周孟穎馬 馳宋慶堯王新琨宋三勝

(1.安徽省煤炭科學研究院,安徽省合肥市,230001; 2.淮北礦業(yè)股份有限公司,安徽省淮北市,235000)

蘆嶺煤礦9＃煤層多源多匯采空區(qū)自燃預警技術研究?

周孟穎1馬 馳1宋慶堯2王新琨2宋三勝2

(1.安徽省煤炭科學研究院,安徽省合肥市,230001; 2.淮北礦業(yè)股份有限公司,安徽省淮北市,235000)

基于分布式光纖測溫系統(tǒng)為主,束管氣體監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)值模擬為輔的方法,對蘆嶺煤礦II925工作面瓦斯綜合治理條件下多源多匯采空區(qū)的溫度、氣濃度變化規(guī)律進行了監(jiān)測,對采空區(qū)流場數(shù)值模擬結果進行了分析,對采空區(qū)自燃“三帶”分布進行了討論?？偨Y出分布式光纖測溫預警系統(tǒng)具有靈敏、可靠、準確、連續(xù)性等優(yōu)點,彌補了束管監(jiān)測系統(tǒng)單一、無法定位、抽象等缺點,進一步完善了煤礦采空區(qū)自燃預警技術,對煤礦防滅火工作具有指導意義。

自燃預警 分布式測溫光纖 氣體監(jiān)測系統(tǒng) 數(shù)值模擬 多源多匯采空區(qū)

煤礦采空區(qū)遺煤自燃是礦井自然發(fā)火的主要原因,尤其是煤礦瓦斯綜合治理條件下形成的“多源多匯”工作面采空區(qū)極易漏風,具備良好的供氧和蓄熱條件時,便會發(fā)生采空區(qū)浮煤自燃,導致火災和爆炸事故發(fā)生,威脅礦井安全生產。

1 工作面概況

蘆嶺煤礦為自然發(fā)火礦井,9＃煤層易自燃,發(fā)火期為2～3個月,煤塵具有爆炸危險性,爆炸指數(shù)37.51%。II925工作面走向長度560 m,傾斜長度115 m,平均煤厚3.1 m,最大厚度4.8 m,選用ZF7000/18/28A、ZFG7600/18/29 HA支架,綜合機械化低位放頂煤工藝,正常割煤高度為2.3 m,最大割煤高度不大于2.6 m。工作面防滅火采用以注漿為主、注氮為輔方式。

目前II925屬于孤島開采,開采條件復雜,防滅火難度大。鄰近的II923工作面和II927工作面及上部的8＃煤層均已經收作,易造成采空區(qū)內部漏風。上部8＃煤層采空區(qū)內部有一定量遺煤,造成II925采空區(qū)內遺煤較多。沿煤層傾向方向,早期部分材料巷道雖已冒實,但回采拆棚需要一定時間,影響正?；夭伤俣?給采空區(qū)防火帶來不利影響。

II925工作面采用U型通風方式,生產過程中實際配風量為800～1000 m3/min,由于實際采空區(qū)內部漏風較多,形成典型的多源多匯通風系統(tǒng),其“三帶”分布規(guī)律性較為復雜?；夭蛇^程主要不利影響包括采空區(qū)周圍巷道系統(tǒng)復雜,上部8＃煤層作為解放層已開采,鄰近II923、II927工作面已收作,回采過程可能會與周圍巷道、采空區(qū)形成溝通裂隙,漏風通道不明確;II925工作面瓦斯治理采用雙巖巷底板抽放鉆孔抽放、采空區(qū)埋管抽放等方法,對采空區(qū)流場分布產生一定影響。

圖1為II925工作面通風系統(tǒng)示意簡圖,II925工作面通風系統(tǒng)較為復雜,周圍巷道較多。工作面進風路線:地面→新副井→井底車場→－590西大巷→Ⅱ82軌道上山和Ⅱ82運輸上山→Ⅱ826集中巷和Ⅱ825集中巷→Ⅱ826－6＃聯(lián)巷→Ⅱ925進風巷→工作面;工作面回風路線:Ⅱ925工作面→Ⅱ925回風巷→Ⅱ824－9＃聯(lián)巷→Ⅱ82老回風上山→102回風上山→102石門→南風井→地面。井下測溫分站位于Ⅱ925進風巷下口。

圖1 II925工作面通風系統(tǒng)示意圖

為加強防滅火工作,分析采空區(qū)遺煤氧化情況、研究采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布規(guī)律,在工作面回采過程中采用了線性分布式光纖溫度監(jiān)測系統(tǒng)和束管氣體監(jiān)測系統(tǒng)共同對采空區(qū)自燃情況和火災隱患情況進行監(jiān)測,并利用數(shù)值模擬手段對采空區(qū)流場進行模擬,以確保工作面安全生產。

2 采空區(qū)火災監(jiān)測

2.1 線性分布式光纖溫度監(jiān)測

現(xiàn)場采用分布式光纜作為溫度監(jiān)測手段。溫度信息通過光信號傳輸,不受電磁干擾感知溫度信息,光纖的多層鎧裝使其本身具有一定抗拉壓、抗剪切能力,具有本質安全、絕緣性能強、防潮濕、測溫準確、運行穩(wěn)定等優(yōu)點,可以實現(xiàn)采空區(qū)溫度實時在線監(jiān)測。采空區(qū)測溫系統(tǒng)光纖布置如圖2所示。

圖2 采空區(qū)光纖測溫系統(tǒng)布置示意圖

根據蘆嶺礦II925工作面具體情況,現(xiàn)場試驗分別沿工作面進風巷和回風巷各布置一路光纖。光纖每隔50 m預留一處回彎,預留光纖盤好后置于上幫,當工作面推進到回彎處時,將回彎解開,沿著工作面傾向方向,將光線鋪開。設置回彎的目的是在不截斷光纖的條件下,使得光纖感知范圍更大,對工作面傾向方向溫度進行局部檢測;回彎向采空區(qū)傾向延伸,能夠降低采空區(qū)上下隅角處密閉墻的影響,更準確獲得采空區(qū)內部真實溫度。光纖鋪設完成后,加強維護、提高防護等級,保證正常測溫取樣。

2.2 束管氣體監(jiān)測

目前束管氣體監(jiān)測系統(tǒng)廣泛用于煤礦自然火災預報和防治工作,通過對采空區(qū)內部O2、CO、CH4等氣體含量隨時取樣監(jiān)測,及時預測預報發(fā)火點的溫度變化,為煤礦自然火災和礦井瓦斯事故的防治工作提供科學依據。由于束管監(jiān)測系統(tǒng)不能夠連續(xù)監(jiān)測,且易受到堵塞、水封、漏氣等因素影響,在埋設過程中,采用了直徑2寸防護鐵管等措施對束管系統(tǒng)進行防護;同時為消除井下水對束管氣體監(jiān)測系統(tǒng)測試結果的影響,系統(tǒng)安裝完成后將鐵管固定于巷道外幫,其中在回風巷安裝至距巷道底板0.5 m高,在進風巷安裝至距巷道底板1 m高;在測點處預留三通,接上直徑2寸,長0.3 m的花管,以花管作為防護罩;用尼龍袋包裹于花管四周,防止碎煤與巖石堵塞花管孔眼;為有效抽取氣樣,將氣樣采集探頭與防護鐵管中空氣隔絕。采空區(qū)束管氣體檢測系統(tǒng)布置示意圖如圖3所示。

圖3 采空區(qū)束管氣體檢測系統(tǒng)布置示意圖

3 火災監(jiān)測結果分析

3.1 溫度監(jiān)測結果及分析

分布式光纖測溫可連續(xù)測定溫度,并實時將采空區(qū)各點的溫度反映在測試Origin軟件中。測定結果如圖4、圖5所示,光纖系統(tǒng)監(jiān)測距離起點為自井下測溫分站開始,即自分站起光纖每米距離上的日平均溫度。

圖4 進風側平均溫度變化圖

圖5 回風側平均溫度變化圖

由圖4和圖5分析可知,光纖在測點處所測結果呈現(xiàn)出輕微先上升后下降的趨勢,當埋深達到一定深度后采空區(qū)溫度接近原巖溫度最終趨于穩(wěn)定。進風巷道平均溫度為26.1℃,最高溫度達27.9℃;回風巷道平均溫度約29.6℃,最高溫度30.6℃。

從測溫系統(tǒng)分析可以看出:

(1)溫度變化情況。工作面進風巷溫度較低,在25.2～26.8℃之間,采空區(qū)進風側溫度26.7～27.9℃,采空區(qū)進風側距工作面41 m平均溫度較回風巷回風流高0.9℃;工作面回風巷溫度28.9～30.7℃,采空區(qū)回風側溫度29.0～30.6℃,采空區(qū)回風側距工作面38 m平均溫度較回風巷回風流高約0.8℃。從圖5可以看出,距井下測溫分站約700 m處溫度變化較明顯,這是因為光纖自進風巷道轉入回風巷,回風巷溫度較進風高的緣故。

(2)自燃危險區(qū)域觀測情況。根據采空區(qū)測溫數(shù)據的劃分指標得出II925工作面回采期間采空區(qū)“三帶”的范圍:進風側窒息帶大于41 m;回風側窒息帶大于38 m。

(3)采空區(qū)防火效果分析。采空區(qū)內部平均溫度處于26.7～30.6℃之間,內部最高溫度處于35℃以下,工作面防火工作對遺煤氧化起到了很好的抑制作用,為工作面的安全回采提供保證。

3.2 氣體監(jiān)測結果及分析

由于條件限制,束管氣體監(jiān)測采用井下現(xiàn)場取樣時,先使用抽氣筒連接束管端頭的軟管預抽10 min,以排除束管內空氣。采集氣樣后貼上標簽立即送至地面實驗室,利用氣相色譜儀進行色譜分析。為保證實測結果更符合實際情況,原始數(shù)據在分析和處理時進行了合理的處理:未進入采空區(qū)測點數(shù)據沒有參與數(shù)據處理與分析;數(shù)據中各測點距采空區(qū)的距離計算是從工作面支架后方開始計算。O2濃度變化、CO濃度變化及瓦斯?jié)舛茸兓F(xiàn)場測點結果如圖6～圖8所示,圖中束管系統(tǒng)監(jiān)測起點為采空區(qū)內部束管端頭取樣口。

從測氣系統(tǒng)分析可以看出:

(1)第一次取樣時間(2014年3月13日)為工作面試采開始時,氧氣和瓦斯?jié)舛葮藴势钶^大,氣體濃度數(shù)據明顯不合理,屬于粗大誤差,不能作為有效檢測數(shù)據,已經將其剔除(圖6和圖7中對數(shù)據進行了指數(shù)擬合)。

圖6 束管O2濃度變化及擬合曲線圖

圖7 束管CO濃度變化及擬合曲線圖

圖8 束管瓦斯?jié)舛茸兓瘓D

(2)在工作面推進過程中,O2濃度范圍在15.7%～21.3%之間,平均濃度19.8%;CO濃度范圍在0%～2×10－5%之間,平均濃度4× 10－6%,沒有明顯發(fā)火傾向;束管瓦斯平均濃度0.7%。各個指標氣體濃度變化擬合曲線平直,隨推進變化不明顯。

(3)實際取樣過程中考慮到束管、人、環(huán)境等因素受到較大不利影響,此次束管采樣分析結果對于采空區(qū)自燃監(jiān)測預警受到限制,只能作為參考。

4 數(shù)值模擬及易自燃區(qū)域分析

4.1 流場數(shù)值模擬

采空區(qū)氣候室流場模擬采用計算流體力學軟件FLUENT進行計算,文中采用標準K－ε模型,作出如下假設:

(1)正常生產期間,采空區(qū)漏風強度、氧氣濃度分布動態(tài)穩(wěn)定;

(2)采空區(qū)遺煤厚度恒定不變,煤體中的同一位置風流溫度與煤體溫度相等;

(3)采空區(qū)內遺煤、冒落巖石與空氣等混合物視為各向同性的均勻一致的多孔介質層,孔隙度為常數(shù);

(4)忽略水蒸汽蒸發(fā)和瓦斯解吸,同時將固體、氣體的物理特性參數(shù)視作常數(shù),不考慮其隨溫度的變化。

質量守恒、動量守恒及能量守恒方程如式(1):

式中:t——時間;

u——速度;

ρ——密度;

p——靜壓;

τ——切應力;

μ——動力粘性系數(shù);

f——單位質量流體的質量力;

e——流體內能;

k——導熱系數(shù);

T——溫度;

q——其它原因在單位時間內傳入單位質量流體的熱量。

多孔介質區(qū)域的粘性阻力系數(shù)和內部阻力系數(shù)由下式計算得到:

式中:a,b——經驗系數(shù),其大小與煤層頂板巖體性質及采空區(qū)內的巖體冒落狀況相關,取值如表1所示;

c——采空區(qū)內冒落巖石的壓實系數(shù),是推進速度的函數(shù);

x——采空區(qū)距工作面的距離,m;

l——采空區(qū)濾流分支長度,m;

s——采空區(qū)濾流分支截面積,m2;

vf——工作面的推進速度,m/s。

表1 冒落巖體的a,b取值表

模型尺寸及邊界條件:采空區(qū)傾向長度115 m,走向長度150 m;平均進風風量為1000 m3/min;工作面進風溫度為24℃;工作面平均推進速度約2.0 m/d。模擬結果如圖9、圖10所示。圖9為采空區(qū)內部流場矢量圖,表征采空區(qū)內部風流運動方向;圖10為風流速度在0.1～0.24 m3/(m2·min)(0.0017～0.004 m/s)范圍的易自燃區(qū)域分布圖,圖中深灰色區(qū)域風速高于0.24 m3/(m2·min),黑色區(qū)域的風速低于下限0.1 m3/(m2·min)。

圖9 采空區(qū)速度流場矢量圖

圖10 采空區(qū)流場(0.0017～0.004 m/s)圖

4.2 易自燃區(qū)域分析

圖10中采空區(qū)內部深灰色區(qū)域風速較高,屬于自燃“三帶”中的散熱帶,黑色區(qū)域風速較小,屬于窒息帶,二者之間區(qū)域為氧化升溫帶。從計算結果可以看出,采空區(qū)氧化升溫帶范圍為:進風側16～41.5 m,回風側15～35 m,最大氧化帶寬度為25.5 m;采空區(qū)窒息帶距離為:進風側41.5 m,回風側35 m。雖然工作面正常生產時,采空區(qū)“三帶”范圍隨著工作面推進是動態(tài)變化的,浮煤自燃不但與氧化時間有關,還與工作面推進速度有關,是時間和空間的函數(shù)。但對于一個特定的采煤工作面,采空區(qū)“三帶”范圍處于一個動態(tài)的穩(wěn)定狀態(tài),浮煤自燃過程可以進行動態(tài)數(shù)值模擬,這對于采空區(qū)浮煤自燃危險性超前預測具有重要的指導意義。

5 結論

(1)本次采用的分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠自動連續(xù)地測定采空區(qū)各點的溫度,具有靈敏性高、精度高和抗干擾能力強等特點,適時反映溫度變化情況,減少了其他測溫手段帶來的人工強度大的問題,較大程度上提高了溫度測試及預警的效率。

(2)通過在工作面進風巷和回風巷預埋光纖和束管對采空區(qū)自燃情況進行監(jiān)測,根據采空區(qū)測溫數(shù)據的劃分指標得出II925工作面回采期間采空區(qū)自燃“三帶”的范圍:進風側窒息帶大于41 m;回風側窒息帶大于38 m,結合自然發(fā)火期分析,在現(xiàn)有推進速度條件下,自燃情況不會對工作面回采造成較大影響。

(3)利用計算流體力學軟件對采空區(qū)內部流場進行數(shù)值模擬,計算結果表明,采空區(qū)氧化帶范圍為:進風側16～41.5 m, 回風側15～35 m,最大氧化帶寬度為25.5 m;采空區(qū)窒息帶距離為進風側41.5 m,回風側35 m。

(4)采空區(qū)采用以注漿為主,注氮為輔的防滅火方法回采過程中上隅角CO濃度始終處于0.000024%以下,采空區(qū)內部沒有出現(xiàn)高溫點,滅火措施取得良好效果。

(5)分析結果顯示采空區(qū)內部氧氣濃度較大,各個指標氣體濃度變化曲線平直,隨推進變化不明顯,說明此次束管采樣分析結果對于采空區(qū)自燃“三帶”劃分的意義受到限制,只能作為參考。而光纖測溫系統(tǒng)能夠很好補充束管測溫系統(tǒng)的不足,使采空區(qū)防滅火監(jiān)測預警工作更加完善。

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Study on early warning technology of spontaneous combustion in multi-source and multi-congruence goaf in No.9 coal seam of Luling Coal Mine

Zhou Mengying1,Ma Chi1,Song Qingrao2,Wang Xinkun2,Song Sansheng2
(1.Anhui Province Coal Science Research Institute,Hefei,Anhui 230001,China; 2.Huaibei Coal Mining Co.,Ltd.,Huaibei,Anhui 235000,China)

Based on the main method of distributed optical fiber temperature measurement system and the auxiliary method of bundle tube monitoring system and numerical simulation,the variation laws of temperature and concentration in multi-source and multi-congruence goaf under the condition of gas comprehensive treatment in No.II925 workface of Luling Coal Mine were monitored,then the numerical simulation results of goaf flow field were analyzed,at last the distribution of spontaneous combustion“three zone”in goaf was discussed.According to the research on early warning technology of distributed optical fiber temperature measurement about spontaneous combustion of goaf,the system was sensitive,reliable,accurate and continuous, which recover the weakness of bundle tube monitoring system.The methods perfected the early warning technology of spontaneous combustion in goaf,and made a guiding significance to the fire prevention work in coal mine.

early warning of spontaneous combustion,distributed temperature-measuring optical fiber,gas monitoring system,numerical simulation,multi-source and multi-congruence goaf

TD752.1

A

周孟穎(1958－),男,研究員,碩士生導師,現(xiàn)任安徽省煤炭科學研究院副總工程師兼礦井火災熱害研究中心主任,主要從事煤礦安全生產技術科研工作。

(責任編輯 張艷華)

安徽省科研項目(省財企(2014)1262號第23項)