采空区埋管抽采下自燃“三带”分布规律研究

李 锋，罗伙根，王 超

（1.国家能源集团 神东技术研究院，陕西 神木 719300；2.中国神华神东煤炭集团 保德煤矿，山西 忻州 036600；3.安徽理工大学 能源与安全学院，安徽 淮南 232001）

煤炭自燃是矿井生产过程中主要自然灾害之一，分析煤炭自燃事故案例，结合国内外学者的技术与理论研究，发现采空区、破碎煤柱、断层等位置是井下煤自然发火的主要地点，特别是采空区遗煤自燃尤为严重，准确划分采空区自燃“三带”对防灭火有重要作用。在防治采空区瓦斯灾害时，埋管抽采是常用方法之一，但在抽采瓦斯过程中，势必会造成采空区漏风严重，影响采空区自燃“三带”分布，从而导致遗煤自燃。因此，针对高瓦斯易自燃煤层开展采空区埋管抽采对自然“三带”分布规律的影响研究，对预防采空区遗煤自燃，防止瓦斯爆炸具有十分重要意义［1-2］。

以保德煤矿81307 综放工作面为研究对象，通过现场实测和数值模拟相结合的手段，研究采空区埋管抽采瓦斯条件下自燃“三带”分布规律，从而为矿方合理确定各种防灭火工艺的具体参数提供依据，能有效指导工作面的安全生产，减少煤自燃事故的发生。

1 矿井概况

神华神东保德煤矿位于山西省忻州市保德县境内，矿井总面积为 55.9 km2，南北纵向长 14 km，东西横向长约 5.7 km。规划煤炭地质储量 12.5 亿 t，可采储量 8.2 亿 t，服务年限为 64.6 年。2017 年，核定生产能力为500 万t/a。矿区内含煤地层主要为二叠系-石炭系，共含煤10 层，其中8、10、11 号煤层全区可采，13 号部分区域为可采煤层，矿区其余煤层条件受限，均不可采。2017 年对 8 号煤层自燃倾向性进行了等级鉴定，8 号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ类，煤吸氧量为0.66 cm3/g，属于自燃煤层。2017 年矿井瓦斯等级鉴定结果：矿井绝对瓦斯涌出量为100.66 m3/min，相对瓦斯涌出量为 12.38 m3/min，属高瓦斯矿井。

81307 综放工作面东邻81306 综放工作面（已回采完毕），北为二号主、辅运大巷，南邻矿井边界，以西为未开发实体煤。工作面设计可采长度为2 470 m，倾向长240 m，平均煤厚7.3 m，属厚煤层，回采煤量为 518.7 万 t。

2 自燃“三带”划分依据

煤炭发生自燃的 3 个条件：一是煤层本身具有可燃属性，同时呈破碎状态堆积；二是连续通风供氧条件；三是燃烧环境，必须能够保持热量不易扩散，能够蓄热。在有煤自燃倾向性的煤层开采过程中，工作面漏风给采空区遗煤提供合适的通风供氧条件，漏风速度大小和遗煤堆积状态决定了煤氧化蓄热的环境，而氧气浓度大小则决定了煤氧化自燃能力[3-7]。因此，根据供氧浓度可以将采空区划分出自燃“三带”，分别为散热带、氧化升温带和窒息带。以氧气浓度在采空区内分布情况，对采空区自燃“三带”进行划分：散热带，氧气浓度＞18%；氧化升温带，18%≥氧气浓度≥8%；窒息带，氧气浓度＜8%。

3 数值模拟

3.1 数值模型的建立

81307 综放工作面采用偏 Y 型通风方式，其中一号回风巷和运输巷进风，运输巷靠近切眼处的联巷回风。为了治理采空区瓦斯，采用采空区埋管抽采方式（布置间距100 m，抽采负压为32 kPa，抽采流量为600 m3/min），工作面布置方式如图1。

图1 工作面布置示意图Fig.1 Schematic layout of working face

根据81307 综放工作面进、回风巷以及瓦斯抽采巷道布置的特点，并结合煤层特征及现场实测数据。煤层平均厚度7.3 m，垮落带高度可达3～5 倍。进风巷高 3.4 m，宽 5.0 m；回风巷高 3.6 m，宽 5.2 m。建立采空区三维物理模型：综放工作面长度240 m，采空区垮落高度取30 m，深度取500 m，距离工作面500 m 处与采空区两侧及顶部一致，按照壁面处理，设为漏风边界；采空区回风侧瓦斯抽采采用的是800 mm 瓦斯管，具体几何模型参数见表1。

表1 几何模型参数Table 1 Geometric model parameters

因此，采空区垮落带，断裂带和工作面两道之间的松散煤岩体是采空区内部渗流去。采空区内不同区域由于塌陷，浮煤和垮落的岩石等压实程度不同，造成不同区域的孔隙率不同。根据经验，由工作面向采空区深部延伸，孔隙率逐渐变小。忽略其他因素的耦合影响，针对联巷埋管抽采瓦斯条件下，研究采空区内部自燃“三带”的分布规律。建立的采空区几何模型如图2，并对其进行网格划分，由于抽采管尺寸较小，需要对局部网格进行加密处理（图3）。

3.2 数值模拟结果

利用ANSYS FLUENT 软件，对埋管抽采条件下采空区内氧气浓度分布规律进行数值模拟（图4）。

由图4 可以看出，在埋管抽采条件下，工作面附近氧气浓度为20%～21%。随着深入距离不断增大，氧气浓度逐渐下降。当深入采空区一定距离后，氧气浓度下降趋势减缓，浓度变化不大。这是由于工作面向采空区深部方向上压实程度逐渐增大，孔隙率逐渐减小，氧气浓度逐渐降低的缘故[8-11]。对模拟结果进行量化处理，当一号回风巷侧深入采空区175 m 时，氧气浓度下降至18%，深入采空区330 m时，氧气浓度下降至8%；运输巷侧深入采空区120 m 时，氧气浓度下降至18%，深入采空区255 m 时，氧气浓度下降至8%。由此得出，一号回风巷侧氧化带范围为175～330 m，运输巷侧氧化带范围为120～255 m，运输巷侧氧化带宽度略大于一号回风巷侧。这是由于运输巷侧存在瓦斯抽采管，受瓦斯抽采的影响，运输巷侧氧气浓度较高。因此，瓦斯抽采对采空区风流流动影响比较严重，如果遗煤条件和漏风条件满足自燃要求，瓦斯抽采口附近就容易发生自然发火。

图2 81307 工作面采空区物理模型Fig.2 Physical model of goaf in 81307 working face

图3 81307 工作面网格划分示意图Fig.3 Schematic diagram of meshing in 81307 working face

图4 采空区氧浓度分布图Fig.4 O2 concentration distribution in the goaf

4 现场实测与分析

4.1 实测方案

为了研究采空区埋管抽采条件下自燃“三带”的分布规律，在81307 综放工作面运输巷布置气体和温度监测点，在监测点铺设束管和安装温度传感器，实时监测采空区气体和温度变化情况，测点布置如图5。

图5 81307 工作面采空区自燃“三带”测点布置图Fig.5 Arrangement of measurement points of three spontaneous combustion zones in goaf of 81307 working face

当监测点进入采空区后，每天取气样送实验室分析，并记录采空区温度。当监测点所采集的氧气浓度低于8%时，可停止观测。通过现场实测，得到的采空区氧气浓度和温度随进入采空区深度变化曲线如图6 和图7。

图6 采空区氧气浓度随推进距离变化曲线Fig.6 Variation curve of O2 concentration in goaf with advancing distance

4.2 氧气划分“三带”

由图6 可以看出，在有采空区埋管抽采条件下，81307 综放工作面运输巷侧漏风量较大，氧气浓度在工作面推进约30 m 时才出现下降趋势，推进至110 m 时，O2浓度降至 18%，250 m 时降至 10%，265 m时降至 8%。根据自燃“三带”划分标准［12-13］，81307 综放工作面运输巷侧氧化带范围为110～265 m。

图7 CO 浓度随推进距离曲线Fig.7 Variation curve of CO concentration in goaf with advancing distance

4.3 一氧化碳划分“三带”

从图7 可以看出，在工作面推进过程中出现一氧化碳浓度的峰值，最高可达8×10-6。回风侧由于漏风的聚集，通风供氧条件好，氧气浓度较高，煤的氧化较为强烈，使CO 的浓度较高。测点在距工作面110 m 处时，一氧化碳浓度开始逐渐增大，呈直线上升趋势，说明遗煤进入了加速氧化阶段；在170 m达到了浓度峰值，之后逐渐下降，超过260 m 以后CO浓度逐渐趋于正常。这一测试结果说明：在距工作面110 ～260 m 范围内，采空区内部有明显的煤炭氧化现象发生，结果与采空区氧气浓度分布规律一致。

4.4 温度划分“三带”

测点温度随推进距离变化曲线如图8。由图8可以看出，81307 综放工作面初始温度为25 ℃，随测点埋深增加，采空区温度逐渐上升。这是因为采空区遗煤在氧气作用下发生氧化，放出热量[14]，温度升高。当推进至110 m 时温升曲线斜率急剧增大，温度迅速上升，最高达43.5 ℃，预计进入加速升温阶段。推进至260 m 时出现较为明显的降温，这是由于随着工作面的推进，深部区域氧气浓度降低，遗煤氧化速率变慢[15]，放热量大于产热量，表明此时进入窒息带。对比验证温度变化规律与采空区氧气、一氧化碳分布规律，可以判定结果具有一致性。

通过现场实测，81307 综放工作面在采空区埋管抽采条件下自燃“三带”分布情况见表2。综合数值模拟和现场实测的研究结果[16-18]，得出81307 综放工作面采空区在埋管抽采条件下自燃“三带”分布规律为一号回风巷侧 0～175 m 为散热带，175～330 m 为氧化带，大于330 m 为窒息带；运输巷侧0～110 m 为散热带，110～265 m 为氧化带，大于265 m 为窒息带。

图8 测点温度随推进距离变化曲线Fig.8 Variation curve of temperature of measuring point with advancing distance

表2 实测81307 工作面埋管抽采条件下采空区“三带”Table 2 Three zones of goaf under the condition of buried pipe extraction in 81307 working face

5 结 论

1）采用FLUENT 软件对81307 综放工作面采空区埋管抽采条件下自燃“三带”分布规律进行数值模拟，得出一号回风巷侧0～175 m 为散热带，175～330 m 为氧化带，大于330 m 为窒息带；运输巷侧0～120 m 为散热带，120～255 m 为氧化带，大于 255 m 为窒息带。

2）采用气体浓度法和热电偶测温法分别对自燃“三带”进行现场测定，气体浓度法测定结果为0～110 m 为散热带，110～265 m 为氧化带，大于265 m为窒息带；热电偶测温法测定结果为0～110 m 为散热带，110～260 m 为氧化带，大于260 m 为窒息带，两者实测结果基本一致。

3）综合数值模拟和现场实测的研究结果，得出一号回风巷侧 0～175 m 为散热带，175～330 m 为氧化带，大于330 m 为窒息带；运输巷侧0～110 m 为散热带，110～265 m 为氧化带，大于 265 m 为窒息带。