综采工作面采空区自燃“三带”观测及危险区域划分研究

王 飞

(陕西延长石油集团横山魏墙煤业有限公司，陕西 榆林 719199)

0 引言

矿井火灾是煤矿开采所面临的“五大灾害”之一，由采空区遗煤自然发火导致的内因火灾是矿井火灾的主要原因[1]。矿井火灾会导致人员和设备的损失，产生巨大的经济损失，还会降低采煤区域面积、大量煤炭资源被埋藏地下，矿井火灾产生有毒有害气体对自然环境破坏性很强[2-3]。目前已知的我国煤田火灾地区总数为56处，主要位于新疆、内蒙古等地区。这些年来，随着我国矿区的开采力度加大，该地区面临的采空区遗煤自然发火危险性不断增大，防治采空区遗煤自然发火已经成为西部矿区众多煤矿日常工作的重中之重。

根据采空区遗煤自然发火的危险程度，再利用风速、温度、氧气浓度3个参数，将采空区整体划分为自燃“三带”，分别为散热带、氧化带和窒息带[4-5]。由于风速为矢量，在现场应用过程中难以测试，该方法通常应用于数值模拟分析中，而采空区内氧气浓度及温度变化在现场易于监测，因此工程试验划分采空区自燃危险区域分布通常对氧气浓度及温度变化规律进行分析[6-7]。例如，程卫民等[8]通过现场束管监测，依据鲁西煤矿采空区内氧气浓度及其分布的实际情况，对鲁西煤矿采空区内氧气自燃“三带”的范围进行了划分；邵磊[9]利用最新的光纤测温技术，监视了采空区内遗煤温度变化同时将氧气浓度相互结合，大致确定了潘一矿采空区内有可能发生自燃的危险区。随着开采的不断深入进行，采空区的地理位置在不断改变，进而自燃“三带”的范围也处于动态变化中，受多种环境因素的干扰，单纯通过现场监测测试了采空区中的氧气浓度及其温度变化规律，不能全面掌握采空区中存在的危险区域，因此利用数值模拟更加了解矿井温度等参数的规律已经成为补充现场监测的重要手段[10]。例如，张春等[11]通过建立了五龙煤矿自然发火危险区域数学模型，对五龙煤矿综放工作面采空区域的大小进行了模拟，进而合理划分了自燃危险区域的范围。范红伟等[12]利用数值模拟软件结合现场监测数据分析了福达煤业综采工作面采空区的“三带”范围和氧气分布情况。

目前，中国的煤炭资源大多集中于西部地区，具有煤层储量大、自燃倾向性为易自燃或自燃的特点，有效防治煤矿采空区遗煤自然发火是保证煤矿安全生产的重要工作。以魏墙煤矿1313综采工作面为主要研究对象，完成采空区自燃“三带”的划分，同时基于此模型分析不同配风量情况下采空区自燃危险区域分布规律及其对工作面推进速度的影响情况。

1 工作面概况

1313工作面为魏墙煤矿首采一盘区第7个综采工作面。位于一盘区1311工作面采空区以西，1313工作面南部和西部均未进行开采相关作业。工作面煤层走向轴线长4 487 m、倾向宽300 m，煤层平均厚3.05 m，倾角小于1°，该工作面煤层较为稳定且基本不含夹矸煤层。矿井综采工作面开采深度范围为265～388 m。综采工作面的内部煤层呈现的是西厚东薄、南薄北厚的趋势。1313工作面3号煤层具有低灰、高挥发分、中高硫、易自燃的特点，按照划分属于长焰煤，视密度1.31 g/cm3，煤尘具有爆炸危险性。

2 采空区自燃“三带”划分

2.1 自燃“三带”现场实测

魏墙煤矿1313工作面利用液压支架进行支护，监测工作面整个采空区内各种自燃“三带”的相关温度数据时，沿两工作面两巷各布3个温度观测点；对整个采空区的气体温度、自燃气体及其组成物质的监测采用埋设抽气管路的方法，定时从埋设抽气管路中提取整个采空区的气体温度样本，通过专用气相色谱仪对采空区的各种气体综合浓度变化规律情况进行分析；通过埋设气体温度探头进行测定采空工作区内温度波动变化规律情况。通过实测数据分析确定了魏墙煤矿1313工作面的采空区自燃“三带”分布范围。回风巷管路铺设长度为200 m，进风巷管路铺设长度84 m，在联络巷位置观测工作面回采200 m。在工作面两巷共设6个测点，测点设置示意图如图1所示。

图1 采空区“三带”测试各测点布置示意Fig.1 Layout of each measuring point in the “three zones” test in the goaf

2.2 采空区温度及气体成分变化规律

2.2.1 温度实测分析

1313工作面采空区内各个测点温度随推进距离不断变化，具体变化如图2所示。对采空区温度进行实测和分析可得到如下结果：胶运巷、回风巷中各测点温度均呈现先上升后下降接着趋于平稳的趋势。由于工作面严格按照煤层顶底板进行回采，采空区遗煤量少，因此采空区温度整体升高3～4 ℃，升幅较小。回风巷中3个测点最高温度分别为：4#为29.6 ℃，5#为30.6 ℃，6#为30.1 ℃；胶运巷中3个测点最高温度分别为：1#为28.9 ℃，2#为29.2 ℃，3#为30.1 ℃。根据回风巷中3个测点数据可知，在距离工作面0～45 m 温度升高幅度不大，在45～146 m温度直线上升，146 m左右以后温度呈下降趋势。胶运巷的温度变化趋势在0～80 m升高缓慢，80～170 m温度升高较快，170 m后温度呈下降趋势。

图2 各测点温度随推进距离的变化情况Fig.2 Variation of temperature at each measuring point with advancing distance

2.2.2 氧气浓度实测分析

1313工作面各测点氧气浓度随推进距离的变化如图3所示。实测结果表明，靠近回风巷一侧工作面推进至45 m左右各测点氧气体积分数降低至18%，各测点氧气体积分数降低至18%的位置分别为：4#测点45 m、5#测点47 m，6#测点44 m。各测点进入窒息区域(氧气体积分数低于6%)的位置分别为：4#测点为距工作面146 m处，测得氧气体积分数为5.35%；5#测点距工作面158 m，氧气体积分数为5.96%；6#测点距工作面160 m，氧气体积分数为5.87%。靠近胶运巷一侧工作面在推进至75 m左右各测点氧气体积分数降低至18%，根据监测数据可以看出各测点氧气体积分数降低至18%的位置分别为：1#测点81 m，2#测点76 m，3#测点74 m。各个监测点进入窒息区域的位置分别为：1#测点距工作面176 m，氧气体积分数为5.74%；2#测点距工作面178 m，氧气体积分数为5.35%；3#测点距离工作面180 m，氧气体积分数为5.28%。根据以上数据可以得出，距离工作面越远，氧气浓度越低，胶运巷一侧氧气体积分数在74 m后降至18%，回风巷一侧氧气体积分数在44 m后降至18%，氧气浓度下降缓慢。胶运巷一侧74 m后，回风巷一侧44 m后氧气浓度下降较快。分析可能原因为：测点刚埋入采空区后，由于顶板垮落未能压实，漏风严重，导致氧气浓度下降缓慢，随着测点继续埋入采空区深部，矿山压力作用下顶板垮落压实，氧气浓度下降趋势较快。

图3 各测点氧气浓度随推进距离的变化情况Fig.3 Changes of oxygen concentration at each measuring point with advancing distance

2.3 采空区自燃“三带”范围划分

参考国内外相关文献以及结合现场实际情况，主要以氧气体积分数6%～18%为自燃带的标准进行划分，同时以采空区内温度变化规律进行辅助验证。划分结果见表1。

表1 各测点氧气浓度所划分的自燃“三带”范围Table 1 The “three zones” range of spontaneous combustion divided by the oxygen concentration of each measuring point

从各个测点氧气浓度的监测数据分析可知：利用从工作面到采空区的距离表示魏墙煤矿1313工作面靠近胶运巷一侧采空区自燃“三带”的范围为散热带0～74 m，自燃带74～180 m，大于180 m为窒息带；靠近回风巷一侧利用从工作面向采空区的距离表示为散热带0～44 m，自燃带44～160 m，窒息带为大于160 m范围。采空区自燃“三带”范围示意图如图4所示。

图4 工作面采空区自燃“三带”范围划分结果示意Fig.4 The division results of the “three zones” of spontaneous combustion in the goaf of the working face

对魏墙煤矿1313回采工作面现场采空区内氧气浓度进行实测，采空区内氧气体积分数在75 m左右维持在18%，实测自燃“三带”范围较大，说明采空区内漏风情况较为严重，分析认为主要由以下原因造成：1313工作面推进速度较快，采空区冒落不实，采空区内孔隙率大，风流渗入较远；在辅助运输巷内采用局部通风机通风，巷道内风压为正，且在矿压作用联络巷密闭墙可能产生裂隙，从而引起联络巷密闭处存在一定程度漏风。

2.4 工作面最低推进速度计算

由以上测试分析可知，魏墙煤矿1313工作面最大散热带宽度为74 m时自燃带宽度为106 m，3号煤层自然发火期为38 d，则预防采空区自燃的工作面最低推进速度可按下式计算

Vi>(Lz+Lb)/Tm/月=142.1 m/月

式中，Vi为综采工作面的推进速度，m/月；Lz为自燃带宽度，106 m；Lb为散热带宽度，74 m；T为最短发火期，月。

考虑足够的安全系数(取1.2)，则建议1313回采工作面预防采空区自燃推进速度为Vs>1.2×142.1 m/月=170.5 m/月。

3 采空区自燃危险区域数值模拟

3.1 采空区数学模型建立

采空区内的渗透率目前认为由顶板及上覆岩层的冒落和碎涨情况决定，其分布符合“O”型圈理论，在重力影响下，采空区内岩石冒落后的空隙率的数学表达式如下

φG(x,y)=1+

(1)

在FLUENT软件中，黏性损失项(Darcy)和惯性损失项构成了多孔介质的自定义源项。其数学表达式如下

(2)

(3)

式中，α为渗透性系数；C2为内部阻力因子;D,C为对角阵1/α和C2，其它项为零。在多孔介质的层流流动中，压降和速度成比例，常数C2可以考虑为零。

3.2 物理模型建立及网格划分

结合魏墙煤矿1313工作面实际情况建立几何模型，忽略工作面中的设备及岩石冒落情况，将几何模型简化为不同尺寸的长方体。坐标原点选择进风巷和1313工作面及采空区地面相交点处，X轴正方向选择为沿进风方向指向采空区深部，工作面回风方向(下隅角指向上隅角)选定为Y轴正方向，将底板指向顶板设为Z轴正方向。使用Ansys Mesh组件将模型划分为网格，模型网格间距可设置为1 m×1 m，模型共有144 422个网格和1 530 261个节点。网格质量为0.98，采空区三维模型及网格划分结果如图5所示。

图5 工作面采空区物理模型及网格划分结果Fig.5 Physical model and mesh division results of the working face goaf

计算模型选择稳态模型(steady)，打开组分输运模型，混合物选择甲烷-空气混合物(methane-air)并打开能量方程。风流在采空区内流动为湍流状态，使用RNG k-epsilon模拟湍流状态。魏墙煤矿1313回采工作面胶带运输巷处与回风巷处分别设置为速度入口和自由出口。根据现场资料，工作面配风量为1 758 m3/min，即风速为1.73 m/s。根据采空区冒落带和裂隙带的特点，在模型中更加符合多孔介质区域，根据孔隙率与渗透率的分布，编写UDF函数并导入求解器。

3.3 数值模拟结果与分析

3.3.1 采空区内氧气浓度分布

采空区的遗煤氧化以及高温区域的形成和发展受氧气浓度分布的影响。魏墙煤矿1313工作面采空区氧浓度分布云图通过数值模拟结算结果得到，如图6所示。垂直工作面走向氧气浓度分布云图，如图7所示。

由图7可以看出，在1313采空区中垂直于工作面的剖面方向上，从风流进入端到回风端氧气浓度呈现下降趋势。临近工作面处，离漏风源越近氧气浓度越高，随着采空区的不断扩大与加深，氧气浓度也随之有了一定的下降。这是因为在进风端沿采空区走向漏风速度相对较大，随着风流向回风侧流动，氧气得到一定程度的消耗导致浓度降低。利用相关知识分析认为，一方面采空区内遗煤需要消耗氧气进行氧化，另一方面由于阻力的作用减小了漏风速度。所以漏风对进风侧影响较大。当以氧气体积分数在6%～18%为氧化自燃带的划分标准进行划分时，可得到“三带”范围划分结果，见表2。

通过对表2中的数据分析可得，利用数值模拟划分的自燃“三带”范围比矿井中实际测量的自燃“三带”范围偏小。考虑为1313回采工作面周围毗邻其他工作面的采空区，漏风源不仅为本工作面漏风，从而导致数值模拟结果略小于实际测量结果。总之，现场实测结果与数值模拟结果误差在可以被接受范围内，说明二者结果基本符合矿井实际自燃“三带”范围。

表2 数值模拟结果与实测结果对比分析Table 2 Comparison of numerical simulation results and measured results

3.3.2 不同配风量对回采工作面推进速度影响

采空区中采空区漏风、顶板的垮落，以及破碎岩体的理化性质等因素影响氧气浓度的分布。当工作面的回采方式以及通风方式确定的情况下，矿井通风量和漏风是影响采空区氧气浓度分布主要因素。增大工作面的风量会加剧采空区的漏风，漏风风流会对采空区更多地方产生影响，从而导致采空区遗煤氧化面积的扩大，采空区遗留煤的自燃危险性大大提高。采空区自燃“三带”是随着工作面开采不断深入而变化的动态过程，当工作面开采遇到问题时，工作面推进速度减慢甚至停止，采空区会遇到工作面遗煤接触氧气的时间会上升，采空区中浮煤的产热量也会相应提高，当自燃“三带”中氧化带的宽度大于工作面的推进速度与自然发火期的乘积时，氧化带内的遗煤产生的热量较大，浮煤极其容易到达较高温度甚至达到自燃点。因此，根据通风量变化情况确定合理的工作面推进速度对于防治采空区遗煤自燃具有重要的意义。本文模拟了工作面配风量分别为1 500 m3/min、1 600 m3/min、1 800 m3/min、1 900 m3/min、2 000 m3/min时对采空区浓度、自燃带分布及工作面推进速度的影响分析如图8所示，见表3。

图8 工作面不同配风量对采空区氧气浓度分布影响Fig.8 The influence of different air distribution in the working face on the oxygen concentration distribution in the goaf

表3 不同配风量下采空区自燃带分布范围Table 3 Distribution range of spontaneous combustion zone in goaf under different air distribution

由图8可知，采空区内氧气浓度分布特征，胶运巷一侧氧气浓度分布范围大于回风巷道。这主要是因为工作面风流通过裂隙进入采空区时，漏风主要集中在胶运巷一侧，该处漏风风量大，能量强，使得进入采空区的风流可以影响到更远的距离，漏风风量的提升导致氧气浓度升高。在采空区胶运巷道一侧，由于工作面漏风风量增大，采空区内氧化带不断加宽并向矿井采空区深处拓展，而在采空区回风巷一侧风量并未有明显变化，因此氧化带宽度和深度也无明显变化。通过数值模拟分析可得如下结果，随着工作面进风量的增大，采空区自燃危险区域范围扩大，为了防止发生矿井灾害，需要提高工作面的推进速度，从而加快自燃“三带”的运移，使得处于氧化带升温的遗煤快速进入窒息带中，采空区的遗煤达不到着火点难以自燃，降低了矿井自燃危险性。

4 结论

(1)现场实测魏墙煤矿1313综采工作面推进期间采空区遗煤温度及气体成分变化规律，结合数值模拟结果，划分工作面采空区自燃危险区域，回风巷侧采空区距工作面0～44 m为散热带，44～160 m为自燃带，大于160 m为窒息带，进风巷侧采空区距工作面0～74 m为散热带，74～180 m为自燃带，大于180 m为窒息带。根据划分结果，得出1313工作面最低推进速度为170.5 m/月。

(2)数值模拟工作面不同配风量对采空区自燃危险区域和工作面安全推进速度的影响。工作面配风量越大，采空区漏风量加大，造成氧化带加大、窒息带后移，需要提高工作面的推进度才能使遗煤快速进入窒息带。综采工作面采空区具有自燃危险区域大、工作面配风量影响更显著等特点。