综放工作面采空区自燃“三带”数值模拟研究

赵素平

（山西省煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西 临汾 041204 ）

山西豹子沟煤矿主采的10+11号煤层（由于受沉积变化的影响，两煤层为合并区），厚度3.53～7.37m，平均5.47m，该煤层位于太原组下段上部，中间含少量夹石，结构简单，煤层整体赋存稳定，顶板为泥岩、粉砂岩或石灰岩，顶板厚度南薄北厚，西薄东厚，但变化较为均匀，该煤层绝对瓦斯涌出量为8.04m3/min，相对瓦斯涌出量为4.25m3/t，在掘进煤巷时绝对瓦斯涌出量为0.50m3/min，矿井为瓦斯矿井。经鉴定该煤层火焰长度为50mm，抑制煤尘爆炸最低岩粉用量为65%，煤尘有爆炸性危险，煤自燃倾向性等级为自燃煤层。

由于该煤层为自燃煤层，且采用综采放顶煤开采工艺，故开展采空区自燃“三带”的研究，对矿井有效防治采空区浮煤自燃至关重要[1-2]。利用数值模拟手段，对首采综放工作面采空区自燃“三带”规律进行研究，可为防治煤层自燃提供基础数据[3]。

1 模型建立

1.1 几何模型及模拟方案

根据豹子沟煤矿首采综放工作面的地质资料，利用COMSOL模拟软件建立几何模型，模型主要包含工作面、回风巷、进风巷和采空区四个部分，工作面部分的尺寸为长150m，宽6m，采空区部分长260m，宽150m，回风巷和进风巷的宽度均为4m，计算机区域的边缘为顶板压力稳定区域边界，建立好的几何模型的网络划分结果，如图1所示。

图1 模型网络划分

采空区遗煤自燃一方面受到因供风导致采空区遗煤氧化作用、热量增加的影响，另一方面受到因风流运动热量散失多少的影响，结合两者综合作用对采空区遗煤自燃的影响，在数值模拟时，采用氧气浓度和漏风风速相结合的方法，来对首采面采空区自燃“三带”进行划分，此时散热带与氧化自燃带的界限以风速0.004m/s为界限，氧化自燃带与窒息带以氧气浓度7%为界限。又充分考虑现场监测束管布置及推进度的变化，最终选择模拟方案为当风量分别为1000m3/min、1300m3/min和1600m3/min情况下，模拟采空区自燃“三带”的分布变化情况。

1.2 数学模型

一般情况，在正常开采过程中，采空区中的遗煤主要以松散堆积的形式存在，综放工作面在放煤之前，由于采动影响会导致工作面上部的煤层发生不同程度破碎，产生裂隙，所以建立数学模型时，一般假设采空区内遗煤氧化反应缓慢，气体稳定流动，且不可压缩，另外采空区内堆积的遗煤属于各向同性的多孔介质[4-5]。

由流体流动定律可知，当采空区内部的气体低速流动，且不可压缩时，建立流体运动方程组，可不考虑能量交换。此时采空区的风流流动就只需要满足动量守恒方程、连续性方程和组分输运方程这三个控制方程，方程式如下：

式中：

u-x方向上的风流速度，m/s；

v-y方向上的风流速度，m/s；

ρ-矿井中空气的密度，kg/m3；

t-气体流动时间，s；

P-流体微元上的压力，Pa；

μ-采空区空气的动力粘度，Pa/s；

Su、Sv-自定义的源项。

1.3 边界条件设置

根据首采工作面实际情况，在选取计算条件和参数时，将进风巷设定为入口边界，采空区的出口边界为自由边界。首采工作面进风巷实测量的氧气浓度为20.9%，风流的温度为18.6℃，工作面中测的风速为1.62m/s，通过测量计算可知当时空气的密度为1.225kg/m3，常温下取空气粘性系数 =1.7894×10-5kg/ms，气体的扩散系数D=2.88×10-5m3/s，松散系数设置为1.5。根据经验公式，通过顶板冒落碎胀的实际情况可计算出采空区的孔隙率，公式如下：

采空区的渗透率由多孔介质Carman公式进行计算：

式中：

x-采空区距工作面距离，m；

Dm-平均粒径，m；

n-孔隙率。

2 自燃“三带”数值模拟结果

图2 风量为1000m3/min时模拟结果

图3 风量为1300m3/min时模拟结果

图4 风量为1600m3/min时模拟结果

如图2～图4所示，图中线条1表示流场方向，线条3表示采空区流线，线条2表示氧化带起始位置即漏风速度0.004m/s的等值线，黑线表示氧浓度7%的等值线。从模拟结果不难看出，漏风速度0.004m/s等值线的变化趋势受工作面供风量的大小影响不大，只是随着风量从小到大时，氧浓度7%等值线和散热带的起始位置都会向采空区深部移动；当工作面风量为1000～1600m3/min时，采空区为最大氧化带宽度，宽度为41.5～50m，该宽度随着工作面风量的增加而逐渐变大。结合现场根据氧气浓度划分采空区自燃“三带”实测结果，如表1所示。

表1 根据氧气浓度划分采空区自燃“三带”

对比数值模拟的结果和现场实测的结果，不难发现，两者结果相符，综合分析最终确定首采面采空区遗煤氧化自燃“三带”的范围为：散热带小于27.2m，氧化自燃带 27.2～74.5m，窒息带大于74.5m。又根据该煤层最短自然发火期为81d，根据公式：

式中：

Vi-工作面推进度，m/d；

LZ-氧化自燃带宽度，m；

Lb-散热带宽度，m；

T-最短自然发火期，d。

可计算得到工作面最小回采速度：

Vi=2×74.5/81≈1.84m/d。

3 结论

针对豹子沟煤矿首采面采空区“三带”划分问题，本文利用数值模拟软件，充分考虑现场监测束管布置及推进度的变化，模拟当风量分别为1000m3/min、1300m3/min和 1600m3/min情 况 下，模拟采空区自燃“三带”的分布变化情况，结合现场实测的数据，最终确定“三带”的范围，并计算出工作面最小回采速度1.84m/d，为矿井安全高效生产提供了有力的基础数据。