综采工作面采空区自燃“三带”数值模拟

李 伟，强奋勇，杨程帆，权岩萍

(1.陕西省榆林市大梁湾煤矿有限公司，陕西 榆林 719000；2.西安天河矿业科技有限责任公司，陕西 西安 710054；3.西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 710054)

0 引言

在工作面回采过程中，采空区遗煤与氧气结合发生反应后，特别容易发生自燃，而采空区遗煤自燃主要发生在氧化升温带。为了确保采空区遗煤不出现自燃危险，需要划分出散热带、氧化升温带和窒息带，即采空区遗煤自燃“三带”。因此，确定自燃“三带”的分布范围对矿井工作面采空区煤自燃防控至关重要。

国内各大煤矿和科研学者在这方面做了大量的工作。李宗翔等[1]提出以采空区漏风流场与浓度场确定自燃“三带”。徐精彩等[2]研究出采空区煤炭自燃的定量标准，例如自然发火最小浮煤厚度、最低氧气百分比等。金永飞等[3]以束管观测的方式，通过CFD软件模拟研究采空区注氮工作参数变化时的煤自燃区域变化情况，从而让注氮治理煤自燃灾害更加科学。文虎等[4]通过现场测量氧浓度变化和数值模拟相结合的办法进行验证，更加准确地分析了煤层分层前后采空区煤自燃危险区域的变化情况。尚秀廷等[5]借助FLUENT软件，模拟研究了采空区氧气浓度分布和对多孔介质的渗流速度。李锋等[6]应用数值模拟的方法研究了煤自燃“三带”的分布，得到的模拟结果与现场实测结果相一致。焦庚新等[7]研究随着工作面推进时氧气浓度变化规律，运用束管监测系统测量的结果与数值模拟结果基本吻合。孙珍平[8]研究了均压工作面在均压前后采空区自燃“三带”分布规律。王月红等[9]通过现场实际情况与数值模拟不同注氮工艺参数条件下的采空区温度场和氧浓度场的变化规律相结合，以此确定采空区注氮防灭火最佳工艺参数。曹镜清等[10]通过对现场进行实测，得出CO、O2等气体浓度等数据，利用数值拟合升温速率，最终达到能够判定采空区自然发火的危险区域。李宗翔等[11]针对偏“W”型通风方式，运用数值软件对采空区压力场、速度场等进行模拟，得出工作面两端压差和漏风规律及采空区瓦斯和氧气浓度分布规律与现场实测结果相接近。

为确定大梁湾煤矿30103综采工作面采空区煤自燃“三带”范围，通过对大梁湾煤矿30103综采工作面采空区进行现场观测，将得到的自燃“三带”结果与数值模拟相互验证。确保自燃三带划分的准确性，对大梁湾煤矿30103综采工作面的安全回采与采空区遗煤自燃的预先防控具有实际的指导意义和价值。

1 工作面概况

30103综采工作面位于大梁湾矿井西翼301盘区，西为回采过的30102综采工作面，东为备采30104综采工作面，南为“三巷式”布置的开拓巷道，即西翼辅助运输大巷、带式输送机大巷及回风大巷，北为有40 m煤柱相隔离的常兴煤矿。30103综采工作面宽度为275.32 m，可采长度为1 850 m，平均煤厚5.1 m，面积508 986.84 m2，采用走向长壁式采煤法，全部垮落法管理顶板。采煤机双向割煤，循环进尺0.8 m，采高3.4～7.2 m，双向割煤，端头斜切进刀，进刀长度不小于66 m，截深0.8 m。

2 采空区“三带”现场观测

2.1 测点布置

现场采用在进回风巷道布置束管的方式，观测采空区氧气浓度分布情况。选择大约距工作面300 m左右作为大梁湾煤矿“三带”束管测定范围，在进回风巷道各间隔50 m左右设定一个测点，每侧设置3个测点，总共6个测点。基本保证进回风巷道束管能够同时进入采空区开始观测。观测到氧气浓度低于8%以下时方可结束。

2.2 工作面推进情况

在观测期间，30103综采工作面的推进速度平均保持在9.52 m/d，推进速度最大可达12.75 m/d，偶尔因生产等原因，推进速度会放慢至4.65 m/d。采空区内遗煤与氧气的反应时间直接受推进速度的影响。当工作面推进速度的加快时，有利于防治采空区遗煤自燃，从而消除采空区遗煤自燃隐患。因此在条件允许的情况下，工作面需保持稳定的推进速度，进而减少采空区遗煤与氧气的反应时间，达到预防采空区遗煤自燃的目的。

2.3 采空区氧气浓度分布规律

选取1#和4#束管观测数据，利用Origin分别作出进、回风侧采空区内部距工作面不同距离各点的氧气浓度变化趋势图，如图1、2所示。

图1 进风侧采空区氧气浓度随埋深变化趋势Fig.1 Variation trend of oxygen concentration with buried depth in goaf on the air inlet side

通过分析图1和图2得知，30103综采工作面采空区进风侧1#测点在距离工作面104 m的位置，氧气体积分数下降到18%左右。随着工作面的继续不断向前推进，进风侧采空区内氧气浓度虽然出现波动，但总体上呈现逐渐减小的趋势，在距离工作面276 m的位置，氧气体积分数减小到10%左右。此时，氧气浓度下降速度比较快，且速率比较稳定，按照此规律，进风侧在距工作面310 m的位置，氧气体积分数基本可以降至8%左右。而在回风侧4#测点距工作面与进风侧相同距离，氧气浓度相对而言低很多，基本在距工作面60 m的位置，氧气体积分数已经下降到18%甚至以下，而当继续深入到采空区235 m的位置时，氧气体积分数就已降至8%以下。在采空区中部，从进风侧向回风侧，氧气浓度分布情况从整体上来看，呈现出递减的趋势。而在两侧束管进入采空区同一深度，进风侧氧气浓度普遍比回风侧大。

图2 回风侧采空区氧气浓度随埋深变化趋势Fig.2 Variation trend of oxygen concentration with buried depth in goaf on the return air side

因此，根据现场观测得到的数据可以确定30103工作面采空区散热带的分布范围为回风侧距工作面0～60 m，进风侧距工作面0～104 m。在回风侧，窒息带深度相对进风侧而言较浅，位于235 m左右，在进风侧窒息带的深度相对较深，位于310 m左右，采空区“三带”划分见表1。

表1 采空区“三带”划分Table 1 “Three zones” division of goaf

3 采空区自燃“三带”数值模拟

3.1 采空区漏风规律控制方程

工作面开采过后，顶板岩层会相继垮落。因此采空区内充满了垮落下来的块状破碎岩石，还存在遗留在采空区内部的松散煤体，这些破碎岩体及松散煤体之间的裂隙在采空区内分布极为丰富，根据这些特征基本允许将松散煤体和岩体均视为均匀的多孔介质，仅需在模拟时设置不同的渗流参数作为区分即可。在渗流模型中，漏风强度仅考虑平均意义下的，也就是通过单位面积松散煤体的漏风量[12]。在设定的计算区域内，流体的密度保持不变，空气渗流应当符合达西定律。常温常压下松散煤体对空气的吸附与脱附维持在平衡状态，遗煤与氧气发生反应，互相消耗，同时产生与消耗量同等质量的气体，故而空气的总质量是不会产生任何变化的。根据菲克定律，空气中各组分扩散是从浓度最高处向最低处进行的[13-14]。因为煤自燃是一个非常缓慢的过程，所以工作面在正常推进时，可以将采空区的渗流、扩散及化学反应考虑成一个稳态过程。因此采空区温度基本可以认为保持不变[15]，于是得出控制方程，见式(1)

(1)

3.2 数学建模及参数设置

根据30103综采工作面实际情况，建立工作面采空区三维模型，设置采空区深度为400 m，工作面倾向长度为275.32 m，浮煤厚度取0.51 m，浮煤上为29.49 m厚的岩石。坐标原点定在回风巷道最左侧，工作面推进方向反方向的指向为x轴正方向，工作面走向方向的指向为y轴正方向，向上为z轴正方向。计算区域划分网格为结构化网格，浮煤中网格在x,y,z3个方向上步长为0.5 m，岩石中步长为0.5～4 m，共划分网格3 118 605个。三维模型及网格划分如图3～5所示。

图3 采空区三维模型Fig.3 3D model of goaf

图4 三维模型网格划分Fig.4 Meshing of 3D model

图5 三维模型网格划分局部放大Fig.5 Partial enlargement of mesh division of 3D model

3.3 数值模拟结果及分析

利用Fluent建立的模型进行模拟，得到了大梁湾煤矿30103综采工作面采空区氧气浓度分布，如图6～8所示。

图6 距底板0.5 m氧气浓度平滑分布Fig.6 Smooth distribution of oxygen concentration at 0.5 m from floor

图7 距底板0.5 m氧气浓度条纹分布Fig.7 Stripe distribution of oxygen concentration at 0.5 m from floor

图8 采空区氧气浓度立体分布Fig.8 Stereoscopic distribution of oxygen concentration in goaf

由图6～8可知，大梁湾煤矿30103综采工作面采空区在进风侧距工作面121 m处氧气体积分数为18%，在308 m处为8%；同样在回风侧氧气浓度分别是43 m和227 m处。数值模拟结果与现场实际测量结果基本吻合，综合现场测量及模拟所得结果，为较为顺利地消除30103综采工作面采空区煤自燃隐患，应当扩大采空区危险区域监测范围。因此可以确定，大梁湾煤矿30103综采工作面采空区内部氧化升温带在距工作面进风侧104～310 m、回风侧43～235 m处，在此范围内煤自燃风险较高。

4 工作面安全推进速度

根据自燃“三带”分布规律，30103综采工作面氧化升温带宽度最大值出现在工作面进风一侧，其氧化升温带的距离Lmax=206 m。30103采空区遗煤最短自然发火期τmin=51 d，计算得工作面安全推进速度为

(2)

式中，vmin为工作面安全推进度，m/d；k为安全系数，取1.2；τmin为煤层最短自然发火期，取51 d。

因此，当采煤工作面的推进速度大于4.84 m/d时，正常条件下，采空区内遗煤自然发火危险性较小；而当工作面推进速度连续51 d小于4.84 m/d时，期间必须加强监测，并相应的采取堵漏风及防灭火措施。

5 结论

(1)得到了30103工作面采空区煤自燃“三带”范围为散热带(进风侧<104 m，回风侧<43 m)、氧化升温带(进风侧104～310 m，回风侧43～235 m)、窒息带(进风侧>310 m，回风侧>235 m)。

(2)确定了大梁湾煤矿30103综采工作面安全推进速度为4.84 m/d。

(3)大梁湾煤矿30103综采工作面采空区“三带”数值模拟与现场实测范围结果相吻合，结合2种方法相互辅证，提高了“三带”划分结果的可靠性。