古山煤矿易自燃倾斜煤层综放面防灭火措施数值模拟*

毕 波，陈 鹏，安士凯，李 翠，徐燕飞

(1.煤矿生态环境保护国家工程实验室，安徽 淮南 232001；2.华北科技学院安全工程学院，北京 101601)

0 引言

矿井火灾是威胁煤矿安全生产的主要灾害之一，由采空区自然发火而引发的瓦斯爆炸更是威胁煤矿职工生命安全的主要元凶。在自然发火隐患的矿井，火灾防治工作是矿井安全生产的第一要务。近年来随着矿井开采年限的增长、井下采空区的增多，以前不存在火灾隐患的矿井也出现了发火征兆,使未来采空区火灾的防治变得尤为重要。文中通过向采空区埋设束管化验气体成分，确定采空区“自燃带”边界；通过数值模拟，计算采空区渗流场、氧浓度分布，分析采空区的自燃“三带”[1]；并研究向采空区注氮、在上下隅角筑挡风墙、不放煤等防灭火措施对采空区自燃“三带”的影响，从而更好地指导防灭火工作。

古山煤矿地表标高+576～+600 m，煤层厚度14 m、煤层最大倾角为44°，属易自燃倾斜煤层。工作面采用走向长壁后退式采煤、支撑掩护式低位放顶煤技术。煤层内含有发火期为15天的丝煤，在工作面的上部还有小煤窑火区和上分层火区。矿井的火灾防治工作十分复杂，严重影响煤矿的正常生产。

1 模拟模型与实测结果

1.1 采空区渗流与扩散模型

数值模拟模型为古山煤矿工作面。工作面进风量642 m3/min，巷道氧气浓度为20.8%、氮气浓度为79%。工作面风流流动是紊流，非均质采空区是由紊流、层流和过渡流形成的非线性渗流场。对大面积的冒落采空区，可采用达西定律进行渗流耦合计算。采空区的气体浓度分布服从Fick定律扩散[1]。

1.2 现场实测结果

采空区防火根据漏风风速、氧气浓度、遗煤厚度划分为3个区域“散热带”、“自燃带”、“窒息带”。“散热带”一般认为采空区漏风风速>0.16 m/s时，风流可以把煤层自燃产生的热量及时带走，热量不能持续蓄积煤就不会发生自燃现象。“自燃带”采空区漏风风速<0.16 m/s时，风流不能把煤层自燃产生的热量带走。一定厚度的遗煤、持续的氧气供应，煤体经过长时间的热量积聚最终会导致采空区自燃。“窒息带”处于采空区漏风风速较小的区域，风流内氧气浓度<8%时，风流不能为煤体自燃提供足够的氧气供应最终会发生窒息。即使煤体已经发生自燃，也会因缺少足够的氧气而进入“窒息带”缺氧而窒息[1，3]。

通过向采空区埋束管取气，经化验分析数据得出采空区氧气浓度分布，从而判定采空区自燃“三带”。图1为采空区两测点的氧气浓度测试值，1号点距下帮煤壁45 m，从47 m处开始进入窒息带；2号点距下帮煤壁75 m，从25 m处开始进入窒息带。

图1 实测采空区氧气浓度分布图

2 数值模拟

2.1 采空区“三带”模拟

根据现场工作条件，对采空区的自燃“三带”进行了模拟。工作面进风量642 m3/min，采空区注氮流量320 m3/h、浓度在97%以上，注氮位置处于采空区进风侧向内20 m的位置。图2为注氮采空区“三带”分布图，显示氧气浓度从8%～18%的等值线和漏风风速为0.016 m/s的等值线。由于工作面采用放顶煤，采空区遗煤均>自燃最小堆积厚度。因此漏风风速<0.016 m/s且氧气浓度>8%的区域为“自燃带”；漏风风速>0.016 m/s的区域为散热带；氧气浓度<8%的区域为窒息带。模拟结果如下：采空区“自燃带”宽度为42 m，距下帮煤壁45 m，采空区从46 m处进入窒息带；距下帮煤壁75 m，采空区从23 m处进入窒息带。模拟结果基本与现场实测1号、2号测点相符，见表1。

表1 现场实测进入窒息带与模拟进入窒息带的位置对比表

图2 注氮采空区“三带”分布图

2.2 筑挡风墙的数值模拟

在工作面上下隅角筑挡风墙减少采空区的漏风是最常用的防灭火措施。但对如何影响采空区的“三带”问题研究较少。为更好地指导防灭火工作，对筑挡风墙后采空区“三带”变化进行数值模拟。图3、图4为“三带”随着挡风墙位置变化的模拟结果。工作面保持进风量、注氮量不变，在上下隅角分别筑2 m×1.5 m×2.6 m挡风墙。“自燃带”宽度随挡风墙位置变化的模拟结果见表2。由表2可看出上隅角挡风墙对于工作面的防火工作只在初期有效果。随着挡风墙的进入工作面采空区对自然带的影响在急速下降。当挡风墙进入采空区4 m时就已经失去了作用。所以挡风墙必须要连续构筑。

表2 上隅角挡风墙对“自燃带”宽度的影响表

a-埋进采空区1 m位置；b-埋进采空区3 m位置图3 上隅角挡风墙对自燃带的影响

a-埋进采空区1 m；b-埋进采空区3 m图4 下隅角挡风墙对自燃带的影响

埋进距离/m开始位置/m结束位置/m“自燃带”宽/m上隅角1 m03838下隅角1 m03434上隅角3 m54944下隅角3 m54136

表3为上下隅角挡风墙对“自燃带”宽度的影响对比表。可看出在挡风墙规格相同的情况下，在下隅角筑挡墙的自燃带宽度要小于上隅角。且下隅角对采空区自然带的影响时间要远远长于上隅角。

2.3 不放顶煤的数值模拟

由于古山煤矿工作面防火条件复杂，在回采过程中可能出现需要加快工作面推进速度而不能放顶煤的情况。不放顶煤在采空区形成煤柱可以减小采空区的漏风率，有利于防火。为研究采空区不放顶煤对“自燃带”的影响，对保持工作面的进风量、注氮量不变，有10 m不放煤的情况下进行数值模拟。研究结果如图5所示。当10 m的煤柱进入采空区10 m、30 m、50 m、70 m时，对采空区的“三带”的影响。可以看出在不放顶煤的情况下，采空区渗透系数减小，导致“自燃带”范围减小。尤其是当煤柱进入采空区30 m时“自燃带”的范围达到最小值。

a-煤柱埋进10 m；b-煤柱埋进30 m；c-煤柱埋进50 m；d-煤柱埋进70 m图5 不放煤对采空区“自燃带”的影响

“自燃带”宽度随采空区煤柱埋进位置的变化见表4。由表4可知不放煤采空区“自燃带”宽度的影响成阶段性变化。第一个阶段是采空区的“自燃带”随煤柱被埋进采空区距离增加而减小。当煤柱被埋进到30 m后，采空区的“自燃带”宽度达到最小值。第二个阶段是采空区“自燃带”随着煤柱被埋进采空区距离增加而增加。当煤柱被埋进采空区70 m后对采空区“自燃带”长度的作用减小为零。

表4 “自燃带”宽度随采空区煤柱埋进位置的变化表

3 结论

(1)在风量为642 m3/min且注氮量为320 m3/h时，采空区“自燃带”宽度为42 m。

(2)上下隅角挡风墙对于工作面的防火工作只在初期有效果。随着挡风墙的进入工作面采空区对自燃带的影响在急速下降。当挡风墙进入采空区4 m时就已经失去了作用。所以挡风墙必须要连续构筑。

(3)所筑挡风墙规格相同的情况下，在下隅角筑挡风墙的效果要比在上隅角的情况好一些。

(4)不放煤采空区“自燃带”宽度的影响成阶段性变化。当煤柱被埋进到30 m时，采空区的“自燃带”宽度达到最小值。当煤柱被埋进采空区70 m以后对采空区“自燃带”长度的作用减小为零。