基于大采高工作面遗煤氧化特征的煤自燃危险区域分布研究

芮国相，刘 春，李文龙，韦雪娥

（1.国电建投内蒙古能源有限公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209；2.中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221116；3.山东鲁泰控股集团有限公司鹿洼煤矿，山东 济宁 272350）

在工作面回采过程中，采空区遗煤与氧气发生煤氧复合作用，产生大量热，如果热量不能及时散失，积累到一定程度容易引发煤自燃[1-2]。采空区不同位置的遗煤发生自燃的可能性不同，按照遗煤自燃的可能性，通常可将采空区划分为散热带、氧化带和窒息带，其中，氧化带是发生煤自燃的主要危险区域[3-8]。掌握煤自燃危险区域分布规律有助于及时提出针对性的采空区煤自燃防治方案，对于工作面安全回采具有重要指导意义。

国内学者在煤自燃特性及煤自燃“三带”分布规律方面进行了大量研究。秦波涛等[9]针对火成岩侵蚀煤层的自燃特性进行了研究，结果表明：火成岩侵蚀改变了煤体的孔隙结构，有利于氧气分子在煤体内部运移、吸附。此外，火成岩侵蚀还会导致漏风加剧，遗煤氧化时间变长，氧化带范围增加。邓军等[10]分析了不同变质程度煤的自燃特性，结果表明：煤的变质程度越高，特征温度和活化能越大，煤自燃的可能性越小。宋双林[11]研究了不同氧气体积分数下风化煤的自燃特性，结果表明：与原煤相比，风化煤对氧气体积分数的变化更加敏感，自燃危险程度更高。文虎等[12]采用理论分析、数值模拟以及现场原位观测方法研究了不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”的影响，结果表明：随着抽采负压增大，进风侧“三带”向采空区内部延伸，氧化带宽度增大；回风侧“三带”迁移，氧化带宽度减小。单大阔[13]通过布置束管的方法测定采空区的气体及温度变化数据，确定了采空区自燃“三带”分布范围。郭重托[14]针对巨厚煤层综放开采工作面长度确定问题，采用数值计算的方法证明了工作面长度与煤自燃氧化带宽度呈正相关。王正帅[15]通过现场实测确定了采空区“三带”分布范围，并采用数值模拟研究了不同注氮工艺参数对采空区中部自燃“三带”分布的影响，确定了最佳注氮位置。齐庆杰等[16]基于采空区自燃“三带”划分标准结合Comsol 软件模拟出工作面不同供风量对采空区自燃升温带的动态变化，并得到了工作面供风量与自然带宽度的拟合曲线。王瑞青[17]通过现场实测和数值模拟瓦斯抽采量及抽采口位置变化对自燃“三带”的影响相结合的方法，研究得出采空区遗煤危险性与瓦斯抽采量成正比。

大采高工作面巷道尺寸大，采空区漏风更加严重，且进入采空区的煤柱在发生自然氧化时更容易积聚热量，使采空区发生遗煤自燃的风险大幅度增加[18-21]。察哈素煤矿31317 工作面属于典型的大采高综采工作面，CO 超限问题严重，主要原因之一就是采空区遗煤自然氧化问题突出。为掌握察哈素煤矿31317 大采高综采工作面采空区煤自燃危险区域分布规律，提高注氮、灌浆效率，首先利用程序升温方法分析大采高工作面遗煤氧化特征；然后通过预埋束管实测31317 工作面采空区进风侧、回风侧自燃“三带”；再利用Fluent 软件模拟采空区全空间煤自燃“三带”分布，并验证模拟准确度；最后利用数值模拟研究不同采高工作面氧化带分布随巷道风速的变化规律，得出大采高工作面自燃危险区域的演变特点，为工作面安全回采与采空区遗煤自燃防治提供指导。

1 工程概况

31317 工作面位于察哈素煤矿3-1 煤层，南西为已回采完毕的31315 工作面，北东为31319 回风顺槽，正南与尔林兔煤矿为界，工作面走向长度5 331 m，工作面宽度285 m。工作面采用“U”型通风系统，31317 胶运顺槽、31319 回风顺槽进风、31317 回风顺槽回风，配风量为2 100 m3/min，风速为1.1 m/s。煤层自燃倾向性等级为Ⅰ类，容易自燃，最短自然发火期为47 d，工作面回风隅角CO 浓度长期高于24 ppm，CO 超限问题严重。

2 大采高工作面遗煤氧化特征分析

大采高工作面具有更大的巷道截面积，在相同风速条件下向采空区内的漏风量更多，当采空区内的遗煤发生自然氧化时，有更充足的氧气供应，使煤的整个自然氧化过程都处于更高的氧气浓度氛围下，因此，氧气浓度是区分不同采高工作面采空区遗煤自然氧化外界条件的重要指标之一[22]。

2.1 实验方法

以氧气浓度作为表征不同采高工作面采空区的特征参数，利用煤自然发火指标气体试验系统（图1）进行不同氧气浓度（10%、12%、14%和16%）下的煤程序升温实验，测量煤样升温过程中各指标气体的出现温度，对比不同氧气浓度下各指标气体随温度的变化规律，总结大采高工作面采空区煤自燃特征。

图1 煤自然发火指标气体测试系统Fig.1 Gas test system for coal spontaneous ignition index

2.2 实验步骤

实验开始前，预先调配氧气浓度为10%、12%、14%和16%的实验用气体，并制备粒径0.18～0.42 mm的实验用煤粉400 g，具体实验步骤如下所述。

1）打开煤样罐，在煤样罐底部铺一层玻璃纤维棉，然后取50 g 煤粉放入煤样罐中，在煤粉上方再铺一层玻璃纤维棉，防止煤粉随气流进入管路内。

2）设定升温速率，开始程序升温。同时，打开阀门2，关闭阀门1，并开启气瓶阀门，向煤样罐内通入氧气浓度为10%的实验用气体，通气速率为50 mL/min。

3）当煤样温度达到设定的温度点时，打开阀门1，关闭阀门2，将气体通入气相色谱仪进行气体成分和浓度分析。

4）重复以上步骤，分别测量氧气浓度为12%、14%和16%时的煤自然发火指标气体及浓度。

2.3 实验结果分析

不同氧气浓度下煤程序升温实验结果如图2 所示。由图2 可知，煤体在不同氧气浓度下都能够发生氧化热解，并产生各类标志气体，但是热解速率存在一定差异。以CO、C2H4和C3H8作为煤体氧化热解各阶段的标志气体，分别统计各气体在不同氧气浓度条件下的出现温度，结果如图3 所示。由图3 可知，在缓慢氧化阶段，按照氧气浓度从低到高，检测到CO 的温度分别为84 ℃、76 ℃、60 ℃和55 ℃，因此在采空区漏风量大或者供氧充足的工作面更容易出现CO 超限问题。在加速氧化阶段，按照氧气浓度从低到高，检测到C2H4的温度分别为152 ℃、120 ℃、103 ℃、96 ℃，氧气浓度越高，C2H4出现越早，且随着温度升高释放量增加，高氧气浓度组C2H4释放速度明显快于低氧气浓度组；检测到C3H8的温度分别为165 ℃、148 ℃、139 ℃和129 ℃，同样说明高氧气浓度条件下煤样更容易进入剧烈氧化阶段。

图2 不同氧气浓度下各气体浓度随温度变化情况Fig.2 Variation of gas concentration with temperature under different oxygen concentrations

图3 不同氧气浓度下各标志气体的出现温度Fig.3 Occurrence temperature of each indicator gas under different oxygen concentrations

根据氧化升温实验结果，煤体所处环境中氧气浓度越高或者工作面向采空区漏风量越大，煤氧复合反应越迅速，煤越容易发生自燃，氧化升温各阶段标志气体出现的温度越低。

3 大采高工作面采空区煤自燃危险区域分布规律

掌握采空区煤自燃危险区域分布规律能够有效提高注氮、注浆防灭火效率[23-25]。在工作面正常回采过程中，工作面漏风是影响采空区煤自燃危险区域分布的关键因素，为此，首先实测31317 工作面的煤自燃“三带”；然后模拟采空区煤自燃“三带”范围，并验证模型的准确度；最后利用数值模拟对比研究不同采高工作面氧化带分布，并进一步分析不同采高工作面煤自燃危险区域随漏风量的演化特征。

3.1 采空区煤自燃“三带”现场实测

1）束管布置。采用束管监测系统确定工作面自燃“三带”的分布范围，现场布置如图4 所示。采空区煤自燃“三带”观测管路铺设完成后，每天同一时间分别采集轨道顺槽采样点1、采样点3 及运输顺槽采样点2、采样点4 的气体，将收集到的气样储存在气样袋中，并运往地面用气相色谱仪进行气体分析。

图4 测点布置示意图Fig.4 Schematic diagram of measurement point layout

2）数据分析。以氧气浓度18%和5%作为采空区煤自燃“三带”的划分依据，各采样点氧气浓度随工作面回采的变化如图5 所示。由图5 可知，31317综采工作面采空区进风侧采样点1 在进入到采空区110.3 m 时，氧气浓度下降到18%以下；随着工作面推进，进风侧采空区内氧气浓度出现轻微波动，但总体呈现逐渐下降趋势，在进入到采空区253.2 m 位置时，氧气浓度下降到5%以下。进风侧采样点3 在进入到采空区93.2 m 时，氧气浓度下降到18%以下；在进入到采空区241.9 m 位置时，氧气浓度下降到5%以下。回风侧采样点2 在进入到采空区54.2 m 时，氧气浓度下降到18%以下，在进入到采空区213.7 m位置时，氧气浓度下降到5%以下。回风侧采样点4在进入到采空区60.4 m 时，氧气浓度下降到18%以下，在进入到采空区204.1 m 的位置时，氧气浓度下降到5%以下。

图5 各采样点氧气浓度变化规律Fig.5 Oxygen concentration variation rules at each sampling point

根据以上实测结果，进风侧采样点1 划分的氧化带范围为110.3～253.2 m，采样点3 划分的氧化带范围为93.2～241.9 m；回风侧采样点2 划分的氧化带范围为54.2～213.7 m，采样点4 划分的氧化带范围为60.4～204.1 m。选取最大可能范围作为氧化带范围，即31317 工作面采空区进风侧氧化带范围为93.2～253.2 m，回风侧氧化带范围为54.2～213.7 m。

3.2 采空区自燃“三带”分布规律数值模拟

1）模型建立。利用Fluent 模拟软件建立31317综采工作面采空区流场模型，工作面采用“U”型抽出式通风方式，进风巷、回风巷的长宽高分别为：20 m×5.5 m×4 m，工作面长宽高分别为：10 m×280 m×5.5 m，采空区长宽高分别为：300 m×280 m×50 m，其中，采空区上层裂隙带高30 m，下层冒落带高20 m，采空区模型如图6 所示。

图6 采空区模型网格划分Fig.6 Mesh division of goaf model

2）采空区气体运移理论方程。采空区气体流动主要遵循以下控制方程。

①连续方程：在直角坐标系中，连续方程可表示为式（1）。

式中：ρ为流体密度，kg/m3；t为时间，s；u、ν、ω分别为x、y、z方向上速度分量，m/s。

②动量方程可表示为式（2）。

式中：p为气体微元上的压力，Pa；tij为气体微元上的黏性应力，Pa；gi为方向上的单位体积重力分量，m/s2；Ei为x方向气体的动量损失原项，Pa/m，计算见式（3）。

式中：µ为采空区气体的黏度，Pa·s；a为采空区的渗透率。

③组分运输方程可表示为式（4）。

式中：ci为气体i的浓度，kg/m3；Di为气体i的扩散系数；Si为单位时间内单位体积消耗气体的量，kg/（m3·s）。

3）模拟结果分析。31317 综采工作面采空区Z=1 m 时的氧气浓度分布云图如图7 所示，模拟结果与现场实测对比结果见表1。由图7 和表1 可知，进风侧自燃“三带”距离工作面比回风侧更远，根据氧气浓度曲线，进风侧散热带为＜95 m，氧化带为95～255 m，窒息带为＞255 m；回风侧散热带为＜55 m，氧化带为55～215 m，窒息带为＞215 m，进风侧、回风侧的氧气浓度分布与图5 中的实测结果基本一致，说明模型精度满足要求。同时，由图7 还可知，采空区中间部分的氧气分布与采空区进风侧、回风侧的氧气分布存在一定差异，采空区中间部分的氧气浓度等值线普遍向采空区内部凸出，分析认为一方面是进风侧、回风侧煤柱侧帮产生的壁面阻力减缓了风流流速，该区域的持续供氧能力下降；另一方面是进风侧、回风侧煤柱受应力集中破碎后，其自身的自燃氧化消耗了相当程度的氧气。以上模拟结果表明，进风侧和回风侧的束管监测系统仅反映了采空区两侧的氧化带宽度，而在采空区中间区域布置束管的难度极大，因此，现场实测与数值模拟结合是精确划定氧化带的必要方法。

表1 模拟结果与现场实测对比Table 1 Comparison of simulation results and field measurements 单位：m

图7 氧气浓度分布云图Fig.7 Cloud map of oxygen concentration distribution

4）大采高工作面煤自燃危险区域分布规律。以巷道截面积（表2）作为区分不同采高工作面的特征变量，首先通过对比相同风速条件下不同采高工作面的氧化带范围，得出大采高工作面煤自燃危险区域的特征；然后对比不同采高工作面氧化带范围随风量的变化特点，得出大采高工作面煤自燃危险区域的分布规律。数值模拟设计风速分别为0.7 m/s、1.1 m/s 和1.5 m/s，不同风速条件下，不同采高工作面氧化带模拟结果如图8 所示。

表2 不同采高工作面巷道尺寸Table 2 Roadway dimensions of working faces with different mining heights 单位：m

图8 不同采高工作面自燃危险区域随风量变化云图Fig.8 Cloud map of spontaneous combustion risk area changing with wind volume at working faces with different mining heights

由图8 可知，同一工作面下，随着巷道风速增加，工作面的氧化带范围逐渐增大，氧化带整体向采空区内部移动，其中，氧化带中部变化最明显，进风侧次之，回风侧受风速影响最小。分别计算9 种不同工况下氧化带面积，如图9 所示。由图9 可知，相同风速条件下，随着巷道截面积增大，氧化带范围逐渐增大，与前文实验测得的氧气浓度越高，煤氧化速率越快，标志气体出现温度越低的结果吻合。此外，随着巷道风量自0.7 m/s 升至1.5 m/s，工作面1 的氧化带面积自27 595 m2增加至42 226 m2，增加量为14 631 m2；工作面2 的氧化带面积自25 456 m2增加至32 156 m2，增加量为6 700 m2；工作面3 的氧化带面积自24 189 m2增加至27 541 m2，增加量为3 352 m2，工作面1 的氧化带面积变化最大，说明巷道截面积越大，煤自燃危险区域受风量的影响越明显。

图9 氧化带面积随风速变化规律Fig.9 Variation of oxidation zone area with wind speed

综合本文实验和模拟结果，大采高工作面更容易因工作面漏风发生采空区遗煤自燃，因此，回采过程中的采空区防火重点首先是降低工作面向采空区的漏风量，其次是加强采空区注氮、灌浆，并且在注氮、灌浆时应考虑氧化带中间位置向采空区内部偏移问题，防止浆液覆盖不充分。

4 结论

通过实验室分析、现场实测以及数值模拟研究了大采高工作面煤自燃特征以及采空区煤自燃危险区域分布规律，得到的主要结论如下所述。

1）大采高工作面因其漏风量大，采空区氧气供应充足，加之煤柱堆积导致散热效果差，所以更容易发生热量积聚，导致煤自燃。

2）数值模拟结果显示采空区中间部分的氧气浓度等值线普遍向采空区内部偏移，说明现场实测与数值模拟相结合是精确圈定煤自燃危险区域的必要方法。

3）与常规采高工作面相比，大采高工作面氧化带范围对风速变化的响应更灵敏，其中氧化带中部受风速影响最大，进风侧次之，回风侧受风速影响最小。