王競楷,呂 猛,張博威

(準格爾旗永智煤炭有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017100)

采空區(qū)遺煤自然發(fā)火是我國大多數(shù)礦井普遍存在的問題,嚴重制約安全生產。當前,確定采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍是防治自然發(fā)火的首要任務,對于指導防滅火工作具有重要意義[1]。

目前,邸志乾等[2]以風速為劃分標準,得到放頂煤綜采采空區(qū)“三帶”分布的形態(tài)及范圍;徐國華[3]利用數(shù)值模擬軟件研究了公烏素礦1604工作面采空區(qū)自燃“三帶”的分布范圍,并分析了工作面風量對推進速度的影響。劉俊等[4]采用采空區(qū)預埋束管的方法分析采空區(qū)O2體積分數(shù),進而確定采空區(qū)自燃“三帶”寬度;李宗翔等[5]利用高O2體積分數(shù)區(qū)域和高溫度區(qū)域疊加的方法確定了采空區(qū)內氧化帶的范圍;王毅等[6]通過對工作面現(xiàn)場氧氣和溫度監(jiān)測,并利用Fluent模擬采空區(qū)風流速度,對工作面“三帶”進行了劃分;尚瑋煒等[7]通過現(xiàn)場實測和結合Matlab軟件分析處理得到了采空區(qū)自燃“三帶”的分布特征;李作泉等[8]利用COMSOL數(shù)值模擬軟件計算了工作面推進不同階段采空區(qū)“三帶”范圍及漏風情況。

本文以永智煤礦5101工作面為背景,通過現(xiàn)場實測O2體積分數(shù)和Fluent數(shù)值模擬的方法,對永智煤礦5101工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍進行了研究,得出利于防治遺煤自燃的最小推進速度,以指導永智煤礦實際生產。

1 工程概況

永智煤礦位于鄂爾多斯市準格爾旗境內,礦區(qū)海拔標高1 400 m,該礦井屬低瓦斯礦井,礦井地溫無異常。3-1煤、4-2煤已回采完畢,現(xiàn)主采5-1煤。5101工作面位于二水平5-1盤區(qū),是5-1盤區(qū)的首采工作面,5101工作面可采走向長約為2 497 m,傾斜寬約為224.85 m,工作面凈煤厚約為3.1～4.98 m,平均厚度約為3.88 m,煤層平均傾角為1°～3°,采用一次采全高工藝、全部垮落法處理頂板,工作面的通風方式為“U”型通風,工作面配風量為1 470 m3/min.經鑒定,5-1煤屬容易自燃煤層,煤塵具有爆炸性。

2 現(xiàn)場實測

2.1 采空區(qū)“三帶”劃分依據

采空區(qū)遺煤自燃可劃分為三個帶:即散熱帶、氧化升溫和窒息帶,如圖1所示。常用的“三帶”劃分方法主要有3種:O2體積分數(shù)劃分法、溫度法、漏風強度法,考慮現(xiàn)場實際和各方法的優(yōu)缺點[6],本次監(jiān)測主要采用O2體積分數(shù)劃分法為依據。根據礦區(qū)實際情況以及周圍礦井的調研,將試驗工作面“三帶”劃分的氧含量指標定為:通風散熱帶O2含量不小于18.0%,氧化帶O2含量為8%～18.0%,窒息帶O2含量不大于8%[9].

圖1 采空區(qū)自燃“三帶”分布示意

2.2 觀測方案

5101綜采工作面采空區(qū)自燃“三帶”觀測管路鋪設均采用進、回風巷預埋管路的鋪設方法。如圖2所示,在工作面兩回采巷道各布置2個測點,1個監(jiān)測1個備用,兩測點間距為50 m,取樣管路采用束管,束管全段采用鋼管進行保護,束管前端取樣頭為65 mm保護圓柱形鋼管,鋼管上有小孔,以便氣體進入取樣頭,束管單管伸入取樣頭并用封泥將進口封嚴。

圖2 測點示意

沿回風巷布置的管路直接接入井下束管監(jiān)測系統(tǒng),進行實時取樣自動分析;沿進風巷布置的束管長度共計150 m,采用人工取氣分析[10-12]。隨著工作面的推進,當取樣頭進入采空區(qū)內,記錄下取樣頭的初始位置,每天固定時間采樣分析一次,并記錄工作面每日推進度。

2.3 實測數(shù)據分析

5101綜采工作面進風巷(輔運)監(jiān)測自2023年4月13日至4月28日共監(jiān)測16 d,有效監(jiān)測采空區(qū)深度72.6 m;回風巷(膠運)監(jiān)測自2023年4月13日至4月28日共監(jiān)測16 d,有效監(jiān)測采空區(qū)深度68.2 m.整個觀測過程中,5101工作面上下隅角吊掛擋風簾,擋風簾嚴密;上下出口斷面合理,采面風流暢通;工作面兩端頭三角區(qū)頂板垮落及時,沒有形成懸頂。

圖3為進風巷人工采樣分析所得出的O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度增加而變化的曲線,由圖可見,采空區(qū)O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度增加而減少。當采空區(qū)深度達到19.6 m時,O2含量為18.098 2%;當采空區(qū)深度達到68.2 m時,O2含量為8.198 5%.

圖3 進風巷(輔運)測點O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度變化圖

圖4為束管系統(tǒng)自動采樣分析所得出的O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度增加而變化的曲線,當采空區(qū)深度達到10.1 m時,O2含量為18.396%;當采空區(qū)深度達到15.4 m時,O2含量為17.190 3%;當采空區(qū)深度達到35.6 m時,O2含量為9.586 9%;當采空區(qū)深度達到43.2 m時,O2含量為7.535 3%.經數(shù)值插入處理可得:當采空區(qū)深度達到10.3 m時,O2含量為18%;當采空區(qū)深度達到36.3 m時,O2含量為8%.

圖4 回風巷(膠運)測點O2體積分數(shù)隨采空區(qū)深度變化圖

由此得出該采空區(qū)遺煤自燃“三帶”范圍見表1.由觀測數(shù)據可以看出,回風巷側的采空區(qū)散熱帶和氧化帶寬度明顯窄于進風巷,而窒息帶要寬于進風巷。

表1 5101工作面采空區(qū)實測自燃“三帶”范圍

2.4 采空區(qū)O2體積分數(shù)分布函數(shù)及應用

根據圖3和圖4所示兩回采巷道側束管監(jiān)測的O2體積分數(shù)分布特征,采用線性函數(shù)、二次函數(shù)和指數(shù)函數(shù)對監(jiān)測數(shù)據進行擬合[13],擬合結果見表2.

表2 采空區(qū)O2體積分數(shù)分布擬合結果

由表2可以看出,采空區(qū)O2體積分數(shù)分布采用二次函數(shù)效果最佳,O2體積分數(shù)分布規(guī)律可以用二次函數(shù)進行表達,具體表達式如下:

y=Ax2-Bx+C

(1)

式中:y為采空區(qū)O2體積分數(shù),%;A、B、C均為擬合參數(shù);x為采空區(qū)深度,m.

根據二次函數(shù)擬合結果,分別計算采空區(qū)O2體積分數(shù)8%和18%對應采空區(qū)深度,進而獲得自燃“三帶”分布范圍,結果見表3.對比表1和表3可以看出,采用二次函數(shù)擬合計算得到的采空區(qū)自燃“三帶”范圍與現(xiàn)場實測的采空區(qū)自燃“三帶”范圍基本相符?？梢?采用二次函數(shù)對實測O2體積分數(shù)分布數(shù)據進行精確擬合,能夠較好地反映采空區(qū)兩回采巷道O2體積分數(shù)分布規(guī)律。

表3 二次函數(shù)計算自燃“三帶”范圍

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型建立

選用Fluent軟件對采空區(qū)內氣體流動規(guī)律進行數(shù)值模擬,以永智煤礦5101綜采工作面與采空區(qū)實際尺寸為基礎進行建模選取工作面、進風巷與采空區(qū)的交點作為坐標原點,沿工作面傾向為X軸,工作面長度為224.85 m,采空區(qū)深度方向為Y軸,采空區(qū)深度為300 m,向上為Z軸,模擬上覆巖層25 m工作面進風巷和回風巷斷面積分別為17.5 m2、16.8 m2.

模型被劃分為2 400 000個網格,將進風口定義為速度入口(velocity-inlet),回風口定義為自由流出口(outflow),工作面運輸巷、工作面、采空區(qū)、工作面回風巷均定義為三維空間多孔介質區(qū)域。進風巷設置為速度入口,選擇組分運輸模型,混合物選擇methane-air并選擇能量方程,采空區(qū)中設置為多孔介質,孔隙率和粘性阻力系數(shù)為UDF函數(shù),導入到FLUENT中求解運算[14]。

3.2 流速劃分下采空區(qū)自燃氧化帶

U型通風下工作面風速分布如圖5所示。由圖5可得,供風風流在流經工作面時,仍保持著較高的流速,但在進回風隅角,由于風流變向和漏風的影響,風速略有減小。

圖5 U型通風工作面及采空區(qū)風速分布

為了進一步分析采空區(qū)自燃氧化帶的位置,根據0.004 m/s(0.24 m/min)和0.001 m/s(0.1 m/min)對采空區(qū)的“三帶”進行劃分[15]。圖6是以漏風風速為指標劃分的自燃氧化帶的分布范圍。由圖6可得,采空區(qū)自燃氧化帶分布在采空區(qū)后方20 ～70 m范圍內。由于采空區(qū)兩巷與中部滲流環(huán)境的差異性,兩巷附近的漏風流速等值線較中部更加深入,氧化深度更大。在進風側,0.004 m/s的等值線可深入到采空區(qū)走向70 m左右位置。

圖6 采空區(qū)的氧化帶分布(風速劃分)

3.3 O2體積分數(shù)劃分下采空區(qū)自燃氧化帶

分別提取采空區(qū)中間及進回“兩道”測點O2體積分數(shù)進行分析,如圖7所示。進風側在進入采空區(qū)20 m左右后,O2體積分數(shù)下降至18%,在70 m左右位置,氧氣濃度為8%;回風側的O2體積分數(shù)在進入采空區(qū)后便急速下降,當深入采空區(qū)10 m左右位置時,O2體積分數(shù)為18%;在35 m左右位置時,O2體積分數(shù)為8%.采空區(qū)的O2體積分數(shù)分布具有不均勻性,進風側的采空區(qū)O2體積分數(shù)明顯高于回風側。

圖7 采空區(qū)O2體積分數(shù)分布

圖8表示進、回風側及采空區(qū)中部O2體積分數(shù)變化規(guī)律,分別以O2體積分數(shù)18%、8%為界劃分“三帶”,根據圖8分析可得,氧化帶由采空區(qū)進風側向采空區(qū)回風側延伸時,寬度逐漸減小,回風側氧化帶寬度與采空區(qū)中部及進風側相比較窄,在進風巷一側氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區(qū)中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風巷一側氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m.

圖8 進風側、回風側及采空區(qū)中部O2體積分數(shù)變化規(guī)律

4 工作面最小安全推進度

采空區(qū)遺煤要自燃,不僅需要具備一定厚度的遺煤,還需要維持該區(qū)域的O2條件不變的時間足夠長,即維持時間t必須達到:

t>tmin

(2)

式中:tmin為煤的最短發(fā)火期,d.

理論研究和生產實踐表明,加快工作面推進速度是預防采空區(qū)自然發(fā)火的有效技術措施。根據工作面的具體開采狀況,設采空區(qū)自燃氧化帶最大深度為Lmax,則設計推進速度v應滿足下式:

(3)

因此,工作面最小推進速度為[16]:

(4)

式中:t為采空區(qū)遺煤氧化時間,d;Lmax為采空區(qū)自燃氧化帶最大寬度,m;v為工作面推進速度,m/d;tmin為煤的最短發(fā)火期,d.

永智煤礦5-1號煤層采空區(qū)最短發(fā)火期為33 d,自燃氧化帶最大寬度為進風巷側48.6 m.將相關參數(shù)代入式(4)中,計算得到5101綜采工作面最小推進速度為1.47 m/d.采空區(qū)自燃“三帶”測定期間,5101工作面平均推進速度為4.4 m/d,遠大于發(fā)生自燃的極限推進速度1.47 m/d.因此,按照當前的推進速度,5101工作面采空區(qū)出現(xiàn)自然發(fā)火危險的概率較低。

5 結 語

1) 現(xiàn)場實測表明,進風巷側采空區(qū)散熱帶范圍為0～19.6 m,氧化帶為19.6～68.2 m,窒息帶在68.2 m之后?；仫L巷側采空區(qū)側散熱帶范圍為0～10.3 m,氧化帶為10.3～36.3 m,窒息帶在36.3 m之后;二次函數(shù)可對O2體積分數(shù)與采空區(qū)深度進行較好的擬合,以反映采空區(qū)兩回采巷道O2體積分數(shù)分布規(guī)律。

2) 利用Fluent軟件進行模擬,以漏風風速為指標,氧化帶范圍為20 ～70 m;以O2體積分數(shù)為指標,進風巷一側氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區(qū)中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風巷一側氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m,進風側的采空區(qū)氧化體積分數(shù)明顯高于回風側,數(shù)值模擬結果和現(xiàn)場實測結果大致相同。

3) 依據所劃分的“三帶”范圍,計算出5101工作面發(fā)生自燃的極限推進速度為1.47 m/d,按照永智煤礦當前工作面推進速度,出現(xiàn)自然發(fā)火危險的概率較低,該結論為永智煤礦防滅火工作提供了科學指導。