U 型通风采空区自燃“三带”划分研究

冀 凯 戴子栋

（河南龙宇能源股份有限公司陈四楼煤矿，河南 商丘 476600）

采空区遗煤易引起自然发火事故，采空区内部火源点难以定位且隐蔽，是困扰矿井安全生产的主要灾害之一[1]。常规探测技术精确度不足，难以探测采空区深部。煤自燃“三带”划分是防止采空区自然发火最有效方法之一[2]，精准划分采空区煤自燃“三带”范围对矿井各种防灭火措施的制定具有指导作用，极大促进矿井安全开采。

1 工作面概况及自燃“三带”划分标准

1.1 工作面概况

陈四楼煤矿21210 工作面煤层的厚度为0.6～4.8 m，平均厚度2.7 m。该工作面布置规整，适宜工作面的开采。工作面中部过一处夹矸发育区，结构复杂，为较稳定煤层。21210 工作面整体为一倾向NW 的单斜构造，地层倾角为20°～26°，平均23°，采用综采工艺具有较好的经济效益。正常情况下跟顶回采，不得任意留顶底煤。煤层厚度小于2.7 m 时，跟顶破底回采，采高不低于2.7 m。煤层厚度不小于2.7 m，不大于4 m 时，跟顶跟底回采。当煤层厚度大于4 m 时，跟顶留底煤回采，采高不得超过4 m。

1.2 煤自燃“三带”划分理论

采煤工作面采空区自然发火“三带”可划分为散热带、氧化带和窒息带[3]。目前，划分采空区自燃“三带”的主要方法有：温度法、漏风强度法及氧气浓度法[4]。温度法划分采空区自燃“三带”有一定缺陷，采空区某处温度较低时该处的遗留仍存在自然发火的可能性，不能全面衡量采空区的自燃危险性；由于受测量仪器的影响以及采空区风流方向和大小的复杂性，漏风强度法划分采空区自燃“三带”在井下现场应用较为困难。因此，温度法、漏风强度法都不太适用。氧气浓度对采空区煤炭自燃起决定性作用，目前普遍采用氧气浓度法来划分采空区自燃“三带”，具有现场可操作性强、划分指标明确的优点。因此，陈四楼煤矿21210 工作面选择氧气浓度法测试采空区自燃“三带”分布。

2 测点布置及测试结果

2.1 测点布置方式

21210 工作面采用“U”型通风方式，进风巷道、回风巷道各布置2 个采样点。采样点1 位于工作面进风隅角端头，采样点2 与采样点1 间距约30 m。每个测点连接1 根束管，束管铺设长度各为150 m，束管布置于进风巷道紧贴巷帮一侧。同样的，回风巷道采样点布置与进风巷道采样点布置距离、位置一致，具体如图1。随着工作面不断推进，各采样点逐渐进入采空区内部，在气样采集点抽取各束管气体，即可监测采空区不同位置的气体成分。

2.2 测试结果分析

随着工作面的推进，1、3 号测点首先进入采空区，2、4 号测点后进入采空区。对进入采空区的测点现场取样，周期为每天采样一次，用实验室色谱分析仪对样品进行检测分析。根据分析结果，将陈四楼煤矿采空区内氧气体积分数距工作面的距离变化绘制成图，采样点1～采样点4 的变化趋势如图2、图3。

图2 采样点1、采样点2 氧气浓度变化曲线图

图3 采样点3、采样点4 氧气浓度变化曲线图

实际测定中，划分散热带与氧化带、氧化带与窒息带的氧气浓度指标分别是18%和5%，即氧气浓度范围大于18%为散热带，氧气浓度范围介于5%～18%之间为氧化自燃带，氧气浓度范围低于5%的为窒息带。依据O2浓度指标，21210 综采工作面实测自燃“三带”范围见表1。

表1 21210 工作面采空区自燃“三带”分布 m

由表1 的采样点1、采样点2 监测结果可知，21210 工作面采空区进风侧的散热带界线为采空区深部75～81 m，平均宽度为78 m；氧化自燃带界线为采空区深部126～132 m，平均129 m；进入采空区126～132 m 之后，即为窒息带范围。

由表1 的采样点3、采样点4 监测结果可知，21210 工作面采空区回风侧的散热带界线为采空区深部41～44 m，平均宽度为42.5 m；氧化自燃带界线为采空区深部90～95 m，平均92.5 m；进入采空区90～95 m 之后，即为窒息带范围。

3 数值模拟

3.1 采空区物理模型建立

按照现场实际及数值模拟的要求，以陈四楼煤矿21210 工作面采空区实际尺寸及风量为依据，为了简化问题、把握主要因素，将巷道、工作面以及采空区均视为长方体，采空区长×宽×高为450 m×193 m×2.9 m。在笛卡尔坐标系下创建3D 物理模型，建立一个长宽高为450 m×193 m×2.9 m 的模型，使用Ansys Mesh 组件对采空区三维模型进行网格划分，模型共有618.93 万个网格，网格步长取0.5 m。采空区物理模型及网格划分如图4。

图4 采空区三维物理模型网格图

3.2 模拟参数设置

计算模型选择稳态模型（steady），压力与速度之间的耦合选用基于交错网格的SIMPLE 算法[5]。模拟运算中，进风巷道面边界设置为速度入口，总进风为1176 m3/min，回风巷道面边界设置为压力出口，视研究范围内的气体为理想气体，氧气浓度为21%，其余均为氮气。巷道及采空区均为长方体，内部尺寸各有差异。为了便于计算，模拟期间各种物理量恒定，不受采空区推进影响。模拟中考虑重力因素，大小为9.8 N/kg。

3.3 模拟结果分析

由图5 可知，在“U”型通风方式下，采空区高氧浓度区域近似呈三角形式分布。采空区进风侧的高氧浓度范围大于回风侧，距工作面约88 m 的范围内氧气浓度均高于18%。而在采空区回风侧，采空区漏风逐渐向工作面回风隅角汇入，氧气浓度分布范围减小，逐渐向工作面方向收缩。总体上，随着进入采空区深部，离工作面越远，氧气浓度越低，进风侧氧气浓度高于7%的范围为0～122 m，回风侧氧气浓度高于7%的范围为0～85 m；沿采空区倾向，氧气浓度在18%～7%的采空区范围成长条状，且贯穿整个倾向。

图5 “U”型通风方式下采空区氧气浓度分布平面图

4 结语

1）通过井下束管取样，对21210 综采工作面采空区氧气浓度不间断监测分析，利用氧气浓度指标划分21210 工作面采空区自燃“三带”范围。进风测范围：散热带0～78 m，氧化升温带78～129 m，窒息带大于129 m；回风侧范围：散热带0～42.5 m，氧化升温带42.5～92.5 m，窒息带大于92.5 m。数值模拟结果与现场测定的采空区自燃“三带”范围基本一致，差异在合理范围内。数值模拟划分的采空区自燃“三带”为，进风侧范围：散热带0～88 m，氧化升温带88～122 m，窒息带大于122 m；回风侧范围：散热带0～30 m，氧化升温带30～85 m，窒息带大于85 m。通过对比，模拟结果比较真实地反映采空区的情况。

2）数值模拟分析采空区氧气浓度变化情况，进风侧的氧化自燃带宽度较大，回风侧的氧化自燃带宽度较小，模拟与现场实际吻合。