧氣濃度劃分散熱帶寬度為0～35.4 m，氧化帶寬度為35.4～98.6 m，窒息帶為大于98.6 m；通過溫度劃分的“三帶”范圍與氧氣濃度劃分結果基本一致。

（2）利用FLUENT 流體模擬軟件對六家煤礦SIIN26-9綜放工作面采空區進行建模計算，根據風速對采空區自燃危險區域進行優化，最終得到采空區在進、回風側及工作面中部3個位置的自然發火“三帶”范圍，進風側散熱帶＜35 m，窒息帶＞80 m，中間為氧化帶；工作面中部散熱帶＜30 m，窒息帶＞85 m，中間為氧化帶；回風側散熱帶＜25 m，窒息帶＞75 m，中間為氧化帶。

（3）實測結果與模擬結果之間存在一定的差異，最大差異為8 m，實測數據波動范圍較大，說明采空區散熱帶、氧化帶及窒息帶之間的分界線不是固定的，同時模擬可以對無法實測的區域進行補充完善。

（4）針對實測和模擬結果，有針對性地對進、回風側采空區氧化帶采取了注氮和注漿防滅火措施，在工作面開采過程中，沒有出現自然發火現象，有效保障了工作面生產安全。