8204工作面采空区自燃特性分析

崔永青，孙 亮

(1. 山西马堡煤业有限公司， 山西 长治 046300； 2. 煤科集团 沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 3. 煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122)

采煤工作面开采后，煤层上覆岩层将逐渐垮落压实，但仍存在裂隙，工作面的风将漏入采空区，对采空区遗煤自然发火产生严重威胁。因此，准确掌握采空区流场的性质对防止遗煤自燃具有重要意义[1-2]. 科研工作者对此开展了大量的研究，钱鸣高[3]等研究得到采空区冒落压实“O”形圈理论，对后来的研究指出了方向；李宗翔等[4]将采空区分割为4个区：不自燃Ⅱ区、不自燃Ⅰ区、自燃区和易自燃区，指出采空区遗留煤自然发火的特性。为了获得矿井采空区自然发火防治理论，研究采空区流场成为核心问题，最近几年来研究的主要方法是通过Fluent流体软件[5-7]进行数值模拟，部分科研工作者通过自编软件的针对性和灵活性进行试验，取得了一定的研究成果[8-10]，如辽宁工程技术大学安全科学与工程学院李宗翔教授利用自编的软件—G3程序比较准确地描述采空区自燃温度场的性质，可以分析不同因素对自燃升温的影响，例如采煤方法、通风方式和防灭火措施等[11-14]，成为研究采空区自然发火危险范围的重要方法。G3程序是基于场流理论，即非均质介质—非线性渗流—多组分气体交换—温度场方法，是系统研究采空区自然发火的分布特点的一种有效途径，仍需进一步完善基础研究条件的随机性变化。采空区不但具有垮落压实的非均匀性，还具有煤耗氧的非均匀性，且煤耗氧是随机变化的。

因此，根据这一现象，研究了基于垮落压实非均匀性“O”形圈分布、煤耗氧非均匀性和随机性的采空区流场的自然发火特点[15-16]，以更加接近采空区自然发火分布特征的真实情况。

1 采空区煤氧化反应方程

所谓非均质冒落采空区主要指一个非线性渗流场，这个场由包层流、紊流和过渡流3种流体构成[8]，在场内采空区遗煤发生氧化耗氧及自燃升温，研究此场主要用到下列方程组：

(1)

(2)

(3)

式中，k为渗透系数张量，m2/(Pa·s)；p为风压，Pa；为Hamilton算子；V为风流渗流速度，m/s；‖V‖是V的模；n为空隙度；b为与k同单位的识别参数；δ1为考虑冒落介质调和粒径、颗粒形状系数和空气运动黏性系数的特征参数，根据文献[8]，可取δ1=1 438.36 m-1s；c(O2)为氧浓度，mol/m3；τ为时间变量；V是式(1)解出的渗流速度，V=n·v(其中v是真实速度)；D是氧气弥散系数张量[7]，m2/s；c为空气的摩尔密度；Wg是瓦斯组分涌出稀释强度，这里忽略；H1为遗煤堆积层厚度；γ0是煤耗氧速度常数(待定系数)，mol/(m3·s)；b0为实验常数[9]，b0=0.023 5 ℃-1；t为采空区多孔介质表征温度，℃；λe为有效热传导系数，W/(m·℃)；CS、Cg分别为多孔骨架、空隙气体的体积当量热容，J/(m3·℃)；h为对流换热系数，W/(m2·℃)；Tf为风流温度，℃；QS为自燃放热项；b1为煤耗氧化学反应放热值，J/mol.

2 计算“O”型冒落的条件

伴随着工作面的不断开采，上覆岩层逐渐破断垮落，采空区覆岩垮落从稳定状态变化为不稳定状态，再到稳定状态，在工作面采空区周围保护煤柱的支撑下，垮落整体演变成基本顶和上覆关键岩层的O-X型破断。伴随着工作面的推进和周期来压的到来，采空区中部的覆岩裂隙和垮落下来的岩石几乎都已压实，但在采空区周围保护煤柱侧离层裂隙和冒落裂隙得到良好的保留，进而围绕采空区周围发育成相互连通的裂隙网络，也就是采场“O”型圈，作为主要通道为采空区漏风渗流提供了便利。根据这一现象以及工作面在开采时，存在动态变化和冒落压实的随机性，得到采空区冒落分布“O”形圈，见图1b).

图1 采空区计算区域与冒落非均质性模型图

以山西马堡煤业有限公司8204工作面采空区流场条件为例，工作面长度80 m，计算几何模型见图1.图中Q为工作面风量；qL、q′L分别为工作面向采空区漏入、漏回风量；qCH4为沿纵深边界瓦斯平移涌出风量。

采空区压实分布以“O”型圈模型的计算表达式如下：

KP(x,y)=KP,min+(KP,max-KP,min)e-a1d1(1-e-ξ1·a0d0)(ξ1<1)

(4)

式中，ξ1是控制“O”型圈模型分布形态的调整系数。取a1=0.036 8、al=0.268、ξ1=0.233时的KP(x,y)分布显示结果见图1b). 经过现场观测，工作面风量Q=426.8 m3/min(每米风阻0.009 4 N s2/m8)，漏入风量qL=34.2 m3/min；冒落压实按负指数规律变化，衰减率为0.037 6，推定b=0.58，则k=0.001 702～0.048 3 m2/(Pa·s)，qCH4=1.8 m3/min.

采用有限元法求解进行数值计算，使用李宗翔教授编制的G3程序开展数值模拟计算[7]，需在MATLAB环境下运行；模型选用双流层模型，底部是遗煤耗氧层，上部是非耗氧的岩层裂隙。计算结果见图2，流线间流量差值为2 m3/min，风压等值线差值为2 Pa.

图2 采空区场条件及风流规律的模拟结果图

在8204工作面借助束管监测系统对采空区气体成分开展现场实测，通过回归分析拟合获得γ0=1.472×10-5mol/(m2·s)；起始温度为17 ℃. 规程中工作面的推进度是2.4 m/d，为了便于研究，采用可能发生的最大自燃情况进行计算，同时在实际生产中工作面会发生配采或机械故障停产，因此推进度取平均数为1.2 m/d；模拟得到场流区域气体浓度—温度分布结果，见图3，4，5，6，得出了不同模拟条件下的表征温度升温过程。

3 采空区漏风渗流、遗煤耗氧与升温变化的模拟

均匀耗氧场未采取任何防火措施(不注氮)的模拟结果见图3，由图3可知，工作面回采后发生“O”型垮落岩体结构明显大于几何完全垮落的孔隙，采空区漏风面积相对扩大。通过分析图2a)和图3c)发现，煤氧化升温地带位于采空区冒落压实范围的边界处，产生局部效应，主要处于偏向漏风风流上风侧进风方向(此位置氧气足够)。因为风流经过采空区遗留煤时发生“沿程耗氧”效应，采空区氧浓度的分布不平均，在进风区域比回风区域高，在工作面回风隅角周围双流层模型的氧气浓度局部开始增大。

图3 采空区自然发火的模拟结果图

影响采空区遗煤自然发火的因素主要有煤自身性质和外力因素，其中外力因素主要通过改变采场环境、实施采空区防灭火安全技术手段。总结起来主要是通过惰化和阻化的手段达到采空区防灭火的效果，惰化技术主要为通过降低氧气浓度达到防灭火效果，比如向采空区注入氮气、CO2气体等，而阻化技术为通过隔绝遗煤与氧气达到防灭火效果，比如向采空区喷洒阻化剂、注水和灌浆等。堵漏和封闭技术兼有两种防灭火技术的特点，比如向采空区注入三相泡沫、凝胶等。由于采空区遗煤厚度不均匀、漏风浮动变化导致供氧不稳定、喷洒阻化剂和注水灌浆等阻化效果差异大，使得采空区发生非均匀耗氧。而现场实际生产过程中影响采空区内遗煤非均匀耗氧的随机原因很多，耗氧不均匀现象经常发生，均匀耗氧现象是人为假设的理想化情况。

依据工作面采空区现场条件计算实际耗氧随机非均匀性的模拟结果见图4，耗氧随机情况在0.1～1.1倍上下浮动变化，上限值表示采空区采取阻化措施后完全没有作用；下限值表示采取以上综合阻化措施后阻化效果的充分体现，假设非均匀耗氧随机变化通过有限元剖分单元作为定值，并以0～1的随机量来计算。

模拟获得温度变化见图4. 由图4可知，温度呈现非均匀分布变化，模拟结果与采空区发生自然发火的实际情况相符合，采空区自然发火最先在某一角落开始引燃，如果未能采取有效措施控制火势，将会逐步蔓延最终产生局部火区。同时还发现尽管采空区局部耗氧在变化，但采取阻化措施后控制住了采空区耗氧能力，明显减弱整体的耗氧能力，证明温度开始下降；分析图3d)和图4d)发现，采取阻化措施后采空区自然发火有毒有害气体CO的分布范围明显收缩；但是采取阻化措施后，仍然不能扭转采空区自燃，这一现象正好和现场实际情况比较符合(即采取喷洒阻化剂和灌浆一般很难完全控制采空区自燃)。发现采空区流场的蓄热与漏风供氧聚集部位(即在采空区进风隅角的冒落压实边界区域)是采空区自然发火的高温区域，之后再分析耗氧随机变化的不均匀影响因素。

图4 阻化后耗氧不均匀情况下的模拟结果图

注入氮气惰化采空区的模拟结果见图5，对比分析发现向采空区注入氮气后，可以大面积的惰化采空区，采空区转变为供氧不充足自燃减弱的形式，自燃升温很难保持下去，采空区温度逐渐减小最终保持平稳，更有可能灭火降温。由图6得到采空区在升温时，如果喷洒阻化剂同时配合注氮气，则可确保自燃升温的可能性完全消除，体现出综合防灭火手段的优点这一理论研究结果。

图5 实施惰化(注氮气10 m3/min)情况下的模拟结果图

图6 实施措施后采空区升温与CO涌出量的对比图

4 结 论

1) “O”形圈特征的采空区自然发火情况与采场简单的几何裂隙分布有很大的差异，但是二者所遵照的场流规律基本一致。采空区发生火灾的地点主要位于靠近压实的采空区边缘，自然发火重点地带主要是在采空区进风隅角附近，冷却带位于工作面周围的垮落紊流范围。采空区上覆岩层越稳定，所形成的“O”形圈特点就越明显，自然发火高温地带的重心分布特征越收缩于采空区的中心。

2) 现场采空区的实际情况很繁杂，每个因素都是非均匀的和随机变化的，其中耗氧是非均匀性的(阻化剂喷洒非均衡条件)，所以基于非均匀流场的数值模拟结果(采空区温度场和自然发火演变过程)更具合理性；耗氧分布的非均匀性也反映了采空区自然发火的爆发特点。

3) 以上研究对现场实际生产中判定采空区高温地带和开展防灭火工作具有重要意义，在防治采空区自然发火时，重点处理区域应是采空区高氧浓度分布地带，实施灭火时要扩展至采空区深部的低氧浓度区域。