雁南煤矿I0128205综放工作面采空区自燃“三带”数值模拟研究

徐百平

摘要：为了探究雁南煤矿I0128205综放工作面采空区自燃“三带”分布规律，本文以雁南煤矿I0128205综放工作面实际概况为工程背景，对采空区温度场和氧气场在实际通风量为1000m3/min的情况下进行数值模拟。根据数值模拟结果，划分出I0128205综放工作面采空区自燃“三带”。

Abstract： In order to explore the distribution regularity of spontaneous combustion "three zone" in goaf of Yanan Coal Mine I0128205 fully mechanized coal face， this paper takes the actual overview as the engineering background， carries out numerical simulation of goaf temperature field and oxygen field under the condition that the ventilation volume is 1000m3/min. According to the results of numerical simulation， the "three zone" of spontaneous combustion in the goaf of fully mechanized coal face of I0128205 are divided.

关键词：采空区;自燃“三带”分布规律;数值模拟

0  引言

矿井火灾是煤矿主要灾害之一，大多数发生在采空区附近[1-3]。采空区遗煤在合适的通风量下与氧气发生氧化反应，致使采空区遗煤氧化升温，热量积聚到一定程度就会使采空区遗煤自燃，引起火灾。火灾的发生，不仅会威胁井下作业人员的生命安全，而且会造成火区周边资源的浪费，直接影响矿井的安全、高效生产。

本文将以雁南煤矿I0128205综放工作面为背景，以工作面实际参数建立采空区物理模型，在满足工作面实际通风量情况下，对采空区自燃“三带”分布规律展开研究，分析氧气浓度场、温度场的变化规律，为矿井的安全、高效生产提供有力的理论支持。

1  工作面概况

雁南煤矿I0128205综放工作面可采走向长度为1790m，工作面平均斜长200m，顶煤平均厚度为5.1m，采高为3.0m。工作面压力大，不放煤走向长度为40m（初采10m，末采15m，预留停采线15m）。循环进度为1.60m，工作面回采率97%，顶煤回收率80%，煤层容重为1.23t/m3。雁南煤矿煤层具有煤层自燃倾向性，最短发火期为3-6个月，自燃等级为Ⅰ级。

2  数值模拟计算

2.1 物理模型建立及网格划分

根据I0128205工作面实际概况，建立采空区三维模型。模型一共由4个部分组成：即进风巷道、回风巷道、采煤工作面和采空区，如图1所示。对已建立的采空区物理模型进行了网格划分，共计产生358000个网格，每个网格的步长为0.5m，具体如图2所示。

2.2 控制方程

2.2.1 连续性方程[4]

2.2.2 动量方程[5]

数值模型内流体满足完全形式的Navier-Stokes方程：

2.2.3 氧气扩散系数

2.2.4 渗透率分布系数

数值模型中渗透率分布系数由Carman公式[7]确定：

2.2.5 方程中的氧气的耗散速率依靠阿累尼乌斯定律[8]表述：

将以上方程通过udf编写等方式，定义到模拟软件中，用以计算。

2.3 数值模拟结果及分析

将已建立完成的采空区模型导入fluent中进行迭代计算，经过3500步左右计算后，氧气浓度残差曲线趋于收敛，氧气浓度残差满足模拟计算要求。

2.3.1 采空区内温度场分析

由图3温度场分布云图中可知：工作面向前推进，采空区内温度呈现先上升再下降的趋势，高温区域主要集中在进风巷侧，进风巷侧平均温度明显大于回风巷侧平均温度。

2.3.2 采空区氧气场分析

如图4可以看出，当工作面通入新鲜风流后，在采空区内部存在渗流通道，致使采空区内部发生空气渗流。随着工作面的不断向前推进，采空区内氧气浓度也逐渐减低。在进风巷侧，距离工作面70m左右，工作面采空区氧气浓度在18%左右;距工作面90m左右，工作面采空区氧气浓度在10%左右。在回风侧，距离工作面40m左右，工作面采空区内氧气浓度在18%左右;距离工作面60m左右，工作面采空区内氧气浓度在10%左右。当工作面继续向前推进，工作面采空区内的氧气浓度变化的越不明显。

根据氧气浓度来划分，划分依据一般为：自燃带的氧气浓度>18%;氧化带的氧气浓度：10～18%;窒息带的氧气浓度：<10%。本文根据氧气场模拟结果进行划分确定I0128205工作面采空区自燃“三带”范围为：在进风巷侧，采空区自燃“三带”分布范围为：自燃带宽度70m;氧化带宽度20m;窒息带宽度>90m。在回風巷侧，采空区自燃“三带”分布范围为：自燃带宽度40m;氧化带宽度20m;窒息带宽度>60m。

3  结论

①工作面向前推进，采空区内温度呈现先上升再下降的趋势，高温区域主要集中在进风巷侧，进风巷侧平均温度明显大于回风巷侧平均温度。

②随着工作面的不断向前推进，采空区内氧气浓度也逐渐减低。

③I0128205工作面采空区自燃“三带”范围为：在进风巷侧，采空区自燃“三带”分布范围为：自燃带宽度70m;氧化带宽度20m;窒息带宽度>90m。在回风巷侧，采空区自燃“三带”分布范围为：自燃带宽度40m;氧化带宽度20m;窒息带宽度>60m。

参考文献：

[1]郑纪武.采空区漏风对煤自燃特性的影响研究[D].西安科技大学，2018.

[2]王海宾.唐口矿6305工作面煤自燃特性及防灭火技术研究[D].西安科技大学，2017.

[3]齐景峰.采空区遗煤自燃危险程度自动预测系统研究[D].西安科技大学，2017.

[4]贾海林，翟晨光.采空区煤自燃“三带”空间分布特性研究[J].能源与环保，2017（01）：1-6，29.

[5]张淼，王涛，鲁义，陈世强，丁仰卫.寸草塔煤矿22煤层自燃“三带”分布及影响因素[J].矿业工程研究，2019，34（02）：63-69.

[6]姜伟光.液相质扩散系数的数学描述及实验验证田[D]大连：大连交通大学，2008.

[7]刘瑜，陈伟，宋永臣，等.含甲烷水合物沉积层渗透率特性实验与理论研究[J].大连理工大学学报，2011（6）：793-797.

[8]高正阳，方立军.混煤燃烧动力学参数的热重试验研究[J].锅炉技术，2000，31（11）：9-12.