秦俊賓工程師 范 濤工程師 李全貴工程師 李延召 鄭 強(qiáng)工程師

(1.河南省三軟煤層開采工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450007；2.河南省新鄭煤電有限責(zé)任公司，河南 新鄭 451100)

0 引言

井下發(fā)生煤自燃，一定同時具有3個條件[1-4]：一是煤層本身具備自燃傾向性，而且堆積層成破碎狀態(tài)；二是提供持續(xù)供氧通風(fēng)條件；三是能持續(xù)的蓄熱，而且煤氧復(fù)合氧化時間足夠長。在煤層本身具有煤自燃傾向性的采空區(qū)中，采空區(qū)遺煤具有通風(fēng)供氧條件是由于工作面漏風(fēng)，而且漏風(fēng)速度的大小和堆積的采空區(qū)遺煤決定了煤氧復(fù)合儲熱的環(huán)境，氧氣濃度在一定程度上決定了煤層的自燃氧化能力。因此，煤自燃“三帶”的范圍劃分可由采空區(qū)氧氣濃度分布來決定，依次劃分為散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶[5-7]。許多國內(nèi)外學(xué)者均對采空區(qū)自燃“三帶”開展了試驗和研究[1-5]，但很少有學(xué)者研究高地溫條件下不易自燃煤的采空區(qū)自燃“三帶”變化規(guī)律，新鄭煤電公司趙家寨煤礦12205工作面屬于12采區(qū)，主采二疊系山西組二1煤，煤層為黑色粉狀，金剛光澤，半光亮型，煤質(zhì)松軟，強(qiáng)度較低，煤的最短自然發(fā)火期為152d，屬于Ⅲ類不易自燃煤，而且井下地溫較高，風(fēng)溫達(dá)到了28℃。由于工作面的高地溫現(xiàn)象，煤自然發(fā)火期會一定程度縮短，且工作面的配風(fēng)量需增大，會導(dǎo)致造成易漏風(fēng)，采空區(qū)煤自燃危險范圍增大。在生產(chǎn)過程中，趙家寨煤礦發(fā)生過煤自燃現(xiàn)象。為了掌握趙家寨煤礦二1煤層采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，本文以趙家寨煤礦二1煤層12205工作面為研究對象，采用現(xiàn)場測試、理論研究和數(shù)值模擬研究相結(jié)合的研究方法，對不同進(jìn)風(fēng)量情況下采煤工作面采空區(qū)的氧氣濃度場進(jìn)行研究，并劃分了采空區(qū)煤自燃“三帶”。

1 方案和模型

1.1 測試方案

共布置10個測點在12205工作面，測點間距為20m，每個測點均為一個束管氣體監(jiān)測點。采用內(nèi)徑5cm鋼管對束管進(jìn)行保護(hù)。回風(fēng)順槽共布置5個測點，布置在沿回風(fēng)巷外幫，距離200m；進(jìn)風(fēng)順槽布置5個測點，布置在沿運(yùn)輸巷外幫，距離300m。通過測量對比分析多組數(shù)據(jù)，采取最優(yōu)布置方式，如圖1、2。

圖1 12205工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點布置方案示意圖Fig.1 Schematic diagram of the layout plan of the "three zones" measuring point for spontaneous combustion in the goaf of the 12205 working face

圖2 束管連接側(cè)面示意圖Fig.2 Schematic diagram of the side of the beam tube connection

1.2 數(shù)學(xué)與物理模型的建立

1.2.1 假設(shè)條件

因為本文僅對特殊條件下煤自燃問題開展理論研究，應(yīng)首先劃分研究范圍，基本假設(shè)包括：漏風(fēng)風(fēng)速與風(fēng)壓的耦合關(guān)系基本服從達(dá)西定律；把物理及數(shù)學(xué)模型簡化成二維模型；且在煤內(nèi)局部基本達(dá)到熱平衡，使氣固溫度維持一致。

1.2.2 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)上述假設(shè)，采空區(qū)傳熱傳質(zhì)的數(shù)學(xué)模型可簡化為[2,5]:

由上到下是連續(xù)方程，動量方程，能量方程和擴(kuò)散方程[8]。

式中：

V—漏風(fēng)風(fēng)速，m/s；

ρ—溫度T時的氣體密度，kg/m3；

Δp—漏風(fēng)風(fēng)壓，由環(huán)境風(fēng)速和煤堆滲透率決定；

μ—空氣動力粘度，取1.7894×10-5Pa·s；

DO2—多孔介質(zhì)內(nèi)氧氣擴(kuò)散系數(shù)，按照空氣中的擴(kuò)散系數(shù)與孔隙度進(jìn)行換算，m2/s；

cair和ccoal—分別對應(yīng)空氣與煤堆的熱容，J/(kg·K)；

λair和λcoal—空氣及煤堆導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；

cwhole和λwhole—煤堆的等效熱容和等效導(dǎo)熱系數(shù)；

CO2—氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)；

ρwhole—煤堆密度，kg/m3；

ε—孔隙度；

rO2—煤堆消耗氧氣能力，kg/(m3·s)；

q—放熱強(qiáng)度，W/m3。

1.2.3 物理模型及邊界條件

依據(jù)實際現(xiàn)場測量結(jié)果，利用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建12205工作面數(shù)值模擬二維模型，共分4部分，工作面長205m，平均寬約7.2m；進(jìn)風(fēng)巷為速度入口邊界，處于工作面下方，風(fēng)速1.41m/s，進(jìn)風(fēng)巷為寬5.2m；回風(fēng)巷設(shè)為自由流出口，寬5.0m；風(fēng)流由進(jìn)風(fēng)巷流入，經(jīng)過工作面和采空區(qū)到回風(fēng)巷流出，溫度設(shè)為302K，工作面巷道與采空區(qū)交邊界,剩下邊界全部設(shè)置成固體面，工作面氧氣濃度約為21%，出入口壓力差約為76.4Pa，如圖3。

圖3 采空區(qū)物理模型Fig.3 Goaf physical model

2 結(jié)果及分析

2.1 現(xiàn)場測試結(jié)果及分析

通過對束管采集氣體結(jié)果進(jìn)行分析，得到進(jìn)回風(fēng)巷和采空區(qū)氧氣濃度隨工作面距離變化的情況，如圖4。

圖4 氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線Fig.4 Oxygen concentration curveunder different depth of goaf

(1)12205工作面回風(fēng)隅角氧氣濃度大約在20.96%，且距采空區(qū)12.8m時氧氣濃度降低到14.64%，隨著回采工作的進(jìn)行，除部分區(qū)域受鄰近采空區(qū)及巷道漏風(fēng)影響，氧氣濃度間斷升高以外，氧氣濃度總體呈下降的趨勢，至測點進(jìn)入采空區(qū)約28m處，氧氣濃度下降到8.0%左右。

(2)12205工作面運(yùn)輸巷風(fēng)量大，且工礦壓較大，密閉墻兩側(cè)易漏風(fēng)，直至測點距采空區(qū)40m，氧氣濃度首次降到16.75%；隨測點繼續(xù)進(jìn)入至64m，氧氣濃度降到9.79%，而距采空區(qū)68m以后，氧氣濃度下降到6.87%及以下。其中在采空區(qū)推進(jìn)10m左右時，氧氣濃度降到18%以下，隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)氧氣濃度又逐漸升高，說明此次測量有誤，分析數(shù)據(jù)時可以排除。

(3)12205工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣濃度比回風(fēng)側(cè)偏高，原因是進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量大，且工作面礦壓大，密閉墻兩側(cè)易漏風(fēng)，回風(fēng)巷受采空區(qū)互相串聯(lián)影響，向相鄰采空區(qū)漏風(fēng)。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 現(xiàn)狀數(shù)值模擬

圖5為工作面采空區(qū)壓力等值線圖。出入口壓力差為76.4Pa，壓力等值線成多次分布，符合實際情況，說明參數(shù)基本合理。

圖5 工作面采空區(qū)壓力等值線Fig.5 Pressure contour ofgoaf in working face

采空區(qū)正常通風(fēng)(風(fēng)速1.41m/s，風(fēng)量976m3/min)情況下的模擬結(jié)果，如圖6。

圖6 采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.6 Oxygen concentration distribution ingoaf

根據(jù)模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn)，進(jìn)風(fēng)巷側(cè)采空區(qū)氧氣濃度明顯要高于回風(fēng)側(cè)，分別以氧濃度18.0%和8.0%，為散熱帶和氧化升溫帶、氧化升溫帶和窒息帶的分界線，在進(jìn)風(fēng)側(cè)0～33m為散熱帶，33～71m為氧化升溫帶，大于71m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為38m；回風(fēng)側(cè)0～6m為散熱帶，6～26m為氧化升溫帶，大于26m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為20m；在采空區(qū)中部，0～38m為散熱帶，38～80m為氧化升溫帶，大于80m為窒息帶，氧化升溫帶寬度為42m，見表1。模擬結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果基本吻合，說明模擬參數(shù)設(shè)置基本符合實際情況。

表1 風(fēng)量為976m3/min采空區(qū)自燃“三帶”分布(風(fēng)速1.41m/s)Tab.1 Spontaneous combustion "three zones" distribution with air volume of 976 m3/min and wind speed of 1.41m/s

2.2.2 風(fēng)量對自燃“三帶”影響

為分析風(fēng)量對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，更好的指導(dǎo)趙家寨煤礦生產(chǎn)過程中的防滅火工作，論文以該模型為基礎(chǔ)，在實際配風(fēng)量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)擴(kuò)大和縮小風(fēng)量供給，模擬分析現(xiàn)場實際配風(fēng)過程中可能出現(xiàn)的具有代表性的風(fēng)量值(500m3/min，740m3/min，1400m3/min)條件下采空區(qū)氧氣濃度分布情況，如圖7-9，見表2。

圖7 風(fēng)量為500m3/min(風(fēng)速0.72m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.7 Oxygen concentration distribution diagram in goaf with air volume of 500m3/min and wind speed of 0.72m/s

圖8 風(fēng)量為740m3/min(風(fēng)速1.07m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.8 Oxygen concentration distribution in the goaf with air volume of 740m3/min and wind speed of 1.07m/s

圖9 風(fēng)量為1400m3/min(風(fēng)速2.03m/s)時采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.9 Oxygen concentration distribution in thegoaf with air volume of 1400m3/min and wind speed of 2.03m/s

表2 風(fēng)量變化對采空區(qū)自燃“三帶”影響Tab.2 Influence of air volume change on spontaneous combustion "three zones" ingoaf

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，可以清晰的看出，采空區(qū)自燃“三帶”的范圍和工作面風(fēng)量、采空區(qū)漏風(fēng)量密切相關(guān)；隨著工作面供風(fēng)量的增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動，且氧化升溫帶的范圍，即采空區(qū)自燃危險區(qū)域范圍呈現(xiàn)擴(kuò)大趨勢；當(dāng)工作面風(fēng)量減小，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向工作面附近移動，且氧化升溫帶的范圍逐漸縮小。

3 結(jié)論

(1)通過對采空區(qū)氧氣濃度和壓力場進(jìn)行數(shù)據(jù)模擬，并將模擬的氧氣濃度與現(xiàn)場測量進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)結(jié)果相差不大，說明模擬結(jié)果比較符合現(xiàn)場。

(2)采空區(qū)最大自燃寬度為42m，且在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和采空區(qū)中部各不相同，呈現(xiàn)中部>進(jìn)風(fēng)巷>回風(fēng)巷的規(guī)律。

(3)通過不同供風(fēng)量的模擬結(jié)果，可以得出隨著工作面供風(fēng)量的增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動，氧化升溫帶的范圍增大，為保證安全生產(chǎn)，應(yīng)控制向工作面的進(jìn)風(fēng)量。

(4) 高溫和風(fēng)量增加會使采空區(qū)自燃“三帶”向采空區(qū)深部移動，且隨著工作面回采的進(jìn)行，采空區(qū)“三帶”范圍也隨之移動。