瓦斯抽采条件下综采面采空区自燃三带数值模拟研究

许杨

摘 要：采空区漏风引起的采空区遗煤自燃是煤矿的一大主要灾害，严重影响和制约井下安全生产及人员健康。本文采用流体力学模拟软件fluent对斜沟矿18103工作面采空区漏风进行了数值模拟，结合该工作面实际开采条件，反演得到采空区平均颗粒粒径，并对工作面采空区自燃“三带”分布进行分析，并提出有效的放漏风治理措施。

关键词：采空区漏风;数值模拟;采空区平均颗粒粒径;自燃“三带”

0 前言

综采工作面采空区瓦斯抽采及漏风治理是保证矿井安全生产的重要通风技术手段之一，采空区在瓦斯抽采负压情况下会增加遗煤自燃的危险，影响矿井的安全生产。为此，研究瓦斯抽采条件下综采工作面采空区煤自燃三带的模拟研究非常重要。受采空区的影响，在煤炭开采时不得不面临很大的安全隐患。随着矿山机械化水平的快速发展，效率高、成本低且效益好的综合机械化采煤工艺逐渐普及。与此同时，推进速度快所产生大量采空区也增加了工作面的安全隐患。经过研究分析，因采空区存在疏松多孔的特点，风流可在采空区内流动（图1），再加上采空区内有遗煤存在，导致因采空区漏风造成的的采空区遗煤自燃灾害时有发生，对矿井工作面安全回采和职工安全造成严重威胁，开展对采空区漏风及煤自燃危险区域的数值模拟研究，可保证矿井的安全生产。

采空区遗煤的自燃严重影响到安全生产的顺利进行，遗煤自燃必须具有充足的氧气，因此根据采空区漏风规律进行采空区的防治是最为有效的方法[1]。为研究采空区漏风规律，本文采用专业的流体力学模拟软件Fluent对斜沟矿18103工作面采空区漏风流场进行了数值模拟，结合该工作面实际开采条件，对工作面采空区自燃“三带”分布进行分析，以便制定相应措施减少事故发生和生命财产损失。

1 采空区平均颗粒粒径模拟研究

1.1 模拟方案

根据矿井实际条件进行数值模拟研究，为了模拟计算结果的准确性，对18103工作面内颗粒直径进行测量计算，作为数值模拟的基础，以此得到模拟的最佳模型。模拟将采空区平均粒径作为变量（0.05m，0.2m，0.4m）建立3个模型进行模拟，采空区不同平均粒径模拟结果中与实测数据最为接近的模拟数据所对应的即采空区平均颗粒粒径。

1.2 模拟结果及分析

在采空区模型的建立下，通过分析不同粒径下采空区压力场的分布研究采空区漏风规律，以z=2m和y=265m两个平面为例进行展示，采空区不同平均粒径下流场分布如图2所示。

根据图2可得到如下规律：①随采空区平均粒径的不同，采空区内压力分布也有较大变化，但工作面压力分布变化不大，相同X位置压力随着接近回风巷而越小;②采空区平均颗粒粒径与采空区的压力值成反比例关系，平均颗粒粒径越小则采空区内压力值越大;③高抽巷抽采负压值受18103工作面采空区颗粒粒径的影响，发生变化成反比例关系，当采空区的颗粒径越小时抽采负压值越大。

通过建立数值模拟，得出18103工作面不同粒径下的抽采负压，现场实测值和模拟得到的抽采负压对比分析，得到模拟最佳采空区平均粒径取值。随着平均粒径取值变化，高抽巷负压有明显不同。采空区平均颗粒粒径与通风阻力成反比例关系，当采空区颗粒直径、颗粒间的渗透孔隙值较小时，大密度的颗粒使得工作面通风阻力增大，因此造成通风负压增加。当颗粒密度从0.05m增加到0.5m时，通风阻力减小，从65708Pa下降到-6568Pa。通过模拟得出，当颗粒直径为0.1m时，工作面实际负压值与模拟负压值相近。

2 采空区自燃“三带”分布分析

采空区遗煤根据区域可以划分为散热带、氧化自燃带和窒息带三个区域，根据不同区域煤通风状况的差异进行改进是保证18103工作面高效回采的基础。

窒息带内风流速度最小，一般不具备煤体自燃的条件，散热带内虽然有充足的氧气但是较大风流的作用下，煤体氧化散发的热量会被风流带走，很难达到煤体燃烧的温度值，因此也煤体自燃倾向性较小。自燃带内的煤体有充足的氧气，在煤体氧化过程中，热能不断积聚，最终会发生自燃现象，因此，自燃区内煤體自燃是最危险的。

在大量学者对工作面采空区漏风防治的研究基础上，根据矿井工作面实际的通风速率、氧气浓度以及温度值等作为划分采空区的自燃“三带”的指标。本文结合《煤炭自燃理论与防治实践》规程，以采空区漏风风速0.00083～0.0017m/s为自燃带的判定标准，采空区漏风风速小于0.00083m/s为窒息带，大于0.0017m/s为散热带。采空区氧气浓度分布图如图3所示。

图3中，红色区域为散热带，绿色区域为自燃危险区域，蓝色区域为室息带。由此可得，散热带分布在工作面附近，窒息带分布在采空区深部及中部。而自燃危险区域也即自燃带位于采空区进风侧走向25～95m和回风侧走向15～120m范围内，属于重点监测治理区域。

3 防漏风措施

针对模拟所得工作面采空区漏风情况与自燃危险区域分布，提出如下防漏风措施：①通过风压的调节改变风流速度，从而降低降低漏风源和漏风汇二者间的压力差值，减少煤体自燃的所需的氧气;②通过设置防漏风挡风墙增大漏风风路的风阻来减小采空区漏风最大处的漏风量;③通风的调节需满足工作面的安全生产，因此，在通风调节的过程中，降低温度、瓦斯浓度的同时需保证工作面的合理供风量;④为了充分减少采空区漏风现象，通过高水材料进行裂隙的填充，达到减少漏风量的目的。

4 结论

本文通过采用流体力学模拟软件Fluent对斜沟矿18103工作面采空区漏风流场进行了数值模拟，主要得到以下结论：①矿井采空区内冒落压实的发生与工作面的地质条件、巷道围岩受力特征有关，根据现场实测和数值模拟结果，得到当颗粒直径为0.1m时，工作面实际负压值与模拟负压值相近;②根据极限风速法将采空区自燃分为散热带、氧化自燃带和窒息带三个区域，在采空区进风侧25～95m和回风侧15～120是煤体自燃的危险区域;③根据斜沟矿18103工作面实际通风状况，从通风方法和防灭火技术方面对采空区煤体自燃进行了有效防治，保障了工作面的顺利回采。

参考文献：

[1]杨子祥，刘玉斌.星村煤矿深井综放开采综合防灭火研究[J].煤炭科技，2014（3）：11-14.

[2]李崇茂，李永元，王海文.特厚煤层综放工作面自燃危险区域分布规律研究[J].煤矿安全，2013，044（009）：34-37.