特厚易自燃煤层回采工作面上隅角贫氧致因机理研究

高瑞青，王 飞，刘红威，张小龙，贺志宏，刘振明，王子邦，宫 彪

（1.太原理工大学安全与应急管理工程学院，山西太原 030024；2.山西煤矿安全研究生教育创新中心，山西太原030024；3.西山煤电（集团）有限责任公司，山西太原 030000；4.晋能控股煤业集团有限公司，山西大同 037003）

随着煤炭开采技术水平的提升，我国煤矿综采工作面采高不断增加[1]，在特厚自燃煤层放顶煤综采过程中，采空区自然发火严重[2-3]，工作面上隅角贫氧现象时有发生。根据GB 8958—88《缺氧危险作业安全规程》中定义在氧气体积分数低于19.5%的工作环境作业时为缺氧作业。当氧气体积分数低于18.5%工作能力下降，剧烈运动感到不适[4]。考虑煤矿井下环境复杂，人员工作强度大，以18.5%为界定义当工作面氧气体积分数低于18.5%的现象称为工作面贫氧现象[5]。为保证工人的安全生产，对工作面上隅角贫氧致因机理的研究具有重要意义。

为掌握特厚易自燃煤层回采工作面上隅角贫氧机理，研究人员进行了相关研究。郭永文[6]针对神东矿区工作面低氧现象提出采空区遗煤低温氧化是低氧气体产生的来源；潘荣锟等[7]采用CDEM 数值模拟以及SF6示踪气体漏风测试等方法对浅埋近距离煤层群工作面上隅角贫氧致因进行了研究，指出工作面上隅角贫氧是多因素影响下的综合结果，开采扰动产生的漏风裂隙，是造成上隅角贫氧的主要致因；方保明[8]提出造成工作面低氧的主要原因是煤层赋存于CO2-N2带，回采过程中高氮气体涌出与采空区内遗煤低温氧化形成高氮低氧环境。现场研究还发现采空区二氧化碳涌出，外界大气压变化也是造成上隅角氧气体积分数低的重要原因。上述研究表明工作面上隅角贫氧现象的出现不是单一因素造成的，是多因素耦合综合作用的结果。

目前大范围采场气体分布的研究主要采用数值模拟和现场测试相结合的手段[9-11]。基于此，以马道头矿8105 工作面为工程背景，建立特厚易自燃煤层回采工作面流场数值计算模型，分析采空区耗氧速率、工作面进风量、采空区埋管注氮（注氮量和注氮位置）对采场氧气体积分数分布规律的影响效应，明晰工作面上隅角的贫氧致因机理。

1 上隅角贫氧工程实例

马道头矿井通风方式为混合式，通风方法为机械抽出式。8105 综放工作面主要开采中5#、（3-5）#煤层，埋深300～460 m，平均倾角3°，走向长度2 288 m，倾斜长度220 m，总厚度为5.76～22.98 m，平均煤厚17.8 m，平均落底煤厚度1.17 m。8105 工作面采用一进一回的“U”型通风方式，全负压通风；所在煤层为易自燃煤层，自然发火期41 d；采用向采空区24 h 不间断注氮为主的方式预防采空区遗煤自燃。在8105 工作面3 种生产状态下对上隅角距煤壁1.5 m 处，分别在高度为2.5、1.5、0.8 m 位置用橡胶气囊取低氧气体气样，在实验室用气相色谱分析。8105工作面上隅角低氧气体成分分析表见表1。由表1可知，生产过程中工作面附近存在严重的贫氧区域，对工作面的安全生产造成了极大的威胁。

表1 8105 工作面上隅角低氧气体成分分析表Table 1 Analysis table of low-oxygen gas composition in the upper corner of working surface

2 计算模型

2.1 模型建立与参数设定

考虑到采空区中复杂的流场分布，提出合理假设[12]：视采场内气体为不可压缩流体；采空区孔隙率及渗透率为采空区位置坐标的函数，不随时间发生改变；考虑重力对采空区流场的影响；忽略温度及煤层倾角对采空区流场分布的影响。

2.1.1 数学模型

采空区内煤岩受工作面开采影响，在采空区内形成自由堆积的多孔介质区域，流体在采空区内的运动符合多孔介质渗流理论。流体在采空区内的运动满足多孔介质质量及动量守恒方程，多孔介质内的质量守恒方程为[13]：

式中：γ 为多孔介质空隙率，m-3；ρf为流体质量密度，kg/m3；▽为哈密算子；v→为流体在多孔介质中渗流速度，m/s；Sm为气体质量源项，kg/（m3·s）；t 为时间，s。

多孔介质内的动量守恒方程为：

式中：p 为气体压力，Pa；τ=为黏性应力张量；g→为重力加速度，m/s2；S 为多孔介质中风流运移过程中附加的动量损失源项，N/m3。

对各向同性的多孔介质动量损失源项为[14]：

式中：μ 为流体的动力黏度系数，kg/（m·s）；α 为渗透率；vi为i 方向的速度；C2为惯性阻力系数。

根据Blake-Kozeny 推导思想，在非线性流态条件下定义适用的经验公式为[15]：

式中：Dm为采空区内落岩的平均粒径，m。

氧气扩散方程：

式中：ρ 为流体密度，kg/m3；Yi为氧气体积分数，%；J→i为氧气的扩散通量；Ri为氧气化学反应生成净速率，kg/（m3·s）；Si为氧气生成率，kg/（m3·s）。

J→i为氧气的扩散通量，由Fick 定律给出，湍流模型中表达式为：

式中：Di,m为氧气的质量扩散系数；μt为湍动黏度，kg/（m·s）；Sct为湍流施密特数；DT,i为氧气组分的热扩散系数；T 为温度，K。

2.1.2 几何模型与边界条件

8105 进风巷与工作面交界点为坐标原点，工作面倾向长度为y 轴方向，沿着采空区走向为x 轴方向，进风巷、回风巷断面尺寸为5.1 m×3.9 m；工作面尺寸为6.864 m×3.9 m，倾向长度为220 m；采空区走向长度为300 m；高度为48 m。工作面采用“U”型通风，进风量为2 100 m3/min，配合进风巷双埋管注氮距工作面30、60 m，24 h 不间断注氮，总注氮量为1 745 m3/h，边界条件和参数设置见表2。8105 工作面物理模型如图1。采空区空隙率分布函数为[16]：

表2 边界条件和参数设置Table 2 Boundary conditions and parameter settings

图1 8105 工作面物理模型Fig.1 Physical model of 8105 working face

式中：x 为采空区走向方向距离，m；y 为工作面倾向方向距离，m；z 为采空区高度，m；l 为工作面总长度，m。

z=0 m 平面采空区空隙率分布如图2。

图2 z=0 m 平面采空区空隙率分布Fig.2 Porosity distribution of goaf on z=0 m plane

2.2 计算模型准确性校验

8105 模型工作面测点布置示意图如图3。利用后处理工具对工作面测点及束管监测处的数据进行截取，通过模拟结果与实测数据对比分析。工作面氧气体积分数实测与模拟结果对比如图4。束管监测氧气体积分数与模拟结果对比如图5。

图3 8105 模型工作面测点布置示意图Fig.3 Schematic diagram of measuring point layout of 8105 model working face

图4 工作面氧气体积分数实测与模拟结果对比Fig.4 Comparison of actual measurement and simulation results of oxygen volume fraction in working face

图5 束管监测氧气体积分数与模拟结果对比Fig.5 Comparison of tube bundle monitoring oxygen volume fraction and simulation results

由图4 可知：当工作面靠近进风侧y=0～20 m时，模拟结果与工作面实测分别为21%与20.9%；当y=20～50 m 时，受进风侧埋管注氮影响，氧气体积分数小范围急速下降；当y=50～115 m 时，氧气体积分数逐步平缓下降；当y=115～210 m 时，采空区气体涌入工作面，氧气体积分数下降趋势显著；当y>210 m，由于工作面靠近回风巷侧压力小，采空区气体加速涌入工作面，氧气体积分数急剧下降。工作面氧气体积分数分布与现场实测结果相对一致。

由图5 可知：模拟显示距离工作面0～10 m 时，氧气体积分数从17.9%骤降至12.1%，距工作面10～80 m 范围内，氧气体积分数由12.1%平缓降6.4%；束管实测数据显示在距工作面5～10 m 位置，氧气体积分数急剧下降，在距工作面10～75 m 处氧气体积分数缓步下降至6.7%，在75～80 m 骤然下降至6%；模拟结果与实测数据变化趋势吻合较好。。

3 回采工作面上隅角贫氧致因机理

3.1 耗氧速率对采场氧气体积分数分布的影响

通过改变采空区耗氧速率，模拟分析工作面及上隅角区域氧气体积分数分布的变化规律。不同耗氧速率下工作面测点氧气体积分数分布如图6。

图6 不同耗氧速率下工作面测点氧气体积分数分布Fig.6 Oxygen volume fraction at measuring points in working faces under different oxygen consumption rates

由图6 可知：当耗氧速率为0 kg/（m3·s）时，工作面氧气体积分数基本稳定在21%，随着耗氧速率的增加工作面测点0～200 m 测点氧气体积分数逐步下降，耗氧速率与工作面氧气体积分数呈现负相关；当耗氧速率变化梯度较大时，在5×10-7～1.2×10-6kg/（m3·s），工作面氧气体积分数急剧降低；当耗氧速率变化梯度最小，在1×10-8～1×10-7kg/（m3·s），工作面测点氧气体积分数变化较小；耗氧速率越大，工作面测点氧气体积分数下降梯度越大。

z=1.7 m 不同耗氧速率上隅角氧气体积分数分布如图7。不同耗氧速率上隅角贫氧效应统计如图8。

图7 z=1.7 m 不同耗氧速率上隅角氧气体积分数分布Fig.7 Oxygen volume fraction distribution in upper corner（z=1.7 m）under different oxygen consumption rates

图8 不同耗氧速率上隅角贫氧效应统计Fig.8 Statistics of oxygen depletion effect in upper corner of different oxygen consumption rates

由图7 与图8 可知：当耗氧速率为0 kg/（m3·s）时，上隅角与下隅角氧气体积分数基本一致，氧气体积分数稳定在20.8%以上；耗氧速率增至1.8×10-7kg/（m3·s）时，上隅角区域氧气体积分数逐步下降，氧气体积分数均大于18.5%，未出现贫氧现象；当耗氧速率大于1×10-7kg/（m3·s）后，上隅角贫氧现象出现，随着耗氧速率的增加，上隅角氧气体积分数不断降低，贫氧区域在上隅角附近逐步扩大。

综合分析可知采空区遗煤氧化是造成工作面上隅角贫氧现象的前提条件，采空区遗煤氧化加剧，耗氧速率增加，产生大量的低氧体积分数气体，工作面负压通风方式帮助了采空区内贫氧气体运移到靠近工作面一侧，在上隅角聚集造成上隅角贫氧现象。

3.2 进风量对采场氧气体积分数分布规律的影响

通过改变巷道进风量，模拟分析了工作面与上隅角区域氧气体积分数分布的变化规律。不同进风量下工作面测点氧气体积分数分布如图9。

图9 不同进风量下工作面测点氧气体积分数分布Fig.9 Oxygen volume fraction at measuring points in working faces under different air intake

由图9 可知：当进风量大于2 100 m3/min 时，工作面测点0～200 m 氧气体积分数稳定在20.7%以上；进风量增大，采空区涌入工作面的低氧气体及时被风流带走，工作面氧气体积分数显著提升，随着进风量的增加工作面测点氧气体积分数逐步提高；同时进风量的增加，使进风侧压力增大，采空区漏风加剧，采空区与工作面回风侧压差变大，采空区低氧体积分数气体在工作面尾部区域（y>200 m）加速涌入，氧气体积分数迅速下降；当工作面进风量降至1 874 m3/min 以下，采空区气体通过漏风裂隙涌入工作面，由于工作面风速较小不能及时稀释低氧体积分数气体造成工作面测点氧气体积分数迅速降低。

z=1.7 m 不同进风量上隅角氧气体积分数分布如图10，不同进风量上隅角贫氧效应统计如图11。

由图10 与图11 可知：当工作面进风量小于2 100 m3/min 时，工作面漏风较小，采空区遗煤氧化减缓，低氧体积分数气体减少，上隅角处氧气体积分数均大于18.5%；随着进风量的增加上隅角处最低氧气体积分数缓步下降，当工作面进风量在1 648～2 100 m3/min 时，最低氧气体积分数急剧下降，进风量2 100～2 552 m3/min 之间时，上隅角出现贫氧现象，低氧范围迅速扩大；当进风量大于2 552 m3/min后，随着进风量的增加，低氧范围趋于基本稳定，上隅角氧气体积分数缓步下降。

图10 z=1.7 m 不同进风量上隅角氧气体积分数分布Fig.10 Oxygen volume fraction distribution on upper corner（z=1.7 m）under different air intake

图11 不同进风量上隅角贫氧效应统计Fig.11 Statistical analysis of oxygen deficiency effect in upper corner of different air intake

综合分析可知随着进风量的增加，工作面漏风增大，采空区内遗煤氧化加剧产生大量的低氧体积分数气体，同时采空区与工作面回风侧的压差变大，采空区内气体在工作面尾部加速涌入，在上隅角涡流区域聚集加剧了上隅角贫氧现象。

3.3 注氮对采场氧气体积分数分布规律的影响

3.3.1 工作面及上隅角氧气体积分数分布

当注氮位置为30、60 m 时，不同注氮量下工作面测点氧气体积分数分布如图12。

图12 不同注氮量下工作面测点氧气体积分数分布Fig.12 Oxygen volume fraction at measuring points of working face under different nitrogen injection rates

由图12 可知：注氮量的变化对工作面测点氧气体积分数分布有较大影响；当注氮流量在1 385～2 465 m3/h 时，采空区注氮口与工作面压差均衡，增加注氮量对工作面氧气体积分数分布影响较小；当注氮量从2 825 m3/h 增加至3 545 m3/h 时，注氮口附近区域与工作面压差增大，氮气通过漏风通道涌入工作面，造成工作面测点氧气体积分数迅速下降。

z=1.7 m 不同注氮量工作面氧气体积分数分布如图13，不同注氮量上隅角贫氧效应统计如图14。

图13 z=1.7 m 不同注氮量工作面氧气体积分数分布Fig.13 Oxygen volume fraction distribution on working face（z=1.7 m）under different nitrogen injection rates

由图13 与图14 可知：随着注氮量的增加，工作面测点氧气体积分数逐渐下降，上隅角低氧范围逐步扩大；当注氮量超过2 825 m3/h 后，注氮口与工作面压力失衡，采空区低氧体积分数气体大量涌入工作面，注氮口附近工作面氧气体积分数降至18.5%以下造成工作面低氧。当注入氮量从0 m3/h 增至3 185 m3/h 上隅角氧气体积分数逐步下降，上隅角低氧区域逐步扩大，当注氮量增加至3 545 m3/h 时，注氮口压力升高，与工作面压差增大，氮气通过漏风通道涌入工作面，工作面氧气体积分数急剧下降，同时氮气大量涌入工作面，在上隅角涡流区域聚集，造成上隅角低氧区域急剧扩大。

图14 不同注氮量上隅角贫氧效应统计Fig.14 Statistics of oxygen-deficient effects in the upper corner of different nitrogen injection rates

因此自燃矿井在采用注氮技术治理采空区遗煤自燃时，应合理设置注氮量大小，减轻工作面低氧危险性，兼顾防治采空区遗煤自燃的发生，从而达到工作面低氧与煤自燃协调防治的目的。

3.3.2 工作面及上隅角贫氧分析

当注氮量为1 745 m3/h，分别模拟不同注氮位置时，工作面与上隅角区域氧气体积分数分布的变化规律。不同注氮位置下工作面测点氧气体积分数分布如图15。不同注氮位置上隅角贫氧效应统计如图16。

图15 不同注氮位置下工作面测点氧气体积分数分布Fig.15 Oxygen volume fraction at measuring points of working face under different nitrogen injection positions

图16 不同注氮位置上隅角贫氧效应统计Fig.16 Statistics of oxygen depletion effect in upper corner of different nitrogen injection positions

由图15 可知：随着注氮气位置的不断深入，工作面测点氧气体积分数分布变化较小。综合分析注氮位置的深入对工作面测点氧气体积分数影响较小。

由图16 可知：当注氮量为1 745 m3/h 随着注氮位置的变化，上隅角氧气体积分数和低氧区域范围均无显著变化。即注氮位置的深入对工作面及上隅角氧气体积分数分布有着微弱的影响效应。

4 结 论

1）采空区耗氧速率为0 kg/（m3·s）时，工作面进风侧与回风侧氧气体积分数基本一致。采空区耗氧速率大于0 kg/（m3·s）时，回风侧氧气体积分数小于进风侧。采空区遗煤氧化是造成工作面上隅角贫氧现象的前提条件。

2）随着耗氧速率的升高，采空区遗煤氧化加剧产生大量的低氧体积分数气体，通过漏风裂隙涌入工作面气体氧体积分数降低，工作面及上隅角氧气体积分数逐渐下降，贫氧区域逐步扩大。

3）随着工作面进风量的增加，工作面氧气体积分数升高，同时采空区漏风量增大，采空区内遗煤氧化反应加剧产生大量的低氧体积分数气体，由于采空区内与工作面回风侧压差变大，采空区气体在工作面尾部加速涌入，上隅角附近氧气体积分数急剧降低，贫氧范围迅速扩大。当进风量大于2 778 m3/min时，上隅角贫氧区域趋于稳定，但氧气体积分数仍逐步下降。

4）采空区埋管注氮在防灭火的同时为采空区内提供了大量的氮气，氮气通过漏风通道扩散到工作面中稀释了风流中的氧气含量，随着注氮量的增加，工作面及上隅角氧气体积分数逐步降低。当注氮量大于2 825 m3/h 时，注氮口与工作面压力失衡，大量氮气涌入工作面造成工作面贫氧；当注氮量为1 745 m3/h 时，注氮位置的不断深入，对工作面与上隅角氧气体积分数分布影响较小。