缓斜煤层下行通风采空区自燃危险区域预测模型

张增辉

（国家能源集团神东煤炭集团 保德煤矿，山西 保德 036600）

随着综采放顶煤技术的发展和广泛应用，煤矿采空区火灾事故也更加频繁地发生，这增加了井下采空区火灾防治的难度[1]。综放工作面开采完成后，采空区内存留大量松散遗煤，若采空区漏风严重，其内部易发生煤自燃[2]。通常采空区内部发生火灾时难以发现，若无法及时处理，容易引发大规模煤层火灾[3]。据统计，在国有的重点煤矿中，有60%的煤矿发生过采空区煤自燃灾害[4-7]。对于倾斜易自燃工作面而言，工作面采空区内热风压的方向始终向上且煤自燃倾向性越高火风压作用越强，下行通风时对工作面的漏风抑制效果越明显，所以采空区内自燃危险区域的分布与上行通风可能有所不同[8]。目前的研究主要针对上行通风采空区自然发火的[9-11]，对不同自燃倾向性的下行通风采空区自燃危险区域分布的研究相对较少[12]。

对于采空区自燃“三带”的划分，学者们多将氧气体积分数10%或8%作为采空区内窒息带和氧化自燃带的边界[13-15]。取低值8%作为划分标准，采空区内氧气体积分数大于8%的区域具有自燃危险的可能，因此称之为具有自燃危险可能的区域。为此，以保德矿为例，由于煤层倾角的存在，工作面两端的岩层应力不同，采空区内进回风测的孔隙率和渗透率也必然不同，在建立孔隙率和渗透率方程时应该将煤层倾角考虑进去；结合现场观测数据建立了更加符合该矿采空区实际的采空区气体渗流及扩散数学模型，依据该模型数值模拟得出了采空区内遗煤不同自燃倾向性（热通量设置分别为0、5、15、35、65 W/m2）下行通风时综放工作面采空区具有自燃危险可能的区域的分布规律、分布范围及采空区内部高温区域的分布范围、最高温度值等相关规律，所得规律与现场测定的采空区氧气数据一致，验证了模型的准确性。

1 采空区渗流方程及仿真模型

1.1 采空区气体渗流及扩散数学模型

采空区是由松散煤体和围岩层组成的多孔介质区域，假设风流在通过松散煤体空隙时，密度不变；漏风风流经过松散煤岩体空隙时，渗流速度极小，采空区内部渗流主要为层流；采空区煤岩体为方向性质相同的多孔介质，则有：

式中：H为采空区岩层压力，Pa；Kx、Ky、Kz为x、y、z方向多孔介质中的渗透系数，（m3·s）/kg；x、y、z为三轴方向的距离，m。

采空区顶板垮落形成的松散煤厚度可达煤层实体厚度1.25 倍，其空隙率约为0.25。采空区后部煤岩体逐渐被压实，空隙率约为0.20[16-17]。由于采空区内情况复杂，难以有效观测，因此倾向方向的空隙率也参考这一数值。

采空区内松散煤体的空隙分布可拟合为：

式中：n为采空区孔隙率；b为与工作面距离，m；a为与进风端口的水平距离，m；L为工作面长度，m；θ为工作面倾角，（°）。

通过实验可以测定出空气在不同空隙率破碎煤体中的渗透率[18]，结合现场实际，保德煤矿81309 工作面采空区内空隙率为0.2～0.3，采空区内部不同深度的渗透系数k为：

根据多孔介质传质学理论，采空区内氧气质量平衡方程为[19-21]：

式中：Qx、Qy、Qz为x、y、z方向上的漏风强度；C为采空区内氧气浓度，mol；Dx、Dy、Dz为x、y、z方向松散煤体内氧气的扩散系数，取2.88×10-5m2/s；V(T)为氧气浓度为C时的耗氧速率，mol/(m3·s)。

1.2 计算模型及其边界条件

根据81309 工作面的现场实际，一号进风巷宽5.0 m，高3.8 m；运输巷宽5.0 m，高3.8 m。采空区简化为深400 m，宽300 m，高20 m 的六面体，利用ICEM 建立上述模型，并划分为1 m×1 m×1 m 的正六面体网格，x轴为走向，y轴为倾向方向（81309 工作面煤层倾角为12°），z轴为高。

工作面风量1 500 m3/min，将式（1）～式（4）编写为CFD 仿真中的采空区孔隙率及渗透率UDF 控制程序，设置采空区内部热通量分别为0、5、15、35、65 W/m2。其他参数见表1。

表1 其他相关参数的设定Table 1 Settings of other relevant parameters

2 不同火源强度下行通风时采空区氧气及温度场

自燃特性的不同会导致采空区内部煤放热量、温度不同，倾斜煤层采空区内部的火风压强度也不同，从而使得下行通风时采空区内部具有自燃危险可能的区域的分布产生差异。采用实测方法对上述规律进行验证的难度很大，因此利用CFD仿真软件通过设置采空区不同热源的方式对其进行研究。

采空区内部的热风压作用随着煤层倾角和火源强度的增加而增大，以倾角12°的81309 工作面为研究对象，通过改变Fluent中热通量的值来实现采空区火源强度的变化，火源功率分别为0、5、15、35、65 W/m2。不同火源强度时下行通风采空区具有自燃危险可能的区域面积和最高温度变化情况如图1。在CFD 仿真结果中设置的采空区z=0.5 m 切面的不同火源功率的氧气流场和温度场的分布仿真结果如图2、图3。

图1 不同火源强度下行通风仿真结果Fig.1 Simulation results of descending ventilation with different fire source intensity

图2 不同火源功率时采空区氧气场分布仿真结果Fig.2 Simulation results of oxygen field distribution in goaf under different fire power

图3 不同火源功率时采空区温度场分布仿真结果Fig.3 Simulation results of goaf temperature field distribution under different fire power

由图1～图3 可以看出：随着设置的采空区火源功率的增大，即采空区内部火风压不断增大，下行通风采空区内部进风、回风侧氧气体积分数为8%的位置与工作面距离的差值在逐渐减小，并且当火源强度超过某一数值后，回风侧氧化带的宽度大于进风侧；随着火风压的增大下行通风采空区内部的高温区域的最高温度从302 K 持续增长到318 K（仅作为仿真分析，非实际采空区温度）。

3 工作面参数实测及仿真模型验证

3.1 工作面测点布置

为了确定81309 工作面实际的采空区“三带”分布并验证仿真模型的准确性，在该工作面共布置了6 个观测点：1#、2#测点布置在一号进风巷可实现对进风侧的气体及温度数据采集；3#、4#测点布置在采空区中部，距一号进风巷为40、60 m；5#、6#观测点设置在运输巷17 联巷。测量前预先埋入2 路束管及测温导线，密闭施工完成后采集气体及温度数据。工作面观测点布置示意如图4。

图4 测点布置平面图Fig.4 Measurement points layout plan

3.2 实测采空区“三带”分布及模拟验证

进风巷1#监测点O2及CO 体积分数随埋入采空区深度的变化规律曲线如图5。

图5 1#测点气体分布变化曲线Fig.5 Gas concentration variation curves at measurement point 1#

由图5 可以看出：随着工作面推进O2体积分数总体持续下降；推进距离121 m 时，降至17.85%；推进距离200 m 左右时，O2体积分数降至8%以下；推进距离76 m 时，首次监测到CO，CO 体积分数随工作面推进先升高后降低；在214 m时，CO 体积分数达到最大值17×10-6。

采空区中部3#监测点O2及CO 体积分数随埋入采空区深度的变化规律曲线如图6。

图6 3#测点气体分布变化曲线Fig.6 Gas concentration change curves at measurement point 3#

由图6 可以看出：随着工作面推进采空区中部O2体积分数总体呈持续下降的趋势，CO 体积分数呈先升高后持续下降的趋势；当推进距离103 m时，O2体积分数达18%以下；推进距离175 m 左右时，O2体积分数达8%以下；推进距离22 m 时，监测到CO；推进距离113 m 时，CO 体积分数达到最大值20×10-6。

回风巷6#监测点O2及CO 体积分数随埋入采空区深度的变化规律曲线如图7。

图7 5#测点气体分布变化曲线Fig.7 Gas concentration variation curves at measurement point 5#

由图7 可以看出：推进距离191 m 时，O2体积分数降至17.51%；推进距离290 m 左右时，O2体积分数降至8%以下；推进距离22 m 时，监测到CO 体积分数为1×10-6；推进距离113 m 时，CO 体积分数达最大值20×10-6，认为此时采空区的漏风为遗煤低温氧化所需要的漏风风速；推进距离208 m 后，O2体积分数降低，采空区遗煤氧化逐渐受到限制，其后CO 体积分数一直呈持续下降趋势。

由图5～图7 的实测数据可知：进、回风侧及工作面中部对应的采空区内窒息带临界位置分别距离工作面200、290、175 m，进风侧氧化带的位置比进风侧的位置深90 m。

通过图1～图3 的仿真结果可以看出：当模拟不设置火源时，采空区内进、回风侧窒息带临界位置大约分别距工作面280、150 m，二者相差130 m；但随着模拟设置中火源功率的增大，其内部氧气流场受火风压的作用逐渐明显，采空区内进、回风侧窒息带临界位置的差值逐渐减小；当火源功率为15 W/m2时二者的差值约为40 m；当火源功率再增大，下行通风时进风侧的氧化带宽度逐渐与进风侧相同；当火源功率增到65 W/m2时进、回风侧窒息带临界位置距工作面分别为115、290 m，二者的差值为-175 m，回风侧的窒息带临界位置深于进风侧，此时的仿真结果与81309工作面的实测数据较为吻合。说明了采空区自燃“三带”的分布仿真规律与实测的结果具有一致性，也就说明了所建立的预测模型较为准确，可用于分析缓斜煤层下行通风采空区自燃危险区域的分布特点。

4 结 语

CFD 仿真结果显示采空区内部火风压作用（遗煤自燃倾向性等级）影响下行通风时其内部氧气流场和温度场分布；81309 工作面下行通风时在采空区热风压的影响下，随工作面推进氧气体积分数递减速率进风侧低于回风侧，造成回风侧散热带和氧化带的分界线后移，导致采空区回风侧散热带宽度较大；仿真与实测的结果规律一致，说明改建的采空区仿真模型适用于倾斜矿井的气体流场仿真。