葉春輝,陳 勇

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責任公司,安徽 淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團)有限責任公司,安徽 淮南 232000)

目前,煤炭仍然是我國主要的能源結(jié)構(gòu)。而井工煤礦開采煤炭期間,災害事故依舊頻發(fā),其中煤自燃事故數(shù)占礦井火災事故總數(shù)的70%[1]。

為遏制采空區(qū)自然發(fā)火事故,眾多學者針對采空區(qū)自燃危險區(qū)域進行了大量研究。雷焱云[2]利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和Fluent數(shù)值模擬的方法對采空區(qū)氧化帶在不同風量下的變化規(guī)律進行分析,結(jié)果表明,風量的變化對采空區(qū)影響最大的位置在回風巷側(cè);孫晉樂[3]通過研究確定采空區(qū)“三帶”區(qū)域,并利用極限推進速度與月推進度關(guān)系判斷采空區(qū)是否有自然發(fā)火危險。武帥[4]通過程序升溫實驗確定了王莊煤業(yè)采空區(qū)煤自燃的指標氣體,并利用現(xiàn)場束管監(jiān)測數(shù)據(jù)模擬出采空區(qū)“三帶”范圍;岳寧芳等[5]利用公斤級煤自然發(fā)火實驗測定煤自燃特性參數(shù),并基于多個參數(shù)對采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域范圍進行劃分。牛闊等[6]通過構(gòu)建采空區(qū)三維物理模型,利用O2體積分數(shù)劃分煤自燃危險區(qū)域,并提出復合惰化技術(shù)對采空區(qū)防滅火更有效。章飛[7]通過程序升溫實驗得到的煤自燃極限參數(shù)與氣體檢測數(shù)據(jù)綜合判定復合采空區(qū)遺煤自燃危險區(qū)域。翟小偉等[8]采用實驗與模擬相結(jié)合的方法,對“U+L”型工作面采空區(qū)煤自燃特征以及危險區(qū)域分布特征進行研究,得出該類型的通風方式嚴重影響著采空區(qū)煤自燃“三帶”區(qū)域的劃分。

鑒于此,為研究確定潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域,通過現(xiàn)場束管監(jiān)測和Fluent數(shù)值模擬,結(jié)合煤自然發(fā)火實驗,確定采空區(qū)自燃“三帶”以及煤樣自燃極限參數(shù),結(jié)合采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域判定方法,得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域范圍,為后續(xù)現(xiàn)場預防采空區(qū)自燃奠定基礎。

1 煤自燃極限參數(shù)測定實驗

1.1 實驗裝置及條件

采集潘三礦煤樣,將其放入大型煤自然發(fā)火實驗裝置中開展實驗測試,模擬實際生產(chǎn)條件下煤自燃過程,從而確定煤樣實驗最短自然發(fā)火期、自燃特性參數(shù)與極限參數(shù)。實驗裝置由三部分組成,包括爐體結(jié)構(gòu)、供風系統(tǒng)及氣體采集與分析系統(tǒng)。實驗裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在潘三礦井下采集2 t左右的新鮮塊狀煤樣,用碎煤機破碎后裝入實驗爐體中,通入干空氣進行實驗。實驗條件如表1所示。

1.2 實驗結(jié)果分析

通過記錄潘三礦煤樣在爐體內(nèi)的最高煤溫發(fā)現(xiàn),煤溫從初始溫度30.2 ℃升至170 ℃需要50 d,即該煤礦的煤樣實驗最短自然發(fā)火期為50 d.通過計算得出,假設井下圍巖溫度為25 ℃,推測其最短自然發(fā)火期應為55 d.在自然升溫過程中,爐內(nèi)最高溫度與各指標氣體及氣體比值之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出,潘三礦煤自然發(fā)火過程中的臨界溫度在65～75 ℃之間,干裂溫度在90～110 ℃之間,裂變溫度在130～150 ℃之間。

2 現(xiàn)場觀測及數(shù)據(jù)分析

潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)采用現(xiàn)場預先埋設6芯束管連接煤自燃監(jiān)測設備遠程抽氣分析,束管共鋪設200 m,回風側(cè)布設3個測點,測點之間間隔30 m.利用礦井火災智能監(jiān)測預警系統(tǒng)對采空區(qū)氣體進行實時監(jiān)測并自動儲存監(jiān)測數(shù)據(jù),在O2體積分數(shù)小于5%時觀測結(jié)束。

2.1 浮煤分析

根據(jù)現(xiàn)場觀測,1652(3)工作面采空區(qū)存留一定厚度的浮煤,可能會引起自燃。工作面煤層特征如表2所示。

表2 工作面煤層特征

進風、回風兩側(cè)及兩端頭支架處的浮煤平均厚度為:

(3.76-3.3)/(1-30%)=0.657 m

采空區(qū)中部浮煤平均厚度為:

3.76×(1-93%)/(1-30%)=0.376 m

由此可見,工作面進、回風兩側(cè)相比采空區(qū)中部的浮煤較多。

2.2 氧氣體積分數(shù)分析

通過對現(xiàn)場采集的氣體進行分析得到采空區(qū)回風側(cè)氧氣體積分數(shù)隨埋深變化曲線如圖3所示。

圖3 采空區(qū)回風側(cè)氧氣體積分數(shù)隨埋深變化曲線

從圖3可以看出,整體上,隨著測點埋深的增加,采空區(qū)回風側(cè)的氧氣體積分數(shù)在逐漸下降。對氧氣體積分數(shù)變化曲線進行擬合得出其擬合曲線方程為y=29.798e-0.012x。由擬合方程推算得到,當y=18%時得到x=42 m,當y=8%時得到x=115.1 m,即在采空區(qū)回風側(cè)距工作面42 m處和115.1 m處的氧氣體積分數(shù)分別下降至18%和8%,表明隨著工作面的推進,漏風強度逐漸降低,煤的氧化反應增加,使得采空區(qū)氧氣體積分數(shù)逐漸減少。

2.3 漏風強度分析

假定漏風流僅沿一維流動,采空區(qū)漏風強度與氧氣體積分數(shù)之間的關(guān)系如公式(1)所示[9]:

(1)

根據(jù)潘三礦13-1煤的自然發(fā)火實驗數(shù)據(jù),利用已測得的采空區(qū)氧氣體積分數(shù),可推測出采空區(qū)回風側(cè)漏風強度隨埋深變化規(guī)律,如圖4所示。從圖4中可以看出,整體上隨著工作面的推進,漏風強度呈下降趨勢。在距離采空區(qū)55 m之前的漏風強度大于0.004 cm3/(s·cm2),此后迅速下降;在60 m后下降趨勢有所平緩,最終漏風強度小于0.000 1 cm3/(s·cm2)。

圖4 采空區(qū)回風側(cè)漏風強度隨埋深變化曲線

3 采空區(qū)流場分布規(guī)律數(shù)值模擬

基于1652(3)工作面采空區(qū)現(xiàn)場情況,利用ANSYS軟件建立采空區(qū)三維模型,能夠直觀地確定采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分數(shù)分布規(guī)律。三維模型圖如圖5所示。在建立三維模型時,設置采空區(qū)深度為200 m,傾向長為190 m,高為20 m,采空區(qū)中部浮煤厚度為0.376 m,兩側(cè)浮煤厚度為0.657 m,浮煤上方為巖層;進風巷、回風巷長為10 m、寬為5.2 m、高為3.3 m;進風口風速為2 m/s.在邊界條件設定后,通過Fluent軟件對UDF編程的程序進行運算求解,得到采空區(qū)內(nèi)部氧氣體積分數(shù)模擬結(jié)果。

圖5 采空區(qū)模型圖

采空區(qū)氧氣體積分數(shù)分布規(guī)律模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 采空區(qū)氧氣體積分數(shù)分布模擬結(jié)果圖

從圖6中可以看出,潘三礦1652(3)隨著工作面采空區(qū)深度的增加,氧氣體積分數(shù)呈不斷下降的趨勢。并且采空區(qū)氧化帶(氧氣體積分數(shù)在8%～18%之間)在進風側(cè)距工作面35～132 m和回風側(cè)距工作面30～115 m范圍內(nèi)。

回風側(cè)氧氣體積分數(shù)模擬結(jié)果與現(xiàn)場觀測結(jié)果對比如表3所示。

表3 回風側(cè)氧氣體積分數(shù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測結(jié)果對比

模擬得到的氧化帶寬度比現(xiàn)場觀測氧化帶寬度約為12 m.因采空區(qū)現(xiàn)場條件復雜,數(shù)值模擬較為理想,其結(jié)果與現(xiàn)場出現(xiàn)少量偏差屬正?，F(xiàn)象。綜合分析,為擴大監(jiān)測及防控范圍,取數(shù)值模擬結(jié)果作為采空區(qū)回風側(cè)氧氣體積分數(shù)分布。則1652(3)工作面采空區(qū)進風側(cè)氧氣體積分數(shù)在距工作面35 m處為18%,在132 m處為8%.

4 采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域判定

采空區(qū)遺煤自燃需要滿足的條件主要有足夠的浮煤厚度、氧氣體積分數(shù)以及漏風條件[10]。除此之外,工作面的推進速度對采空區(qū)煤自燃也有著重要影響。在實際情況下,采空區(qū)遺煤自燃的必要條件為[11]:

即當浮煤厚度、實際的氧氣體積分數(shù)、漏風強度、最小推進速度時,松散煤體均不能引起自然升溫。

通過理論分析計算,不同浮煤厚度時最小氧氣體積分數(shù)與最大漏風強度如表4所示。

表4 不同浮煤厚度時的最小氧氣體積分數(shù)和最大漏風強度

從表4中可以看出,浮煤厚度在0.532 m時的最小氧氣體積分數(shù)為20.82%,隨著浮煤厚度的增加,氧氣體積分數(shù)快速降低。

不同漏風強度時的最小浮煤厚度如表5所示。從表5中可以看出,隨著漏風強度的增大,更多的熱流被帶走,煤自然發(fā)火所需的浮煤就越多。

表5 不同漏風強度時的最小浮煤厚度

將1652(3)工作面采空區(qū)現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實驗測試得到的煤自燃極限參數(shù)值繪制在同一個圖上,確定采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域范圍。最終得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域為采空區(qū)進風、回風兩側(cè)氧化帶范圍(即紅色區(qū)域),如圖7所示。

圖7 采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域分布圖

從圖7可知,1652(3)工作面采空區(qū)氧化帶的最大寬度出現(xiàn)在進風側(cè),并且Lmax為97 m,結(jié)合實際條件下采空區(qū)最短自然發(fā)火期τmin為55 d,可以得出采空區(qū)工作面最小安全推進速度為:

Vmin=Lmax/τmin= 1.76 m/d

因此,正常條件下,工作面的安全推進速度不應小于1.76 m/d,否則必須加強安全監(jiān)測,并采取相應的防滅火措施,防止采空區(qū)煤自然發(fā)火。

5 結(jié) 語

1) 通過自然發(fā)火實驗測試,確定了潘三礦13-1煤層實際最短自然發(fā)火期為55 d;并確定了不同浮煤厚度時最小氧氣體積分數(shù)與最大漏風強度。

2) 通過現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,得到潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)氧氣場分布規(guī)律;確定采空區(qū)氧化帶在進風側(cè)距工作面35～132 m和回風側(cè)距工作面30～115 m范圍內(nèi)。

3) 通過采空區(qū)危險區(qū)域判定方法,得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險區(qū)域為采空區(qū)進風、回風兩側(cè)氧化帶范圍,工作面安全推進速度不應小于1.76 m/d.