永智煤矿5101工作面采空区自燃“三带”范围研究

王竞楷,吕 猛,张博威

(准格尔旗永智煤炭有限公司,内蒙古 鄂尔多斯 017100)

采空区遗煤自然发火是我国大多数矿井普遍存在的问题,严重制约安全生产。当前,确定采空区自燃“三带”的分布范围是防治自然发火的首要任务,对于指导防灭火工作具有重要意义[1]。

目前,邸志乾等[2]以风速为划分标准,得到放顶煤综采采空区“三带”分布的形态及范围;徐国华[3]利用数值模拟软件研究了公乌素矿1604工作面采空区自燃“三带”的分布范围,并分析了工作面风量对推进速度的影响。刘俊等[4]采用采空区预埋束管的方法分析采空区O2体积分数,进而确定采空区自燃“三带”宽度;李宗翔等[5]利用高O2体积分数区域和高温度区域叠加的方法确定了采空区内氧化带的范围;王毅等[6]通过对工作面现场氧气和温度监测,并利用Fluent模拟采空区风流速度,对工作面“三带”进行了划分;尚玮炜等[7]通过现场实测和结合Matlab软件分析处理得到了采空区自燃“三带”的分布特征;李作泉等[8]利用COMSOL数值模拟软件计算了工作面推进不同阶段采空区“三带”范围及漏风情况。

本文以永智煤矿5101工作面为背景,通过现场实测O2体积分数和Fluent数值模拟的方法,对永智煤矿5101工作面采空区自燃“三带”分布范围进行了研究,得出利于防治遗煤自燃的最小推进速度,以指导永智煤矿实际生产。

1 工程概况

永智煤矿位于鄂尔多斯市准格尔旗境内,矿区海拔标高1 400 m,该矿井属低瓦斯矿井,矿井地温无异常。3-1煤、4-2煤已回采完毕,现主采5-1煤。5101工作面位于二水平5-1盘区,是5-1盘区的首采工作面,5101工作面可采走向长约为2 497 m,倾斜宽约为224.85 m,工作面净煤厚约为3.1～4.98 m,平均厚度约为3.88 m,煤层平均倾角为1°～3°,采用一次采全高工艺、全部垮落法处理顶板,工作面的通风方式为“U”型通风,工作面配风量为1 470 m3/min.经鉴定,5-1煤属容易自燃煤层,煤尘具有爆炸性。

2 现场实测

2.1 采空区“三带”划分依据

采空区遗煤自燃可划分为三个带:即散热带、氧化升温和窒息带,如图1所示。常用的“三带”划分方法主要有3种:O2体积分数划分法、温度法、漏风强度法,考虑现场实际和各方法的优缺点[6],本次监测主要采用O2体积分数划分法为依据。根据矿区实际情况以及周围矿井的调研,将试验工作面“三带”划分的氧含量指标定为:通风散热带O2含量不小于18.0%,氧化带O2含量为8%～18.0%,窒息带O2含量不大于8%[9].

图1 采空区自燃“三带”分布示意

2.2 观测方案

5101综采工作面采空区自燃“三带”观测管路铺设均采用进、回风巷预埋管路的铺设方法。如图2所示,在工作面两回采巷道各布置2个测点,1个监测1个备用,两测点间距为50 m,取样管路采用束管,束管全段采用钢管进行保护,束管前端取样头为65 mm保护圆柱形钢管,钢管上有小孔,以便气体进入取样头,束管单管伸入取样头并用封泥将进口封严。

图2 测点示意

沿回风巷布置的管路直接接入井下束管监测系统,进行实时取样自动分析;沿进风巷布置的束管长度共计150 m,采用人工取气分析[10-12]。随着工作面的推进,当取样头进入采空区内,记录下取样头的初始位置,每天固定时间采样分析一次,并记录工作面每日推进度。

2.3 实测数据分析

5101综采工作面进风巷(辅运)监测自2023年4月13日至4月28日共监测16 d,有效监测采空区深度72.6 m;回风巷(胶运)监测自2023年4月13日至4月28日共监测16 d,有效监测采空区深度68.2 m.整个观测过程中,5101工作面上下隅角吊挂挡风帘,挡风帘严密;上下出口断面合理,采面风流畅通;工作面两端头三角区顶板垮落及时,没有形成悬顶。

图3为进风巷人工采样分析所得出的O2体积分数随采空区深度增加而变化的曲线,由图可见,采空区O2体积分数随采空区深度增加而减少。当采空区深度达到19.6 m时,O2含量为18.098 2%;当采空区深度达到68.2 m时,O2含量为8.198 5%.

图3 进风巷(辅运)测点O2体积分数随采空区深度变化图

图4为束管系统自动采样分析所得出的O2体积分数随采空区深度增加而变化的曲线,当采空区深度达到10.1 m时,O2含量为18.396%;当采空区深度达到15.4 m时,O2含量为17.190 3%;当采空区深度达到35.6 m时,O2含量为9.586 9%;当采空区深度达到43.2 m时,O2含量为7.535 3%.经数值插入处理可得:当采空区深度达到10.3 m时,O2含量为18%;当采空区深度达到36.3 m时,O2含量为8%.

图4 回风巷(胶运)测点O2体积分数随采空区深度变化图

由此得出该采空区遗煤自燃“三带”范围见表1.由观测数据可以看出,回风巷侧的采空区散热带和氧化带宽度明显窄于进风巷,而窒息带要宽于进风巷。

表1 5101工作面采空区实测自燃“三带”范围

2.4 采空区O2体积分数分布函数及应用

根据图3和图4所示两回采巷道侧束管监测的O2体积分数分布特征,采用线性函数、二次函数和指数函数对监测数据进行拟合[13],拟合结果见表2.

表2 采空区O2体积分数分布拟合结果

由表2可以看出,采空区O2体积分数分布采用二次函数效果最佳,O2体积分数分布规律可以用二次函数进行表达,具体表达式如下:

y=Ax2-Bx+C

(1)

式中:y为采空区O2体积分数,%;A、B、C均为拟合参数;x为采空区深度,m.

根据二次函数拟合结果,分别计算采空区O2体积分数8%和18%对应采空区深度,进而获得自燃“三带”分布范围,结果见表3.对比表1和表3可以看出,采用二次函数拟合计算得到的采空区自燃“三带”范围与现场实测的采空区自燃“三带”范围基本相符。可见,采用二次函数对实测O2体积分数分布数据进行精确拟合,能够较好地反映采空区两回采巷道O2体积分数分布规律。

表3 二次函数计算自燃“三带”范围

3 数值模拟

3.1 数值模型建立

选用Fluent软件对采空区内气体流动规律进行数值模拟,以永智煤矿5101综采工作面与采空区实际尺寸为基础进行建模选取工作面、进风巷与采空区的交点作为坐标原点,沿工作面倾向为X轴,工作面长度为224.85 m,采空区深度方向为Y轴,采空区深度为300 m,向上为Z轴,模拟上覆岩层25 m工作面进风巷和回风巷断面积分别为17.5 m2、16.8 m2.

模型被划分为2 400 000个网格,将进风口定义为速度入口(velocity-inlet),回风口定义为自由流出口(outflow),工作面运输巷、工作面、采空区、工作面回风巷均定义为三维空间多孔介质区域。进风巷设置为速度入口,选择组分运输模型,混合物选择methane-air并选择能量方程,采空区中设置为多孔介质,孔隙率和粘性阻力系数为UDF函数,导入到FLUENT中求解运算[14]。

3.2 流速划分下采空区自燃氧化带

U型通风下工作面风速分布如图5所示。由图5可得,供风风流在流经工作面时,仍保持着较高的流速,但在进回风隅角,由于风流变向和漏风的影响,风速略有减小。

图5 U型通风工作面及采空区风速分布

为了进一步分析采空区自燃氧化带的位置,根据0.004 m/s(0.24 m/min)和0.001 m/s(0.1 m/min)对采空区的“三带”进行划分[15]。图6是以漏风风速为指标划分的自燃氧化带的分布范围。由图6可得,采空区自燃氧化带分布在采空区后方20 ～70 m范围内。由于采空区两巷与中部渗流环境的差异性,两巷附近的漏风流速等值线较中部更加深入,氧化深度更大。在进风侧,0.004 m/s的等值线可深入到采空区走向70 m左右位置。

图6 采空区的氧化带分布(风速划分)

3.3 O2体积分数划分下采空区自燃氧化带

分别提取采空区中间及进回“两道”测点O2体积分数进行分析,如图7所示。进风侧在进入采空区20 m左右后,O2体积分数下降至18%,在70 m左右位置,氧气浓度为8%;回风侧的O2体积分数在进入采空区后便急速下降,当深入采空区10 m左右位置时,O2体积分数为18%;在35 m左右位置时,O2体积分数为8%.采空区的O2体积分数分布具有不均匀性,进风侧的采空区O2体积分数明显高于回风侧。

图7 采空区O2体积分数分布

图8表示进、回风侧及采空区中部O2体积分数变化规律,分别以O2体积分数18%、8%为界划分“三带”,根据图8分析可得,氧化带由采空区进风侧向采空区回风侧延伸时,宽度逐渐减小,回风侧氧化带宽度与采空区中部及进风侧相比较窄,在进风巷一侧氧化带范围为20～70 m,自燃氧化带宽度为50 m,采空区中部氧化带范围为16～55 m,氧化带宽度约为40 m,回风巷一侧氧化带范围为10～36 m,氧化带宽度约为26 m.

图8 进风侧、回风侧及采空区中部O2体积分数变化规律

4 工作面最小安全推进度

采空区遗煤要自燃,不仅需要具备一定厚度的遗煤,还需要维持该区域的O2条件不变的时间足够长,即维持时间t必须达到:

t>tmin

(2)

式中:tmin为煤的最短发火期,d.

理论研究和生产实践表明,加快工作面推进速度是预防采空区自然发火的有效技术措施。根据工作面的具体开采状况,设采空区自燃氧化带最大深度为Lmax,则设计推进速度v应满足下式:

(3)

因此,工作面最小推进速度为[16]:

(4)

式中:t为采空区遗煤氧化时间,d;Lmax为采空区自燃氧化带最大宽度,m;v为工作面推进速度,m/d;tmin为煤的最短发火期,d.

永智煤矿5-1号煤层采空区最短发火期为33 d,自燃氧化带最大宽度为进风巷侧48.6 m.将相关参数代入式(4)中,计算得到5101综采工作面最小推进速度为1.47 m/d.采空区自燃“三带”测定期间,5101工作面平均推进速度为4.4 m/d,远大于发生自燃的极限推进速度1.47 m/d.因此,按照当前的推进速度,5101工作面采空区出现自然发火危险的概率较低。

5 结 语

1) 现场实测表明,进风巷侧采空区散热带范围为0～19.6 m,氧化带为19.6～68.2 m,窒息带在68.2 m之后。回风巷侧采空区侧散热带范围为0～10.3 m,氧化带为10.3～36.3 m,窒息带在36.3 m之后;二次函数可对O2体积分数与采空区深度进行较好的拟合,以反映采空区两回采巷道O2体积分数分布规律。

2) 利用Fluent软件进行模拟,以漏风风速为指标,氧化带范围为20 ～70 m;以O2体积分数为指标,进风巷一侧氧化带范围为20～70 m,自燃氧化带宽度为50 m,采空区中部氧化带范围为16～55 m,氧化带宽度约为40 m,回风巷一侧氧化带范围为10～36 m,氧化带宽度约为26 m,进风侧的采空区氧化体积分数明显高于回风侧,数值模拟结果和现场实测结果大致相同。

3) 依据所划分的“三带”范围,计算出5101工作面发生自燃的极限推进速度为1.47 m/d,按照永智煤矿当前工作面推进速度,出现自然发火危险的概率较低,该结论为永智煤矿防灭火工作提供了科学指导。