白 剛，姜延航，周西華，令狐建設(shè)，劉文通

（1.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2.華陽新材料科技集團有限公司 技術(shù)中心，山西 陽泉045000；3.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點實驗室，遼寧 阜新 123000）

0 引言

上下分層開采時會致使上分層采空區(qū)存在嚴(yán)重漏風(fēng)，采空區(qū)遺煤發(fā)生二次氧化，面臨著嚴(yán)重的采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險，采空區(qū)遺煤自燃火災(zāi)約占井下火災(zāi)總數(shù)的60%，嚴(yán)重威脅礦井開采面的安全生產(chǎn)[1-2].為此，研究人員對采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域判定理論與技術(shù)開展了大量的研究[3-5]，現(xiàn)場測定和數(shù)值模擬是目前最為普遍和成熟的研究方法[6-7].曹鏡清[8]等判定劃分低位放頂煤采空區(qū)自燃區(qū)域，并確定了最佳的注氮口位置.李宗翔[9]等研究分析了采空區(qū)漏風(fēng)的風(fēng)量平衡原理，并提出一種測算漏風(fēng)量的新方法.王立杰[10]等研究綜放采空區(qū)高位鉆孔注漿時，不同注漿時間和注漿量對漿液空間擴散行為的影響.康雪[11]等基于相似模擬準(zhǔn)則，研究了采空區(qū)風(fēng)流流動和運移規(guī)律.馬礪[12]研究粒度對采空區(qū)煤自燃極限參數(shù)的影響.尹曉雷[13]等劃分了動態(tài)注氮方式向采空區(qū)注氮時的三帶范圍，得出選擇正確的氮氣釋放口和灌漿口的位置能夠提高防滅火效果.周西華[14]等研究了工作面不同進(jìn)風(fēng)量與采空區(qū)氧化升溫帶寬度變化關(guān)系，得到當(dāng)供風(fēng)量 40.0 m3/s時，能夠有效兼顧瓦斯和煤自燃的防治.

上述研究主要對注氮位置、注漿位置與時間、瓦斯與煤自燃理論研究、改變風(fēng)量等方面對采空區(qū)進(jìn)行防滅火研究，而對于隔離墻與氮氣復(fù)合防火技術(shù)研究卻很少見.為此，筆者以下溝煤礦ZF1801綜放工作面為研究對象，基于 CFD理論，利用FLUENT軟件數(shù)值模擬，采用現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬的方法對采空區(qū)自燃危險區(qū)域進(jìn)行預(yù)測，以便制定相應(yīng)的綜合防治措施.現(xiàn)場應(yīng)用表明，隔斷風(fēng)流與篩管注氮防滅火技術(shù)相結(jié)合方法能有效防治 ZF1801工作面采空區(qū)自然發(fā)火問題.

1 ZF1801工作面概況

下溝煤礦ZF1801工作面長91 m，走向1 040 m，為下分層開采，巷道布置方式見圖1.ZF1801工作面主采4#煤層，采用綜放開采，開采厚度12 m，采放比為1:3，4#煤層煤層硬度f﹥3.5，傾角0°～5°，穩(wěn)定性較高.經(jīng)鑒定4#煤層為Ⅱ類自燃煤層，煤塵有爆炸性，4#煤自然發(fā)火期為3～5個月，最短自然發(fā)火期為28 d，平均風(fēng)量1 026 m3/min.

圖1 ZF1801工作面巷道布置示意Fig.1 roadway layout of the ZF 1801 working face

2 采空區(qū)自燃“三帶”現(xiàn)場監(jiān)測

ZF1801工作面采空區(qū)氣體成分測試范圍為180 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)和回風(fēng)側(cè)各埋設(shè)3個監(jiān)測點，兩點間距 60 m.采空區(qū)自燃“三帶”劃分方法主要有氧濃度法、漏風(fēng)風(fēng)速法和升溫速率法[15-17].在劃分“三帶”時，需同時考慮采空區(qū)氧氣濃度場和漏風(fēng)速度場的分布，筆者認(rèn)為采用氧濃度和漏風(fēng)風(fēng)速相結(jié)合的方法劃分采空區(qū)自燃“三帶”更為合理，將會更加符合綜放面采空區(qū)遺煤自燃區(qū)域分布的實際狀態(tài).即散熱帶與氧化帶的界限以風(fēng)速0.004 m/s為界限，氧化帶與窒息帶以氧氣體積分?jǐn)?shù)8%為界限.

由此得出下溝礦ZF1801工作面回采時實際下分層采空區(qū)遺煤自燃“三帶”具體劃分范圍.將ZF1801和C1801采空區(qū)自燃“三帶”繪制在一張圖上，可以得到下分層ZF1801工作面回采時采空區(qū)自燃危險區(qū)域分布圖，見圖2.從圖2中可以看出，工作面前方的運順側(cè)和回順側(cè)0～40 m，運順東側(cè)20～60 m，以及煤體中部20～80 m范圍內(nèi)為氧化升溫帶，上分層采空區(qū)遺煤二次氧化自燃的危險.工作面后方采空區(qū)運順側(cè)43～145 m，回順側(cè)20～125 m，采空區(qū)中部43～122 m的范圍內(nèi)為氧化升溫帶，遺煤存在自燃危險，威脅工作面安全回采.

圖2 工作面回采期間采空區(qū)自燃危險區(qū)域?qū)崪yFig.2 distribution of spontaneous combustion hazards in goaf area during working face mining

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

3.1 模型構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

工作面風(fēng)量 1 026 m3/min.針對工作面實際情況，按照現(xiàn)場條件對幾何模型作適當(dāng)簡化，將各巷道及采空區(qū)均視為長方體.計算區(qū)域采空區(qū)高度設(shè)為16 m，走向長200 m.兩巷長度均設(shè)為長30 m，高3 m，其中運輸順槽寬5 m，回風(fēng)順槽寬4 m.工作面設(shè)為長91 m，寬9 m，高3 m.簡化后的幾何模型見圖3.對模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，共劃分323 510個網(wǎng)格單元.

圖3 數(shù)值模擬幾何模型Fig.3 numerical simulation geometry model

3.2 邊界條件及其參數(shù)設(shè)置

模擬條件及所需數(shù)據(jù)按下溝煤礦ZF1801工作面現(xiàn)場條件選取，模擬中考慮重力因素，大小為9.81 N/kg，沿Z軸負(fù)方向.流體區(qū)域材料選擇甲烷-空氣混合物.進(jìn)風(fēng)入口設(shè)置為速度入口，根據(jù)供風(fēng)量換算風(fēng)速，供風(fēng)量為1 026 m3/min.

3.3 模擬結(jié)果分析及驗證

自燃“三帶”劃分方法與現(xiàn)場實測所用劃分方法相同，模擬結(jié)果見圖4.與實測結(jié)果進(jìn)行對比，整體上看，采空區(qū)氧化升溫帶分布形態(tài)及范圍基本一致，其中進(jìn)風(fēng)側(cè)從40 ～150 m，中部從35～130 m，與實測基本相同.圖4中氧化升溫帶范圍由進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)逐漸縮減，這是因為數(shù)值計算是在理想的物理狀態(tài)下進(jìn)行的，采空區(qū)多孔介質(zhì)參數(shù)由公式給出，與實際有一定差距.對比結(jié)果顯示，下分層ZF1801工作面采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬誤差較小，驗證了數(shù)值模擬得準(zhǔn)確性與可靠性.

圖4 下分層ZF1801采空區(qū)模擬結(jié)果Fig.4 simulation results of lower layered ZF1801 goaf

3.4 采空區(qū)自燃危險區(qū)域

考慮ZF1801工作面末采期間采空區(qū)遺煤自燃“三帶”的現(xiàn)場實測與數(shù)值模擬結(jié)果，將兩種劃分結(jié)果繪制在同一張圖中，氧化升溫帶范圍取二者并集，劃分出基于兩種方法的ZF1801工作面末采期間采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域，見圖5.由圖5可知，ZF1801工作面采空區(qū)上分層采空區(qū)自燃危險區(qū)域最大寬度為60 m，下分層采空區(qū)自燃危險區(qū)域最大寬度為107 m，因此，最大寬度取107 m.

圖5 末采期間煤自燃危險區(qū)域分布Fig.5 regional distribution of coal spontaneous combustion hazards during final Mining

4 隔斷風(fēng)流和篩管注氮防滅火技術(shù)

4.1 隔離墻堵漏模型參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

該模擬中幾何模型參數(shù)、求解器及邊界條件設(shè)置與自燃帶數(shù)值模擬相同，幾何模型見圖6，由于采空區(qū)運順側(cè)的煤自燃危險區(qū)域與工作面的距離較近，因此設(shè)置運順側(cè)第一道隔離墻距工作面20 m，回順側(cè)第一道距工作面 10 m.模擬設(shè)置采空區(qū)兩巷側(cè)隔離墻間距分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m.圖7為采空區(qū)內(nèi)Z等于0.5 m橫截面上O2體積分?jǐn)?shù)分布情況，從圖7可見，回風(fēng)側(cè)隔離墻相對進(jìn)風(fēng)側(cè)對采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布狀態(tài)影響更為顯著.

圖6 隔離墻數(shù)值模擬幾何模型Fig.6 numerical simulation geometric model of separation wall

此外，隨著隔離墻間距的增加，影響效果逐漸降低，這是因為越靠近工作面漏風(fēng)越嚴(yán)重，O2體積分?jǐn)?shù)也越高，對隔離墻的擾動效應(yīng)更為靈敏.而在進(jìn)風(fēng)側(cè)，間距的增加使得150 m處的3.98%下限O2體積分?jǐn)?shù)范圍逐漸縮減，可見，隔離墻間距的增大可以在一定程度上降低采空區(qū) O2體積分?jǐn)?shù)，減小采空區(qū)遺煤自燃危險.

各隔離墻間距下的自燃“三帶”劃分結(jié)果見圖8.圖8中藍(lán)線為上限漏風(fēng)強度等值線，紅線為下限氧濃度等值線.從圖8可見，回風(fēng)側(cè)隔離墻的存在使氧化升溫帶與回風(fēng)側(cè)邊界的距離增加至10 m，有效降低了回風(fēng)側(cè)浮煤自燃危險.而在進(jìn)風(fēng)側(cè)，間距的增加縮小了下限氧體積分?jǐn)?shù)范圍，由原來的150 m縮小至130 m，上限漏風(fēng)強度等值線則由原來的40 m延伸至 50 m.可見增加隔離墻間距能在一定程度上減少采空區(qū)氧化升溫帶寬度，尤其是兩道附近，但縮小幅度有限.

圖8 氧化升溫帶最大寬度與隔離墻間距的關(guān)系Fig.8 relationship between maximum width of oxidizing warming zone and spacing of wall

圖9為采空區(qū)氧化升溫帶最大寬度隨隔離墻間距的變化關(guān)系，隔離墻間距10 m時氧化升溫帶最大寬度為100 m，而間距增加至50 m時氧化升溫帶最大寬度為80 m，減少了20 m，可見增加隔離墻間距能在一定程度上減少采空區(qū)氧化升溫帶寬度，尤其是兩道附近，但縮小幅度有限，需配合其他防滅火技術(shù)共同預(yù)防和治理采空區(qū)浮煤自燃.綜上所述，下溝礦ZF1801工作面采空區(qū)布置膠體隔離墻的最佳間距為50 m.

圖9 隔離墻堵漏采空區(qū)Z=0.5m截面上氧化升溫帶分布Fig.9 distribution of oxidation heating zone on section Z=0.5 m in the stoppage area of the separation wall

4.2 篩管注氮模型參數(shù)設(shè)置及結(jié)果分析

本次模擬中的幾何模型參數(shù)、求解器及邊界條件設(shè)置與自燃帶數(shù)值模擬相同，其幾何模型見圖10.模型中將篩管注氮口按照等效原則假設(shè)為1 m×1 m的矩形，并設(shè)置為速度入口邊界條件.下溝礦ZF18501工作面注氮量為900 m3/h，三根篩管同時注氮，每根流量為300 m3/h，每個注氮口為50 m3/h.模擬設(shè)置注氮篩管間距l(xiāng)分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m.

圖10 篩管注氮數(shù)值模擬幾何模型Fig.10 geometrical model of screen nitrogen injection numerical simulation

ZF1801工作面下分層采空區(qū)不同篩管布置間距時Z為0.5 m截面上O2體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律見圖11.從圖11（a）可以發(fā)現(xiàn)，以O(shè)2體積分?jǐn)?shù)為3.98%～18%原則劃分的氧化升溫帶范圍大致為80～150 m.當(dāng)篩管間距l(xiāng)為40 m時，注氮影響范圍逐漸延伸至采空區(qū)深部氧化升溫帶80～150 m內(nèi)，O2體積分?jǐn)?shù)有非常明顯的降低.

圖11 采空區(qū)Z=0.5 m截面上O2體積分?jǐn)?shù)分布Fig.11 distribution of the O2 volume fraction on Z = 0.5 m cross section in goaf zone

篩管注氮各間距下的自燃“三帶”劃分結(jié)果見圖12，不難發(fā)現(xiàn)，篩管注氮能大幅度地縮減采空區(qū)氧化升溫帶范圍，當(dāng)間距為40 m和50 m時，采空區(qū)氧化升溫帶最小，抑制煤自燃發(fā)火效果最好.根據(jù)以上分析，下溝礦ZF1801工作面下分層采空區(qū)篩管注氮間距為40 m和50 m時，注氮效果最好，能大幅縮減采空區(qū)遺煤氧化升溫帶范圍，有效防治浮煤自燃，但注氮管路過長會因采空區(qū)內(nèi)部煤巖垮落受到破壞，出現(xiàn)堵管、漏氣等現(xiàn)象，影響注氮效果，所以，篩管最佳布置間距為40 m.

圖12 不同篩管間距注氮采空區(qū)Z=0.5 m截面氧化升溫帶分布Fig.12 distribution of oxidation heating zone on Z=0.5 m section of screen nitrogen injection goaf

4.3 隔離墻與氮氣協(xié)同防治技術(shù)分析

下分層ZF1801工作面進(jìn)入上分層C1801采空區(qū)后，CO體積分?jǐn)?shù)異常，回順束管內(nèi)高達(dá)160×10-6～344×10-6，上隅角為 83×10-6～226×10-6，工作面 31#架前檢測孔內(nèi)高達(dá) 112×10-6，運順 4#監(jiān)測孔內(nèi)為507×10-6.為了保證ZF1801工作面安全開采，必須采取有效的防治措施.

采用隔離墻堵漏時，可使沿著進(jìn)回風(fēng)隅角形成的采空區(qū)漏風(fēng)流動阻力增大，降低采空區(qū)漏風(fēng)的強度和范圍，改變采空區(qū)漏風(fēng)流場分布，可降低采空區(qū)深部漏風(fēng)，減少采空區(qū)有害氣體涌出的作用，達(dá)到抑制采空區(qū)浮煤自然發(fā)火的目的.篩管注氮范圍比單一注氮口大，是一種切實有效的注氮方式，能對采空區(qū)大面積內(nèi)的浮煤進(jìn)行覆蓋，從而隔絕氧氣，阻止采空區(qū)浮煤氧化自燃.但受到ZF1801工作面實際條件限制，單獨采用隔離墻堵漏只能起到一定的減少漏風(fēng)，不能有效抑制采空區(qū)浮煤自然，而單獨篩管注氮雖然能起到惰化作用，但由于漏風(fēng)嚴(yán)重會影響注氮效果，故考慮在改變采空區(qū)漏風(fēng)流場的情況下注氮，使二者相結(jié)合，即采用隔離墻減少漏風(fēng)，注氮惰化采空區(qū)，則可使注氮效果明顯提高.

基于數(shù)值模擬確定的防滅火最優(yōu)參數(shù)（隔離墻間距50 m，篩管間距40 m）.下分層采空區(qū)設(shè)置高分子膠體隔離墻封堵漏風(fēng)和篩管注氮，見圖13.通過高位鉆孔對上分層采空區(qū)注高分子防滅火膠體，采用聯(lián)合防滅火措施后下分層ZF1801采空區(qū)內(nèi)CO體積分?jǐn)?shù)變化見圖14，上分層C1801采空區(qū)兩順側(cè)4#監(jiān)測鉆孔CO體積分?jǐn)?shù)變化見圖15.由圖14、圖15可見，上分層采空區(qū)CO體積分?jǐn)?shù)高于下分層采空區(qū)，CO體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律基本一致，均呈現(xiàn)先上升后下降趨勢，CO體積分?jǐn)?shù)持續(xù)升高并達(dá)到峰值，表明采空區(qū)遺煤正在加速氧化，隨著綜合防滅火技術(shù)的應(yīng)用，下分層回順束管CO體積分?jǐn)?shù)降至32×10-6，上隅角降至 11×10-6.上分層運順降至 37×10-6，回順降至19×10-6，可以保證工作面的順利回采.

圖13 隔離墻與篩管注氮布置示意Fig.13 schematic of nitrogen injection arrangement of separation wall and screen tube

圖14 下分層ZF1801采空區(qū)CO變化Fig.14 CO change of ZF 1801 goaf in the lower layer

圖15 上分層C1801采空區(qū)CO變化Fig.15 CO change of C1801 gobin upperlayer

5 結(jié)論

（1）通過下分層ZF1801采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬得到氧化升溫帶在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)為 40～150 m，中部為35～130 m，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合，驗證了數(shù)值模擬可靠性.

（2）下分層ZF1801采空區(qū)內(nèi)布置高分子膠體隔離墻能有效封堵采空區(qū)大面積漏風(fēng)，在一定程度上縮小氧化升溫帶范圍，合理布置間距為 50 m.采空區(qū)內(nèi)布置篩管注氮能大幅降低采空區(qū)氧體積分?jǐn)?shù)，篩管之間合理間距應(yīng)保持在40 m.

（3）提出“堵漏降氧-惰化置換”聯(lián)合防滅火技術(shù)，該防滅火技術(shù)在下溝礦ZF1801工作面的應(yīng)用效果顯著.下分層采空區(qū)回順側(cè)束管CO體積分?jǐn)?shù)由 476×10-6降至 32×10-6，上隅角 CO 體積分?jǐn)?shù)由300×10-6降至 11×10-6.通過鉆孔對上分層采空區(qū)灌注高分子防滅火膠體后，運順側(cè)上方采空區(qū)內(nèi)的CO 體積分?jǐn)?shù)由 700×10-6降至 37×10-6，回順側(cè)由528×10-6降至 19 ×10-6，治理效果顯著.