U型工作面采空区漏风对自然发火的影响

李韫华

(西安市公安消防支队 莲湖区大队，陕西 西安 710002)



U型工作面采空区漏风对自然发火的影响

李韫华

(西安市公安消防支队 莲湖区大队，陕西 西安 710002)

为了进一步掌握U型通风方式下采空区漏风流场分布规律，为采空区火灾预防和控制提供理论依据，采用物理相似模拟实验方法，通过搭建采空区气体渗流物理相似模拟实验平台，实现了开采煤层自然垮落，并采用采空区立体监测的手段，对U型通风方式下采空区漏风流场的分布规律进行了研究。结果表明：采空区内漏风存在3个特征区域，即“上隅角漏风影响区”，“架后重点漏风区”和“下隅角煤柱边缘漏风带”，通过分析其各个特征区域的自燃危险性，得出“上隅角漏风影响区”的自燃危险性最大，“架后重点漏风区”的自燃危险性最小。同时，在采空区垂直方向上的漏风强度随着高度的增加而减小,最大影响高度可达到60 m左右。研究指出了U型通风工作面火灾防治的重点区域，为采空区在漏风影响条件下的防灭火工作提供了一定的理论参考。

采空区；自然发火；相似模拟；漏风规律；气体浓度

0 引 言

矿井火灾对工作面的安全生产有着严重的威胁，它能够烧毁煤炭资源和矿井设备，造成工作面和矿井封闭与停产，还可能引起煤尘、瓦斯、水煤汽爆炸，造成重大的人员伤亡事故。中国每年超过300多处的火区因为煤自燃火灾而被封闭，由此造成的资源损失达6 000多万吨，直接和间接经济损失超过50亿元[1～3]。采空区遗煤的自燃过程不仅与煤自身的放热性和氧化性有关，还与采空区的漏风供氧有密切关系，通过采空区内漏风通道分布及气体流动状态能够有效判断采空区自然发火的位置，为防灭火提供重要依据。而采空区是由煤层顶板垮落的岩石碎块和遗煤堆积构成的复杂、不规则和多变的孔隙渗流介质空间[4-8]。目前，研究大多限于采用流场理论建立采空区风流移动规律数学模型，通过数值模拟的方法对采空区内部气体的运移规律进行宏观地分析，从而绘制出采空区风流流动状况和流场风压的分布特征，得到工作面向采空区漏风的入、出变化情况，尚无有效的技术手段能对采空区内部的漏风渗流场进行精确的现场监测[9-12]。而在采空区漏风物理相似模拟试验方面，由于采空区需要人工铺设，受限于开采方法、气密性、通风条件等客观因素，建立三维模型的难度较大，故在二维层面上研究较多，缺乏三维层面的扩展。在解决了上述客观限制因素的情况下，通过搭建三维物理相似模拟实验台，真实地模拟U型通风工作面的开采系统和通风系统，从而得到采空区漏风流场分布规律，为现场的防灭火工作提供了一定的理论指导。

1 采空区气体渗流相似模拟实验台

1.1 实验台的功能和构成

本实验台能够实现“三维岩层，自然垮落，立体监测”的目的，它通过煤层开采后上覆岩层在重力和加载的作用下，使煤层顶板逐步垮落，从而来模拟煤层采动条件下开采层围岩的立体结构变化，最终形成采空区立体模型，并以采空区为研究对象，采用示踪气体监测手段，来监测气体在采空区中的浓度场分布，从而研究在一定通风方式下，采空区内部的气体渗流规律。

实验台主要由实验箱体、通风设备(通风管、气瓶和风机)、升降条钢及监测仪器4部分组成。按功能区分为通风系统、开采系统以及数据采集系统，如图1为实验台整体结构示意图。

图1 实验台整体结构示意图

1.2 实验台系统功能的实现

通风系统的主要功能是模拟煤矿井下开采时工作面通风和采空区漏风环境，包括在进风流中稳定地释放示踪气体。它主要通过特制的U型通风管、WG600S调速蠕动泵、高压氦气瓶、平衡罐及流量调节计构成。

开采系统的主要功能是在模型铺设完成之后，通过内部机械(升降条钢)控制，将底部煤层按照工作面回采规律逐步采出，在开采后形成一个无支护的空间，并让其顶板在上覆岩层重力和加载的作用下自然垮落，从而达到模拟真实工作面回采和采空区覆岩冒落的过程。

气体监测系统是通过在煤层上覆岩层相应的点位及时埋设取气管，管路另一端由侧板引出，实验过程中考虑到气体的使用安全性和配套监测仪器等因素，选用氦气作为示踪气体，并使用MOT400型气体分析仪对测点逐个进行取气分析。在模型开切眼和工作面沿煤层走向持续推进180 m，煤层顶板垮落并形成采空区后，进行通风和示踪气体监测。

1.3 实验台监测点的布置

此实验台为立体模型，布置有3个水平的气体监测点，顶层测点与中间层相距10 cm，中间测点位于开采煤层之上8 cm，底层测点与开采煤层持平。底层测点在水平方向上共分为8列，每列7个测点，上隅角独立设置57个测点，中间测点除上隅角未设置测点外，其余测点设置与底层布置一致；上层测点在水平方向上分为8列，每列5个测点，共40个测点，3层共布置153个测点。图2和图3分别为测点布置平面图和垂直方向上的分布示意图。其主要是通过对不同点位的监测点进行持续的气体浓度监测，从而可以对采空区三维漏风流场进行分析。

图2 应力传感器与测气点水平分布平面图

图3 测气点垂直方向分布剖面图

2 工作面概况及物理模型的建立

2.1 工作面概况

本次相似模拟实验原型为山西某公司202综采面，202综采工作面主采15#煤层，煤层厚度平均为5.2 m，采用综合机械化煤采煤法，近水平开采，一次采全高，工作面走向长度836 m，倾向长度120 m，工作面倾角7°，全部垮落法管理顶板。工作面布置有一条进风巷、一条回风巷，通风方式采用一进一回U型负压通风法。

2.2 物理模型的建立

在通过相似模拟实验研究采动覆岩变形、破坏过程和裂隙分布等特点时，实验模型与原型的物理力学参数必须相似，而在此类相似常数选择时，泊松比和容重根据实验要求选择，而强度和应力则根据相似准则计算[13-15]，本次实验根据上述选择和计算，得到最终的物理力学相似参数(见表1)和模型岩层物理力学性质(见表2)。

表1 模型物理力学参数相似常数Tab.1 Similarity constants of the physical mechanical parameters of model

表2 模型煤岩层物理力学性质Tab.2 Physical mechanical properties of the coal rock of model

3 实验结果

在开采工作完成24 h，煤层覆岩垮落稳定后，开始对模型进行通风。在一进一回的U型通风系统中，在进风侧将氦气与空气同时吸入进风管，并将氦气释放流量调节至一固定值，设定通风量为16 L/min，氦气通入量设定为2 L/min，压力0.12 MPa，监测工作在通风系统稳定供风30 min后开始进行。表3为实验台采空区不同测点的示踪气体浓度分布数据。

表3 实验台采空区示踪气体浓度分布Tab.3 Concentration distribution of tracer gas in goaf of experimental platform

将以上数据利用Surfer8.0软件特有的自然邻点插值法计算，首先得到网格化数据，再绘制出处于冒落带层位的浓度云图(如图4,图5所示)，来进行进一步的分析。

图4 采空区冒落带氦气浓度分布云图

图5 采空区冒落带100 m深度内氦气浓度分布云图

从图中可以看出，采空区漏风分布存在以下3个特征区域。

1)“上隅角漏风影响区”。此区域位于分布云图左上角的椭圆范围内(见图5)，氦气浓度主要分布在10%～26%之间，此区域包含了在倾向上从回风巷到工作面40 m范围和此宽度后方采空区80 m的深度范围。在此区域内，综采工作面会在煤柱边缘一侧留有一定的顶煤或底煤，且煤柱受压变形后会产生裂隙并形成大量浮煤，并导致漏风增大，这就为煤自然发火提供了相应的条件。而采空区内的气体受上隅角处负压通风影响，会改变原有流动方向，直接转向上隅角，造成此区域的漏风强度接近引起煤自燃的漏风强度，所以其自燃危险性最大。加之此处风流直接流入工作面靠近回风侧处，则此区域的自燃对工作面安全的影响也最大；

2)“架后重点漏风区”。此区域位于分布云图左侧的半椭圆范围内(见图5)，氦气浓度均在40%以上。进风巷工作面端头处有大量的漏风从下隅角进入采空区，并流经工作面的液压支架后，从工作面中部靠上隅角一侧重新返回工作面。在此区域，虽然漏风较大，通常大于煤自燃极限漏风强度，不满足自燃所需的蓄热条件。而且架后区域在一次采全高并清理浮煤的条件下，其浮煤堆积高度通常小于极限浮煤厚度，因此，“架后重点漏风区”内的煤自燃危险性最低；

3)“下隅角煤柱边缘漏风带”。此区域位于分布云图左下方的矩形范围内(见图5)，氦气浓度主要分布在12%～40%之间。此区域在下隅角一侧采空区内的煤柱边缘松散三角区内，漏风强度远远大于上隅角煤柱一侧的松散三角区。其虽然也具备较好的浮煤条件，但由于漏风强度较大，主要危险区域距工作面较远，从而自燃引起的安全威胁较小。

采空区9 m深度垂直方向上的氦气浓度分布如图6所示，从图中可以看出，采空区中部上方氦气浓度略高于两侧，下隅角上部略高于上隅角上部，风流迹线沿倾向方向对称，垂直方向上氦气浓度分布呈现底部高、上部低的特点，说明采空区漏风强度在垂直方向上随着高度的增加而减小，并且采空区漏风在垂直方向上的影响范围可以达到60 m左右。

图6 采空区9 m深度垂直方向氦气分布云图

4 结 论

1) 搭建了可用于研究采空区气体渗流规律的三维物理相似模拟实验台，从而可以较为精确的研究采空区空间内气体流场的分布特征；

2) 研究了U型通风条件下采空区内的漏风分布情况，并分析总结了在采空区内漏风存在3个特征区域，即：“上隅角漏风影响区”，“架后重点漏风区”和“下隅角煤柱边缘漏风带”。同时分析了各个特征区域的自燃危险性，结果为“上隅角漏风影响区”最大，“架后重点漏风区”最小；

3)研究得出在采空区垂直方向上，风流迹线沿倾向方向是对称的，并且采空区漏风强度在随着高度的增加而减小，最大影响高度可达到60 m左右。

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Effect of air leakage on spontaneous combustion at goaf of U-shape working face

LI Yun-hua

(LianhuDistrictDetachmentofPoliceFireDrigade,Xi’an710002,China)

In order to further understand the air leakage law in goaf with U-shape ventilation system and provide theoretical basis for fire prevention and control,we use physical simulation experiment method and build the experimental platform for similar simulation of goaf gas seepage.We also achieve the natural caving of coal mining and uses the three-dimensional monitoring means to study the air leakage law in goaf with U-shape ventilation system.The results show that:the air leakage exists in three characteristic regions as follows,the “air leakage region with upper corner”,“air leakage region behind the support”and“air leakage region of lower corner pillar edge”.According to the analysis of the spontaneous combustion hazard of each feature area,we know the spontaneous combustion hazard of “air leakage region with upper corner” is the highest,and the spontaneous combustion hazard of “air leakage region behind the support” is the lowest.At the same time,the air leakage intensity increases with the height decreases in the vertical direction in goaf,and the biggest impact height can reach 60 m.The research points out the key regions of fire prevention in U-shape ventilation system,and provides a theoretical guidance for fire prevention work at goaf with air leakage influence.

goaf;spontaneous combustion;similar simulation；air leakage law；gas concentration

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0106

1672-9315(2015)01-0032-06

2014-09-10责任编辑:刘 洁作者简介：李韫华(1976-)，女，陕西西安人，工程师，E-mail:510081248@qq.com

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