沿空留巷工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布特征研究

摘 要：【目的】研究沿空留巷對采空區(qū)自燃“三帶”分布的影響。【方法】采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的方法，研究采空區(qū)的溫度場和O2濃度場分布特征。【結(jié)果】結(jié)果表明，受沿空留巷漏風(fēng)影響，在留巷處采空區(qū)散熱帶拖尾過長，截?cái)嗔搜趸瘞Ш椭舷В谎趸瘞С尸F(xiàn)上寬下窄的近似L形分布，平均寬度為60 m。【結(jié)論】數(shù)值模擬的采空區(qū)溫度場分布特征與實(shí)測結(jié)果一致，采用數(shù)值模擬技術(shù)研究采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律是一種經(jīng)濟(jì)、有效的方法。

關(guān)鍵詞：沿空留巷；自燃“三帶”；溫度場

中圖分類號：TD752" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號：1003-5168（2025）05-0062-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.05.011

Study on the Distribution Characteristics of the \"Three Zones\" of

Spontaneous Combustion in Goaf of Gob Side Entry Retaining

Working Face

LI Xiangcheng

（Middling Coal Danshuigou Coal Industry Co.， Ltd.， Shuozhou 036000， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to study the influence of gob side entry retaining on the distribution of spontaneous combustion \"three zones\" in goaf. [Methods] Numerical simulation combined with on-site measurement was used to study the distribution characteristics of temperature field and O2 concentration field in goaf. [Findings] The results showed that due to the influence of air leakage of gob side entry retaining， the tail of the heat dissipation zone in the goaf at the goaf was too long， cutting off the oxidation zone and suffocation zone; the oxidation zone presents an approximately \"L\" - shaped distribution with a wide top and narrow bottom， with an average width of 60 m. [Conclusions] The temperature distribution characteristics of the goaf simulated by numerical simulation are consistent with the measured results. Using numerical simulation technology to study the distribution law of the \"three zones\" of spontaneous combustion in goaf is an economical and effective method.

Keywords： gob side entry retaining; spontaneous combustion \"three zones\"; temperature field

0 引言

煤炭開采過程中伴隨著多種災(zāi)害事故的發(fā)生，其中煤層自燃發(fā)火是礦井災(zāi)害中最主要的災(zāi)害類型之一。截至2023年底，我國煤礦數(shù)量約有4 300座［1］，其中具有煤層自燃發(fā)火傾向的礦井達(dá)到90%以上。近年來，隨著礦井煤層防發(fā)火技術(shù)的進(jìn)步，礦井煤層自燃事故出現(xiàn)逐年降低的情況。但對礦井煤層自燃起火預(yù)防與治理依然不能掉以輕心。隨著礦井開采年限的增加，通風(fēng)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，煤層自燃起火防治的壓力也會越來越大。調(diào)查顯示，煤礦火災(zāi)事故中，由煤層自燃發(fā)火引起的概率大于85%［2］，而煤層自燃發(fā)火95%以上均是由采空區(qū)漏風(fēng)引起的。由此可見，關(guān)于采空區(qū)防滅火技術(shù)的研究具有重要意義。由于沿空留巷能減少掘巷工程量，提高煤炭開采率，同時緩解礦井接替緊張的局面，當(dāng)前該技術(shù)被廣泛應(yīng)用。但采取留巷技術(shù)施工后工作面形成Y型通風(fēng)系統(tǒng)，給采空區(qū)漏風(fēng)防治帶來了較大困難［3-4］，因此采空區(qū)煤層自燃發(fā)火防治效果成為沿空留巷技術(shù)能否推廣的關(guān)鍵。

一些學(xué)者和工程技術(shù)人員對此開展了廣泛的研究。王炯等［5］利用Fluent軟件數(shù)值模擬Y型通風(fēng)條件下風(fēng)流場分布規(guī)律及工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況，并指出沿空留巷導(dǎo)致了采空區(qū)散熱帶、自燃帶范圍的增大，生產(chǎn)中要加強(qiáng)留巷側(cè)采空區(qū)自燃“三帶”范圍的控制。Chu等［6］通過數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測的方法，對瓦斯抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”發(fā)展規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，瓦斯抽采加劇了漏風(fēng)，導(dǎo)致采空區(qū)氧化帶寬度增加。周夏冰等［7］以具體工程為實(shí)踐背景，利用Fluent數(shù)值模擬的方法，對雨汪煤礦1010201工作面Y型通風(fēng)條件下采空區(qū)的自燃“三帶”分布規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度距離采面和沿空留巷的間距越近其濃度越高。郭艷飛等［8］通過在采空區(qū)漏風(fēng)的進(jìn)風(fēng)側(cè)釋放SF6氣體并進(jìn)行監(jiān)測的方法，研究了采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律。結(jié)果表明，沿空留巷漏風(fēng)加大了采空區(qū)的瓦斯涌出量，沿空留巷段漏風(fēng)通道隨工作面推進(jìn)整體呈增大趨勢。

上述研究揭示了Y型通風(fēng)條件對采空區(qū)自燃“三帶”分布的影響，提出的數(shù)值模擬和各種現(xiàn)場測試、評估方法對工作面防火提供了重要參考。但采空區(qū)發(fā)火時，火源隱蔽性較高，難以準(zhǔn)確判斷其位置，導(dǎo)致火災(zāi)治理困難。特別是Y型通風(fēng)條件下，隨著工作面推進(jìn)，沿空留巷距離的不斷增加，漏風(fēng)點(diǎn)呈現(xiàn)動態(tài)變化，采空區(qū)自燃“三帶”難以準(zhǔn)確劃定。本研究以某礦Y型通風(fēng)工作面為例，通過多種技術(shù)手段研究了采空區(qū)自燃“三帶”分布特征，為工作面防滅火工作提供技術(shù)參考。

1 工作面概況

試驗(yàn)工作面為某礦4204工作面，開采4-1煤層。采用長臂后退式綜合機(jī)械化采煤放頂煤工藝。煤層賦存厚度為3.05～6.22 m，平均厚度為4.8 m，煤層具有自燃傾向性，發(fā)火周期低于4個月。工作面下付巷風(fēng)量為 1 560 m3/min，沿空留巷段進(jìn)風(fēng)量為520 m3/min。工作面留巷及通風(fēng)布置情況如圖1所示。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布特征

采空區(qū)自燃現(xiàn)象發(fā)生的典型特征是溫度升高和O2濃度降低，本研究以此2項(xiàng)指標(biāo)的變化情況來研究采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律。

2.1 數(shù)字模擬

2.1.1 理論方程。采空區(qū)垮落后內(nèi)部結(jié)構(gòu)松散，氣體流通性強(qiáng)，氧化過程的氣體濃度變化屬于多耦合因素，可通過建立流場、濃度數(shù)值模型的方法，并結(jié)合能量方程，來解算采空區(qū)自燃“三帶”分布特征［9］。

風(fēng)流場控制方程見式（1）。

[?（ερg）?t+?（ρg?u）=0]" " " " （1）

式中：[ρg]為流場氣體的密度，kg/m3；[ε]為采空區(qū)遺留煤體的孔隙率；[t]為采空區(qū)空氣滲流時間，s；[u]為氣體的滲流速度，m/s。

空氣壓力梯度的計(jì)算見式（2）。

[-?p=μk?u+cf?ρgkuu]" " " "（2）

式中：[p]空氣壓力（靜壓+動壓），Pa；[k]為空氣的滲透率，m2；[cf]為空氣的拖曳系數(shù)；[μ]為空氣的動力黏度，Pa·s；[u]為空氣的流速模量，m/s。

氣體組分濃度方程見式（3）。

[ε??c?t+?（-εD?c）+u?c=R（1-ε）]" " " （3）

式中：[c]為氣體組成濃度，mol/m3；[D]為濃度擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；[R]為氧化反應(yīng)的耗氧速率，mol/（m3·s）。

采空區(qū)遺煤氧化反應(yīng)耗氧方程見式（4）。

[RO2=A·cO2?expEaT??d]" " "（4）

式中：[A]為煤氧化反應(yīng)的指前因子，S-1；[cO2]為氧氣的濃度；[?d]為煤顆粒粒度影響函數(shù)；[T]為氧化時物理場溫度，K；[Ea]為活化能。

氧化場的能量方程見式（5）。

[ρCpeq??T?t+ρs?Cp?u??T=?KeqΔT+a1-εW]" （5）

式中：[Cp]為煤的比熱容，J/（kg·K）；[Keq]為煤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/（m·K）；[ρs]為固體密度，kg/m3；[a]為煤的耗氧速率，mol/（m3·s）；[W]為煤的單位反應(yīng)產(chǎn)熱值，J/mol。

煤氧化過程的放熱方程見式（6）。

[W=q1?R]" " （6）

式中：[q1]為煤氧化過程中的產(chǎn)熱值，J/mol。

工作面采空區(qū)空隙分布方程見式（7）。

[ε=εx?εy=0.2e-0.012 1x+uktb?e-0.15L2±y+1]" （7）

式中：[εx]、[εy]分別為采空區(qū)沿x、y軸向的孔隙率；[L]為工作面長度，m；x為工作面推進(jìn)距離，m；y為工作面寬度，m；[uk]為工作面采煤推進(jìn)速度，m/s；[tb]為時間，s。

2.1.2 初始邊界條件。根據(jù)工作面采空區(qū)自燃氧化規(guī)律，結(jié)合現(xiàn)場情況，利用Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬。數(shù)值模型的初始邊界條件見表1。

2.1.3 模擬結(jié)果。根據(jù)模擬結(jié)果數(shù)據(jù)繪制O2濃度和溫度的等值線，如圖2和圖3所示。

由圖2可知，采空區(qū)O2濃度場呈扇形分布，O2濃度最低點(diǎn)位于上付巷采空區(qū)深部，朝著下付巷與工作面下切口處濃度逐漸增加，在沿空留巷與工作面切巷之間形成一個近似L形分布的高氧帶。分析認(rèn)為，采空區(qū)O2濃度場分布特征主要受留巷漏風(fēng)的影響而形成。沿空留巷支護(hù)措施及采空區(qū)隔離墻受到頂板垮落影響而產(chǎn)生漏風(fēng)現(xiàn)象，漏風(fēng)導(dǎo)致其附近采空區(qū)的O2濃度增加，導(dǎo)致沿工作面采空區(qū)形成L形分布的高氧帶。

由圖3可知，采空區(qū)溫度場呈現(xiàn)半橢圓形分布，高溫點(diǎn)位于上付巷以里140 m處，并向著采空區(qū)沿傾向軸擴(kuò)展。分析認(rèn)為，由于溫度場的變化滯后于氧化場的變化，且氧化場是隨著工作面的推進(jìn)而動態(tài)變化的過程，溫度場擴(kuò)展方向是氧化場的核心區(qū)域，溫度場撤離方向是氧化完全后窒息區(qū)域。受沿空留巷和工作面切巷漏風(fēng)影響，氧化場始終處于留巷以里和工作面切巷以里40～100 m范圍內(nèi)（如圖2，左下角的高氧區(qū)），所以，此區(qū)域是高溫場的拓展方向（如圖3，高溫場的長軸方向）。

2.2 現(xiàn)場觀察

為了準(zhǔn)確測定采空區(qū)O2濃度場分布情況，工作面回采初期在架后沿工作面傾向鋪設(shè)一組束管氣體檢測裝置，測點(diǎn)沿傾向每40 m布置一個測氣孔，并將束管觀測口設(shè)置在留巷中。隨著工作面的推進(jìn)，連續(xù)跟蹤測試各個測點(diǎn)的O2濃度。在繪制采空區(qū)O2濃度場基礎(chǔ)上，按照O2濃度為18%和8.0%曲線繪制采空區(qū)自燃“三帶”分布圖［10］，如圖4所示。

由圖4可知，在工作面以里約30 m處存在一個上寬下窄并“拖尾”的近似L形分布的氧化帶，寬度為0～100 m，平均寬度為60 m。工作面散熱帶呈現(xiàn)上窄下寬并在沿空留巷附近截?cái)嘌趸瘞Ш椭舷В恢毖由熘灵_切口處（拖尾過長）。且實(shí)測的采空區(qū)O2濃度場分布特征與數(shù)值模擬結(jié)果相似。可見，采空區(qū)存在的自燃“三帶”分布特征同樣是沿空留巷處漏風(fēng)引起的。

3 結(jié)語

通過對沿空留巷工作面采空區(qū)溫度場和 O2濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了自燃“三帶”的分布規(guī)律。經(jīng)過對采空區(qū)O2濃度場的實(shí)測對比發(fā)現(xiàn)其結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果相似，說明對4204工作面采空區(qū)自燃“三帶”的研究結(jié)果是可靠的。研究發(fā)現(xiàn)，受沿空留巷漏風(fēng)影響，在留巷處采空區(qū)散熱帶拖尾過長，截?cái)嗔搜趸瘞Ш椭舷В趸瘞С尸F(xiàn)近似L形分布，平均寬度為60 m。

沿空留巷對工作面采空區(qū)自燃“三帶”發(fā)展和分布規(guī)律產(chǎn)生了較大影響，特別是在不同通風(fēng)方式和支護(hù)條件下，其影響結(jié)果會發(fā)生較大變化。采用數(shù)值模擬技術(shù)研究采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律是一種既簡單又有效的方法。

參考文獻(xiàn)：

［1］中國煤炭工業(yè)協(xié)會.2023年煤炭行業(yè)發(fā)展年度報告［Z］.2024-03-28.

［2］鄧軍，李貝，王凱，等.我國煤火災(zāi)害防治技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2016，44（10）：1-7，101.

［3］楊軍，周開放，陳向軍，等.檸條塔煤礦110工法采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律及防治對策［J］.煤炭技術(shù)，2018，37（2）：145-148.

［4］張德志.“110工法”中綜合防滅火技術(shù)分析及對策［J］.神華科技，2019，17（3）：21-25.

［5］王炯，劉鵬，姜健，等.切頂卸壓沿空留巷回采工作面Y型通風(fēng)漏風(fēng)規(guī)律研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2021， 38（3）： 625-633.

［6］CHU T，LI P，CHEN Y.Risk assessment of gas control and spontaneous combustion of coal under gas drainage of an upper tunnel［J］.International Journal of Mining Science and Technology，2019，29（3）：491-498.

［7］周夏冰，蔡峰，封居強(qiáng).Y型通風(fēng)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律數(shù)值模擬研究［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報，2024，21（2）：13-19.

［8］郭艷飛，郝殿，李學(xué)臣，等.沿空留巷工作面“一進(jìn)兩回”通風(fēng)方式下采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律研究［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2022，49（6）：46-51.

［9］文虎，孟堯，樊世星，等. 不同通風(fēng)方式下“110工法”采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬研究［J］.煤礦安全，2024，55（4）：88-97.

［10］景瑞鋒.Y型通風(fēng)及采空區(qū)瓦斯抽放條件下自燃“三帶”研究［J］.能源技術(shù)與管理，2024，49（4）：127-130，199.