切顶沿空留巷采空区自然发火规律研究

郝亚兵，曹文辉

(1.西山煤电集团有限责任公司， 山西 太原 030024； 2.太原理工大学 安全与应急管理工程学院， 山西 太原 030024)

我国煤炭成煤周期较长、煤样种类丰富、地质特性多样，易自燃、自燃煤层矿区分布较广[1]. 由于煤化程度、煤岩组分、水分、含硫量、孔隙率及脆性等影响，煤层自然发火倾向矿井占总矿井数量达半数以上[2]，增加了煤矿井下防灭火难度。井下回采后，采空区留有大量遗煤，存在一定自燃风险。

110工法-切顶沿空留巷无煤柱开采技术中留巷的正帮段即留巷采空区侧，是采空区的冒落带，采空区全部暴露在巷道内，形成一种完全开放的状态，与传统回采工艺的密闭封堵采空区相比较，漏风相对严重，增加了采空区自燃危险性。以官地煤矿12605工作面为研究对象,采用实验研究、数值模拟、现场检测相结合的方法分析切顶沿空留巷采空区自然发火规律，以保证该矿安全生产。

1 矿井概况

12605工作面属南六采区，东北侧为12603工作面，与本工作面相距23 m，西南侧为未采区。工作面走向长度为920 m，倾向长度为220 m，均采用矩形断面。工作面回采施工示意图见图1，12605工作面通风方式示意图见图2. 采用两进一回“W”型抽出式通风方式，即12605副巷进风，12605正巷回风，12605工作面切顶沿空留巷进风。

图1 工作面回采施工示意图

图2 12605工作面通风方式示意图

2 煤样程序升温氧化实验研究

选取该矿新暴露煤样，用保鲜膜包好送到实验室进行程序升温-气相色谱联用实验，实验系统见图3. 分析煤样程序升温氧化过程中气体产生规律，研究其氧化特性。

图3 实验系统示意图

2.1 实验参数

在真空环境将煤样进行破碎，筛选0.45 mm、0.90 mm、2.00 mm、3.20 mm、4.75 mm五种粒径煤样(与现场采空区遗煤粒径相近)各20 g，共100 g煤样混合装入内径45 mm、长100 mm铜罐中，放入程序升温箱。设置程序升温箱初始温度为25 ℃，终止温度为245 ℃，升温速率为1 ℃/min，铜罐通入流速为60 mL/min的空气，铜罐底部铺设阻燃材料以及铁丝网以保证通入气体在罐内均匀流动。气相色谱以氩气为载气，每升温20 ℃检测一次气体成分。

2.2 实验结果分析

2.2.1 煤样升温氧化气体产物

煤样升温氧化生成物主要包括碳氧化物、烷烃、烯烃等气体。随温度升高，煤样升温氧化生成的气体浓度基本呈上升趋势，但不同气体产生时间及生成量存在差异性。各气体产生规律见图4.

图4 气体产生规律图

在煤升温氧化的整个过程中均有CO、CO2、CH4以及C2H6生成；当温度低于105 ℃时，CO缓慢增加且生成量较低，O2浓度变化不明显；当温度达到105 ℃时H2开始出现；当温度在105 ℃～165 ℃时，CO浓度缓慢增加，O2浓度缓慢减少；当温度达到145 ℃时开始出现C2H4；当温度超过165 ℃时，CO浓度急剧上升，O2浓度急剧下降；当温度超过185 ℃时，C2H4浓度急剧上升。

2.2.2 煤样升温氧化耗氧速率

程序升温实验中气体运行路径主要为氧化罐中心线垂直方向，该区段空气流量和煤样的质量都比较小，总体漏风强度较小，所以，煤体内的氧气浓度分布方程可以假设在煤体的中心轴方向上，煤升温氧化过程中氧气消耗速率按式(1)计算[3-4]. 将实验数据代入公式，得到结果见图5.

图5 耗氧速率曲线图

(1)

当温度低于105 ℃时，耗氧速率较小且变化不明显；当温度在105 ℃～165 ℃时，耗氧速率缓慢增大但还处于较低阶段；当温度超过165 ℃时，耗氧速率急剧增大，故温度超过165 ℃时，煤样氧化后气体组分中氧气浓度急剧下降。实际耗氧速率与实验有一定差异，需结合现场考虑。

2.2.3 煤样升温氧化COX气体生成速率

煤样升温氧化过程中，COX气体的生成速率按式(2)、(3)计算[5]. 将实验数据代入公式，得到结果见图6.

图6 COX气体生成速率曲线图

(2)

(3)

在煤升温氧化的整个过程中CO2生成速率始终大于CO生成速率。当温度低于105 ℃时，COX气体生成速率很低几乎为零且变化不大；当温度在105 ℃～165 ℃时，COX气体生成速率开始缓慢增加；当温度超过165 ℃时，COX气体生成速率急剧上升。

综上分析，在煤样整个升温氧化过程中，当温度低于105 ℃时煤样在缓慢氧化，当温度在105 ℃～165 ℃时加速氧化，当温度超过165 ℃时剧烈氧化，CO浓度、C2H4浓度、H2浓度、耗氧速率以及CO生成速率在这3个阶段都有明显变化。因此，提出以CO、C2H4作为判定氧化程度的主要指标，用H2、耗氧速率以及CO生成速率辅助监测。

3 切顶沿空留巷采空区自然发火规律数值模拟

由于实验研究环境与切顶沿空留巷采空区遗煤所处环境存在一定的差异，在实验研究的基础上，采用FLUENT流体力学模拟计算软件对12605切顶沿空留巷工作面进行数值模拟研究,其软件内部包含模型建立，数值方法以及较为强大的后处理功能[6].

3.1 模型建立及简化

根据官地煤矿12605工作面-采空区实际条件，在对其采空区模型建立过程中，认为矿井采空区为岩层混合体与松散煤体并行组成的多孔介质，故其流场建立选取多孔介质模型。同时对采空区数值模拟中的相关问题进行简化：

1) 采空区由冒落岩石和遗煤空隙构成的多孔介质，近似将采空区多孔介质视为各向同性。

2) 忽略采空区内热辐射对温度的影响，只考虑热传导与热对流。

3) 忽略气体及岩体的物理特性参数随温度的变化，将其视为常数。

模型简化后俯视示意图见图7.

图7 模型俯视示意图

边界条件：工作面温度恒定不变T工作面=16 ℃；漏风源的风温恒定T入=16 ℃；进风口风量Q副=950 m3/min，Q正=650 m3/min；采空区进回风巷边界T=16 ℃；采空区氧气初始体积分数：C1(O2)=0；漏风源氧气体积分数：C2(O2)=21%；回采率0.87；工作面风阻0.019 3 N·S2/m8.

采空区内冒落煤体在采空区内部形成非均匀多孔介质，气体运移情况满足达西定律，气体流动以及遗煤氧化过程遵守质量守恒、动量守恒以及能量守恒三大守恒定律。遗煤氧化控制方程以及采空区渗透率方程参考文献[6,7].

创建好采空区遗煤氧化模拟模型[8，9]后，通过编写UDF导入，可得到采空区渗透率的动态演变规律，并在此基础上完成对采空区气体流动以及热传递的模拟，得到采空区温度、氧气分布规律。

3.2 结果分析

3.2.1 不同推进距离采空区氧气与温度分布规律

采空区氧气浓度分布对自然发火具有重要的影响，可根据采空区氧气浓度将采空区划分为散热带(氧气浓度>16%)，自燃带(6%≤氧气浓度≤16%)和窒息带(氧气浓度<6%)[10,11]. 同时，采空区温度也是重要影响因素。工作面推进50 m、100 m、200 m时采空区氧气与温度分布情况分别见图8，9.

图8 氧气分布情况图

图9 温度分布情况图

工作面推进初期，氧气浓度在采空区12605副巷进风段较高并沿12605工作面倾向递减；由于采空区高氧区域距进风段近，散热快而且在低氧区域遗煤无法充足氧化，故整个采空区温度较低；随着工作面不断推进，采空区沿工作面倾向及走向氧气浓度降低，基本达到稳定状态；采空区温度分布在工作面走向出现差异，工作面推进到200 m，采空区温度分布达到稳定状态。

为验证模拟结果的有效性，收集官地煤矿12605工作面推进100 m后切顶成巷采空区光纤测温与束管监测的氧气体积分数数据，光纤与束管布置方式分别见图10，图11. 将收集数据汇总分析，结果分别见图12，13.

图10 光纤布置示意图

图11 束管布置示意图

图12 光纤测温数据图

图13 束管监测数据图

2号、3号光纤数据对应采空区进风侧，7号、8号光纤对应采空区留巷侧以及12605留巷；将束管监测的氧气体积分数汇总，得出采空区进风侧与留巷侧氧气体积分数。分析得出,模拟切顶沿空留巷采空区进风侧与留巷侧温度及氧气变化趋势与现场实测是相同的，模拟结果与现场实测结果基本吻合，但也存在一定差异，因为模拟忽略了影响较小的散热，使模拟温度结果普遍高于实测结果；模拟时认为进风风压、漏风量一定，而实际情况较为复杂，实际漏风量稍大于模拟设定漏风量，模拟氧气浓度结果普遍低于实测结果。综上所述，证明基于FLUENT模拟分析官地煤矿切顶沿空留巷采空区自然发火规律是有效的。

3.2.2 不同推进速度采空区氧气与温度分布规律

模拟分析推进速度为3.2 m/d、4.8 m/d、6.4 m/d时切顶沿空留巷采空区温度-氧气分布规律，见图14. 在温度分布云图上以氧气浓度为6%～16%等值线标注为采空区遗煤氧化带。

图14 温度-氧气分布规律图

在不同推进速度下沿空留巷采空区升温区域皆分布于进风侧。随着推进速度的增加，采空区内部升温区域范围缩小。主要由于推进速度越快，采空区遗煤处于氧化升温带的时间越短，降温速度快。随着推进速度的加快，留巷侧升温区域随推进速度加快而逐渐缩小。

随着推进速度的变化，沿空留巷采空区升温区域与氧化带分布位置不断发生改变。氧气体积分数等值线向采空区深部移动，由于升温区域受推进速度影响较小，故后移现象不明显。

通过进一步对工作面中部模拟监测点及留巷侧模拟监测点数据分析，得到不同推进速度下工作面中部以及留巷侧温度-氧气变化情况，分别见图15，16.

图16 留巷侧监测点温度-氧气变化关系图

工作面中部监测点和留巷侧监测点最高温度随着推进速度的增加，都呈下降趋势；以24.85 ℃为观察点，随推进速度的增加中部监测点和留巷侧监测点高温区域走向宽度变窄，且中部监测点高温区域向采空区深处移动，留巷侧高温区域在175～185 m，变化不明显；推进速度加快时，采空区未压实漏风比较严重，整个采空区的氧气浓度都在上升。当推进速度为3.2 m/d时，工作面中部监测点高温点氧气体积分数为10.51%，留巷侧为12.21%；当推进速度为4.8 m/d时，工作面中部监测点高温点氧气体积分数为13.12%，留巷侧为14.23%；当推进速度为6.4 m/d时，工作面中部监测点高温点氧气体积分数为13.01%，留巷侧为14.01%. 推进速度越慢，最高温度区域氧气体积分数越低，但最高温度区域氧气体积分数随推进速度的加快，氧气体积分数增长趋势减缓。 在相同推进速度下留巷侧高温点氧气体积分数较高，容易加大遗煤氧化程度，需加强留巷侧管理。综上分析，提出官地煤矿最佳推进速度为4.8 m/d.

4 结 论

1) 通过实验研究，掌握了官地煤矿12605工作面煤样升温氧化过程中气体产生规律。结果表明，当温度低于105 ℃时煤样缓慢氧化，当温度在105 ℃～165 ℃加速氧化，当温度超过165 ℃剧烈氧化。结合官地煤矿实际，提出以CO、C2H4作为判定氧化程度的主要指标。

2) 基于FLUENT模拟软件，分析了官地煤矿不同推进距离、不同推进速度下切顶沿空留巷采空区自然发火规律得出，随着推进速度的加快，采空区内部升温区域沿工作面倾向的范围逐渐缩小；沿空留巷侧升温区域沿工作面走向的范围逐渐缩小。推进速度越快，采空区最高温度区域对应的氧气体积分数越高，且随着推进速度加快，最高温度区域氧气体积分数增加趋势减缓。提出官地煤矿最佳推进速度为4.8 m/d. 对于切顶沿空留巷采空区，管理重点应放在进风侧以及留巷侧尾部。