大采高综放工作面采空区自然发火“三带”分析研究

郭伟强

(山西西山晋兴能源有限责任公司，山西 吕梁 033602)

特厚煤层综采放顶煤技术可以大幅提高煤炭产量和开采效率，但由于综采放顶煤技术一次性开采强度大、冒落高度大，导致采空区遗留残煤多、孔隙率大、漏风严重，加之机电设备功率大、散热多引起采空区温度增高等，使得自然发火频繁。煤炭自燃导致的火灾会产生大量有毒有害气体，并且会引起瓦斯、粉尘爆炸等二次灾害，严重威胁井下人员的生命安全。

煤炭自燃都须经历一个发生、发展的过程，采空区遗煤自燃具有一定的规律性，只要把握这个规律性，在煤炭自燃的初始缓慢聚热阶段对其进行有效控制和处理，就能防止因采空区遗煤自燃而导致矿井火灾的发生。

1 矿井及工作面概述

斜沟煤矿是设计生产能力为15.0 Mt/a的大型矿井，设计服务年限为70年。矿井采用斜井开拓方式，划分两个水平，采用分煤组大巷布置方式。23107综放工作面位于21采区13#煤层，走向长度3 400 m，倾向长度242 m. 采用走向长壁后退式综合机械化低位放顶煤采煤方法进行回采。工作面采高为3.6 m，放煤高度10.75 m，采放比约为1∶2.99，按一刀一放的正规循环作业，循环进度、放煤步距均为0.8 m，采用全部垮落法管理采空区顶板，煤层最短自然发火期为34 d. 由于综放采煤法本身的局限性，回采率有限，采空区遗煤多，再加上放煤高度大，漏风量大，采空区遗煤自然发火严重。

2 采空区自燃“三带”划分

采空区自燃“三带”划分方法包括氧气浓度、采空区内温度(遗煤温升速率)、采空区内漏风风速，而温度划定法和漏风风速划定法较少采用。这是由于采空区内遗煤、矸石导热系数很低，即使采空区内空气存在热对流、传导、辐射等，但范围有限，当采空区局部位置出现遗煤激烈氧化放热时，很难保证热量传递到两巷测点附近；而漏风风速划定的方法现场开展难度大，要求的条件苛刻，适用性低。因此，本次现场测定工作以最为通用的指标氧气浓度作为基础，以采空区温度、漏风风速作为参考指标，采用计算机数值模拟作为采空区自燃“三带”划分的辅助指标。参考13#煤层相关耗氧临界值报告，具体氧气划分指标如下：

散热带：O2浓度>18%

氧化带：7%

窒息带：O2浓度<7%

3 采空区“三带”观测方案

煤层自然发火的氧化放热性能是一定的，当物理条件符合，工作面推进度小于氧化自燃带宽度时，就有可能发生采空区遗煤自燃。因此，预测采空区遗煤自燃时，必须掌握工作面风量、采空区自燃带范围、温度、O2浓度、CO浓度、工作面推进度等参数。综合各种参数，分析采空区自燃的变化和分布规律，确定工作面采空区自燃“三带”的分布范围。

通过对采空区预埋管路进行气体采样和分析，得出工作面推进与采空区内气体浓度之间的关系。以氧气含量7%～18%作为自燃“三带”划分的依据，采空区采样点布置示意图见图1.

图1 工作面采空区采样点布置示意图

4 23107综放面实测数据分析

4.1 基础数据分析

在回风巷将1号测点埋入采空区108 m左右时，发现氧气浓度小于7%且基本稳定，遂停止观测；在进风巷将1号测点埋入采空区228 m左右时，氧气浓度已经低于7%，停止观测工作。为直观揭示采空区氧气浓度及温度变化规律，将所测数据用ORIGIN软件作出折线图并进行拟合分析，见图2，3,4，5.

图2 回风巷1号测点氧气浓度及温度变化规律图

图3 回风巷2号测点氧气浓度及温度变化规律图

对回风巷1号测点拟合得出回归方程：

y=19.67-0.04x-0.01x2+5.46x3-8.06x4+3.36x5. 将y=18，y=7分别代入，得出散热带宽度x1≈14 m，氧化带范围x2≈84 m.

对回风巷2号测点拟合得出回归方程：

y=19.83-0.43x-0.02x2-7.61x3-2.55x4+2.96x5. 将y=18，y=7分别代入，得出散热带宽度x1≈6 m，氧化带范围x2≈72 m.

取两者平均值，得出23107综放面回风侧自燃“三带”宽度为：散热带0～10 m，氧化带10～78 m.

图4 进风巷3号测点氧气浓度及温度变化规律图

图5 进风巷4号测点氧气浓度及温度变化规律图

对进风巷3号测点拟合得出回归方程：

y=20.96-0.04x+0.002x2-3.32x3+1.76x4-3.02x5. 将y=18，y=7分别代入，得出散热带宽度x1≈95 m，氧化带范围x2≈215 m.

对回风巷4号测点拟合得出回归方程：

y=20.96-0.02x-8.87x2+5.28x3-7.72x4+2.32x5. 将y=18，y=7分别代入，得出散热带宽度x1≈127 m，氧化带范围x2≈195 m.

取两者平均值得出，23107综放面进风侧自燃“三带”宽度为：散热带0～111 m，氧化带111～205 m. 工作面采空区自燃“三带”范围见表1.

表1 工作面采空区自燃“三带”范围表

由表1可以看出，23107综放面采空区的自然发火危险区域为进风侧111～205 m，宽度为94 m；回风侧10～78 m，宽度68 m. 采空区中部自然发火危险区域介于进风侧、回风侧之间。

4.2 采空区氧气场数学模型验证

23107综放面采空区三维数学网格模型见图6，模型尺寸根据工作面作业规程中的巷道尺寸及现场实测得出，由经验公式计算，模型采空区上部冒落带高度为71.75 m、裂隙带高度为143.5 m.利用ANSYS前处理软件GAMBIT进行建模、网格划分、边界条件设置后得出图6中的模型，之后导入流体力学计算软件FLUENT来计算采空区氧气浓度分布云图，见图7.

图6 23107综放工作面采空区三维数学网格模型图

图7 23107综放工作面采空区底板氧气浓度分布云图

从图7可以看出，进风侧采空区高氧含量区域明显宽于回风侧的采空区。当深入采空区100 m左右时氧气浓度仍然在18%左右，而回风侧进入采空区约13 m时氧气浓度降至18%左右；进风侧采空区在200 m左右氧气浓度低于7%，进入“三带”中的窒息带，而回风侧采空区在70 m左右时才进入窒息带。上述数据与现场实测数据基本吻合，补充验证了现场实测结果。

5 工作面推进速度计算

保证工作面正常生产，避免采空区火灾产生的最低安全回采速度称为极限推进速度，极限推进速度与最短自然发火期和自然发火危险区域密切相关，通常有如下计算公式：

(1)

式中：

Vf—极限推进速度，m/d；

Lz—最大自然发火危险区域，m；

T—最短自然发火期，d.

根据现场实测与模拟，23107综放面最大自然发火危险区域长度为94 m，最短自然发火期为34 d，代入上式得出极限推进速度为2.8 m/d. 在现场观测期间，23107综放工作面的正常平均推进速度为4.7 m/d，大于2.8 m/d的极限推进速度，符合安全要求。

6 结 论

1) 通过现场实测得出了23107综放面采空区不同深度下氧气浓度、温度的变化规律，以氧气浓度作为划分指标划分出其自燃“三带”范围：进风侧散热带0～111 m、氧化带111～205 m、窒息带大于205 m，自然发火危险区域为111～205 m，宽度94 m；回风侧散热带为0～10 m、氧化带为10～78 m、窒息带大于78 m，自然发火危险区域为10～78 m，宽度为68 m. 采空区中部自然发火危险区域介于进风侧和回风侧之间。

2) 建立了采空区三维物理渗流数学模型及CFD模型，通过数值模拟补充验证了现场实测的采空区自燃“三带”范围。

3) 通过测定得出的自然发火危险区域长度，结合所做实验得出的最短自然发火期计算出其最低安全回采速度为2.8 m/d，若要保证23107综采面正常生产，避免火灾产生，应保证推进度大于2.8 m/d.