原麗俊

【摘 要】 本文針對(duì)煤礦瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害現(xiàn)象，對(duì)煤自燃以及瓦斯爆炸的條件進(jìn)行了詳細(xì)的討論。研究表明：采空區(qū)因?yàn)橥L(fēng)的不足，容易聚集大量的瓦斯和氧氣，加上遺煤的存在，是發(fā)生瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的危險(xiǎn)區(qū)域。同時(shí)，利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，在有高抽巷的地方，下部瓦斯?jié)舛鹊陀谏喜客咚節(jié)舛?，下部氧氣濃度高于上部瓦斯?jié)舛?，通過對(duì)復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域圖的分析，得到最小復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)為（35m，27m），礦井可根據(jù)本文模擬數(shù)據(jù)布置高抽巷。

【關(guān)鍵詞】 復(fù)合災(zāi)害;數(shù)值模擬;高抽巷;采空區(qū)

【中圖分類號(hào)】 TD712 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】 A

【文章編號(hào)】 2096-4102（2019）06-0004-03

煤礦瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害嚴(yán)重威脅著生產(chǎn)的順利進(jìn)行，鹿存榮等通過建立采空區(qū)流場(chǎng)滲流模型，分析得到采空區(qū)內(nèi)氧氣及瓦斯氣體的移動(dòng)規(guī)律，針對(duì)模擬結(jié)果制定相應(yīng)措施，消除了潛在的安全隱患。李樹剛等研究了采空區(qū)內(nèi)溫度場(chǎng)、漏風(fēng)強(qiáng)度場(chǎng)以及瓦斯運(yùn)移等規(guī)律，得到煤自燃產(chǎn)生的熱量可使周圍氣體膨脹，熱量散發(fā)的同時(shí)，擴(kuò)大可危險(xiǎn)區(qū)域，同時(shí)利用流體力學(xué)模擬軟件對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，建立了采空區(qū)-工作面流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)礦井內(nèi)火災(zāi)的防治提供了指導(dǎo)。楊勝強(qiáng)等通過對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)溫度和氣樣觀測(cè)，得出最有利于采空區(qū)防滅火的供風(fēng)量，有效抑制了煤炭自燃，消除了瓦斯與煤自燃共生致災(zāi)的可能性，保障了安全開采。楊國(guó)權(quán)和宋偉詳細(xì)敘述了煤礦安全管理的重要性，科學(xué)規(guī)范性的管理能夠有效抑制煤炭自燃，消除瓦斯與煤自燃共生致災(zāi)的可能性，保障安全開采。

目前的研究雖都對(duì)瓦斯與煤自燃的復(fù)合災(zāi)害進(jìn)行了細(xì)致的研究，但都沒有對(duì)瓦斯與煤自燃的復(fù)合災(zāi)害區(qū)域進(jìn)行全面的分析，本文對(duì)瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害發(fā)生條件進(jìn)行了理論分析，同時(shí)利用FLUENT軟件對(duì)采空區(qū)不同位置的氧氣以及瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了模擬，通過理論分析和數(shù)值模擬得到了最小采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域，為實(shí)際工程布置高抽巷提供了參考。

1瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害區(qū)域判定

采空區(qū)發(fā)生瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害的條件是足夠的遺煤含量、充分的氧氣含量和瓦斯含量，除此之外，只有溫度到達(dá)煤的燃點(diǎn)之后，采空區(qū)才會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象。隨著工作面的不斷推進(jìn)，采空區(qū)的不斷垮落，采空區(qū)應(yīng)力會(huì)重新分布，靠近工作面的采空區(qū)因?yàn)橛兄Ъ艿淖饔茫瑲怏w可隨大裂隙流動(dòng)，距離工作面較遠(yuǎn)區(qū)域內(nèi)的氣體含量相對(duì)穩(wěn)定。瓦斯與煤的自燃復(fù)合需在特定條件下完成，足夠遺煤必須達(dá)到燃點(diǎn)后才可以燃燒。其次，氧氣濃度必須大于10%，足夠的氧氣濃度為煤自燃提供了必要條件，煤隨著氧化作用的發(fā)生，溫度升高達(dá)到燃點(diǎn)才可將遺煤點(diǎn)燃。此外，瓦斯含量介于5%-16%范圍內(nèi)，點(diǎn)燃的遺煤會(huì)誘發(fā)瓦斯爆炸，當(dāng)兩者同時(shí)發(fā)生時(shí)，稱為復(fù)合災(zāi)害。

由此可見，采空區(qū)遺煤自燃與瓦斯爆炸發(fā)生的條件相互關(guān)聯(lián)。在遺煤的氧化階段，煤體會(huì)在氧化作用下產(chǎn)生CH4，CH4氣體的析出又抑制煤的氧化作用，因?yàn)檠趸饔孟牡难鯕鈺?huì)在漏風(fēng)帶不斷補(bǔ)充，因此遺煤不斷氧化，CH4氣體不斷發(fā)生，熱量不斷聚集，從而加劇煤的氧化作用，當(dāng)熱量聚集到達(dá)一定程度后，煤體自燃，遺煤發(fā)生自燃后，瓦斯?jié)舛纫驗(yàn)榈陀?%或者高于16%，不會(huì)立即被點(diǎn)燃，只有瓦斯?jié)舛冉橛?%-16%時(shí)，瓦斯才會(huì)爆炸，因此，自燃和爆炸相互影響，導(dǎo)致復(fù)合災(zāi)害的發(fā)生。

采用MATLAB軟件對(duì)“U+高抽巷”型通風(fēng)方式下不同層位的瓦斯和氧氣濃度進(jìn)行繪制，將兩者的分布曲線等值線圖疊合在一起，得到圖1、圖2所示的復(fù)合災(zāi)害區(qū)域劃分圖。

從圖中可以看出，隨著巷道水平方向的改變，復(fù)合災(zāi)害區(qū)域影響較小，災(zāi)害區(qū)域隨著工作面推進(jìn)的方向不斷移動(dòng)，當(dāng)水平層位為20cm、25cm、40cm時(shí)，采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域重新分布，且深度集中于40-70cm的位置范圍，實(shí)際值相當(dāng)于采空區(qū)深度為55-85m的位置。復(fù)合災(zāi)害發(fā)生最小的范圍為（25cm，20cm），實(shí)際工程可以參考此數(shù)據(jù)。

2采空區(qū)流場(chǎng)數(shù)值模擬

本文采用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，共劃分了1023256個(gè)網(wǎng)格單元結(jié)構(gòu)（如圖3）。

從圖3中可以看出，模擬結(jié)果中的采空區(qū)瓦斯?jié)舛葟倪M(jìn)風(fēng)巷開始一直處于增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與實(shí)際采空區(qū)瓦斯?jié)舛纫恢?，?dāng)采空區(qū)出現(xiàn)氣體滲流通道時(shí)，瓦斯含量有所下降，在高抽巷的抽采作用下，瓦斯含量降低，距離高抽巷的瓦斯含量依舊呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，在同一垂直面上，下部匯聚的瓦斯?jié)舛纫陀谏喜繀R集的瓦斯?jié)舛龋环矫媸且驗(yàn)槁┤氩煽諈^(qū)的風(fēng)量攜帶走一部分瓦斯，另一方面是因?yàn)橥咚姑芏鹊陀诳諝饷芏?，不斷的瓦斯聚集上浮于巷道上部，造成瓦斯含量升高?/p>

從圖4中可以看出，采空區(qū)內(nèi)氧氣從進(jìn)風(fēng)巷開始含量逐漸降低，這與實(shí)際情況也一致。當(dāng)采空區(qū)孔隙中進(jìn)入風(fēng)量時(shí)，下部氧氣含量增加，隨著高抽巷的抽采，巷道底部瓦斯含量降低的同時(shí)，氧氣相對(duì)含量就增加，當(dāng)和高抽巷距離增大時(shí)，氧氣濃度下降。同一垂直層面處上部氧氣濃度要低于下部氧氣濃度，一方面是因?yàn)椴煽諈^(qū)風(fēng)量帶走一部分氧氣，此外，因?yàn)檠鯕饷芏却笥诳諝饷芏?，造成下部空間內(nèi)氧氣大量聚集，因此，下部氧氣密度大于上部氧氣密度。

將瓦斯分布云圖和氧氣分布云圖進(jìn)行疊加，得到圖5所示的復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域圖。

從圖中可以看出，距離回風(fēng)巷不同位置的水平層位，復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域危險(xiǎn)變化較小，這主要是因?yàn)槌椴勺饔玫挠绊懛秶邢?，一般?0m左右。煤自燃和瓦斯復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)并不是一成不變的，隨著工作面的推進(jìn)，危險(xiǎn)區(qū)域也在變化。本次模擬中的復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域貫穿整個(gè)采空區(qū)走向，回風(fēng)側(cè)一端復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)距離工作面較近，進(jìn)風(fēng)側(cè)復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)隨深度的增加而增大，觀察不同層位的采空區(qū)復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)，可以看出復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)主要發(fā)生在采空區(qū)深度為55-85m的位置，而復(fù)合危險(xiǎn)區(qū)域最小時(shí)高抽巷距離回風(fēng)巷30m，垂直距離為27m，也就是說，（35，27）是最佳位置，這一位置的瓦斯和氧氣含量較低，不構(gòu)成煤自燃和瓦斯爆炸的條件。

3結(jié)論

大量遺煤存在于采空區(qū)，通風(fēng)效果差導(dǎo)致采空區(qū)聚集瓦斯和氧氣，當(dāng)遺煤自燃與瓦斯爆炸共同發(fā)生時(shí)，發(fā)生復(fù)合災(zāi)害，采空區(qū)稱為瓦斯與煤自燃復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)區(qū)域。

利用FLUENT數(shù)值模擬軟件對(duì)采空區(qū)瓦斯?jié)舛?、空氣濃度進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)高抽巷垂直層位上，上部瓦斯含量高于下部瓦斯含量，下部氧氣含量大于上部含量。

模擬得到了復(fù)合災(zāi)害區(qū)域圖，距離工作面水平距離35m、垂直27m處為復(fù)合災(zāi)害危險(xiǎn)最小的區(qū)域。

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