高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究

秦俊宾工程师 范 涛工程师 李全贵工程师 李延召 郑 强工程师

(1.河南省三软煤层开采工程技术研究中心，河南 郑州 450007；2.河南省新郑煤电有限责任公司，河南 新郑 451100)

0 引言

井下发生煤自燃，一定同时具有3个条件[1-4]：一是煤层本身具备自燃倾向性，而且堆积层成破碎状态；二是提供持续供氧通风条件；三是能持续的蓄热，而且煤氧复合氧化时间足够长。在煤层本身具有煤自燃倾向性的采空区中，采空区遗煤具有通风供氧条件是由于工作面漏风，而且漏风速度的大小和堆积的采空区遗煤决定了煤氧复合储热的环境，氧气浓度在一定程度上决定了煤层的自燃氧化能力。因此，煤自燃“三带”的范围划分可由采空区氧气浓度分布来决定，依次划分为散热带、氧化升温带和窒息带[5-7]。许多国内外学者均对采空区自燃“三带”开展了试验和研究[1-5]，但很少有学者研究高地温条件下不易自燃煤的采空区自燃“三带”变化规律，新郑煤电公司赵家寨煤矿12205工作面属于12采区，主采二叠系山西组二1煤，煤层为黑色粉状，金刚光泽，半光亮型，煤质松软，强度较低，煤的最短自然发火期为152d，属于Ⅲ类不易自燃煤，而且井下地温较高，风温达到了28℃。由于工作面的高地温现象，煤自然发火期会一定程度缩短，且工作面的配风量需增大，会导致造成易漏风，采空区煤自燃危险范围增大。在生产过程中，赵家寨煤矿发生过煤自燃现象。为了掌握赵家寨煤矿二1煤层采空区自然发火规律，本文以赵家寨煤矿二1煤层12205工作面为研究对象，采用现场测试、理论研究和数值模拟研究相结合的研究方法，对不同进风量情况下采煤工作面采空区的氧气浓度场进行研究，并划分了采空区煤自燃“三带”。

1 方案和模型

1.1 测试方案

共布置10个测点在12205工作面，测点间距为20m，每个测点均为一个束管气体监测点。采用内径5cm钢管对束管进行保护。回风顺槽共布置5个测点，布置在沿回风巷外帮，距离200m；进风顺槽布置5个测点，布置在沿运输巷外帮，距离300m。通过测量对比分析多组数据，采取最优布置方式，如图1、2。

图1 12205工作面采空区自燃“三带”测点布置方案示意图Fig.1 Schematic diagram of the layout plan of the "three zones" measuring point for spontaneous combustion in the goaf of the 12205 working face

图2 束管连接侧面示意图Fig.2 Schematic diagram of the side of the beam tube connection

1.2 数学与物理模型的建立

1.2.1 假设条件

因为本文仅对特殊条件下煤自燃问题开展理论研究，应首先划分研究范围，基本假设包括：漏风风速与风压的耦合关系基本服从达西定律；把物理及数学模型简化成二维模型；且在煤内局部基本达到热平衡，使气固温度维持一致。

1.2.2 数学模型

根据上述假设，采空区传热传质的数学模型可简化为[2,5]:

由上到下是连续方程，动量方程，能量方程和扩散方程[8]。

式中：

V—漏风风速，m/s；

ρ—温度T时的气体密度，kg/m3；

Δp—漏风风压，由环境风速和煤堆渗透率决定；

μ—空气动力粘度，取1.7894×10-5Pa·s；

DO2—多孔介质内氧气扩散系数，按照空气中的扩散系数与孔隙度进行换算，m2/s；

cair和ccoal—分别对应空气与煤堆的热容，J/(kg·K)；

λair和λcoal—空气及煤堆导热系数，W/(m·K)；

cwhole和λwhole—煤堆的等效热容和等效导热系数；

CO2—氧气质量分数；

ρwhole—煤堆密度，kg/m3；

ε—孔隙度；

rO2—煤堆消耗氧气能力，kg/(m3·s)；

q—放热强度，W/m3。

1.2.3 物理模型及边界条件

依据实际现场测量结果，利用COMSOL Multiphysics软件构建12205工作面数值模拟二维模型，共分4部分，工作面长205m，平均宽约7.2m；进风巷为速度入口边界，处于工作面下方，风速1.41m/s，进风巷为宽5.2m；回风巷设为自由流出口，宽5.0m；风流由进风巷流入，经过工作面和采空区到回风巷流出，温度设为302K，工作面巷道与采空区交边界,剩下边界全部设置成固体面，工作面氧气浓度约为21%，出入口压力差约为76.4Pa，如图3。

图3 采空区物理模型Fig.3 Goaf physical model

2 结果及分析

2.1 现场测试结果及分析

通过对束管采集气体结果进行分析，得到进回风巷和采空区氧气浓度随工作面距离变化的情况，如图4。

图4 氧气浓度随进入采空区深度变化曲线Fig.4 Oxygen concentration curveunder different depth of goaf

(1)12205工作面回风隅角氧气浓度大约在20.96%，且距采空区12.8m时氧气浓度降低到14.64%，随着回采工作的进行，除部分区域受邻近采空区及巷道漏风影响，氧气浓度间断升高以外，氧气浓度总体呈下降的趋势，至测点进入采空区约28m处，氧气浓度下降到8.0%左右。

(2)12205工作面运输巷风量大，且工矿压较大，密闭墙两侧易漏风，直至测点距采空区40m，氧气浓度首次降到16.75%；随测点继续进入至64m，氧气浓度降到9.79%，而距采空区68m以后，氧气浓度下降到6.87%及以下。其中在采空区推进10m左右时，氧气浓度降到18%以下，随着工作面推进，采空区氧气浓度又逐渐升高，说明此次测量有误，分析数据时可以排除。

(3)12205工作面进风侧氧气浓度比回风侧偏高，原因是进风巷风量大，且工作面矿压大，密闭墙两侧易漏风，回风巷受采空区互相串联影响，向相邻采空区漏风。

2.2 数值模拟结果及分析

2.2.1 现状数值模拟

图5为工作面采空区压力等值线图。出入口压力差为76.4Pa，压力等值线成多次分布，符合实际情况，说明参数基本合理。

图5 工作面采空区压力等值线Fig.5 Pressure contour ofgoaf in working face

采空区正常通风(风速1.41m/s，风量976m3/min)情况下的模拟结果，如图6。

图6 采空区氧浓度分布图Fig.6 Oxygen concentration distribution ingoaf

根据模拟结果发现，进风巷侧采空区氧气浓度明显要高于回风侧，分别以氧浓度18.0%和8.0%，为散热带和氧化升温带、氧化升温带和窒息带的分界线，在进风侧0～33m为散热带，33～71m为氧化升温带，大于71m为窒息带，氧化升温带宽度为38m；回风侧0～6m为散热带，6～26m为氧化升温带，大于26m为窒息带，氧化升温带宽度为20m；在采空区中部，0～38m为散热带，38～80m为氧化升温带，大于80m为窒息带，氧化升温带宽度为42m，见表1。模拟结果与现场测试结果基本吻合，说明模拟参数设置基本符合实际情况。

表1 风量为976m3/min采空区自燃“三带”分布(风速1.41m/s)Tab.1 Spontaneous combustion "three zones" distribution with air volume of 976 m3/min and wind speed of 1.41m/s

2.2.2 风量对自燃“三带”影响

为分析风量对采空区自燃“三带”的影响，更好的指导赵家寨煤矿生产过程中的防灭火工作，论文以该模型为基础，在实际配风量的基础上，适当扩大和缩小风量供给，模拟分析现场实际配风过程中可能出现的具有代表性的风量值(500m3/min，740m3/min，1400m3/min)条件下采空区氧气浓度分布情况，如图7-9，见表2。

图7 风量为500m3/min(风速0.72m/s)时采空区氧浓度分布图Fig.7 Oxygen concentration distribution diagram in goaf with air volume of 500m3/min and wind speed of 0.72m/s

图8 风量为740m3/min(风速1.07m/s)时采空区氧浓度分布图Fig.8 Oxygen concentration distribution in the goaf with air volume of 740m3/min and wind speed of 1.07m/s

图9 风量为1400m3/min(风速2.03m/s)时采空区氧浓度分布图Fig.9 Oxygen concentration distribution in thegoaf with air volume of 1400m3/min and wind speed of 2.03m/s

表2 风量变化对采空区自燃“三带”影响Tab.2 Influence of air volume change on spontaneous combustion "three zones" ingoaf

根据数值模拟结果，可以清晰的看出，采空区自燃“三带”的范围和工作面风量、采空区漏风量密切相关；随着工作面供风量的增加，采空区散热带、氧化升温带以及窒息带整体向采空区深部移动，且氧化升温带的范围，即采空区自燃危险区域范围呈现扩大趋势；当工作面风量减小，采空区散热带、氧化升温带以及窒息带整体向工作面附近移动，且氧化升温带的范围逐渐缩小。

3 结论

(1)通过对采空区氧气浓度和压力场进行数据模拟，并将模拟的氧气浓度与现场测量进行对比，发现结果相差不大，说明模拟结果比较符合现场。

(2)采空区最大自燃宽度为42m，且在进风巷、回风巷和采空区中部各不相同，呈现中部>进风巷>回风巷的规律。

(3)通过不同供风量的模拟结果，可以得出随着工作面供风量的增加，采空区散热带、氧化升温带以及窒息带整体向采空区深部移动，氧化升温带的范围增大，为保证安全生产，应控制向工作面的进风量。

(4) 高温和风量增加会使采空区自燃“三带”向采空区深部移动，且随着工作面回采的进行，采空区“三带”范围也随之移动。