張九零, 白 陽, 范酒源, 李江濤, 陳建廣

(1.華北理工大學(xué)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,河北 唐山 063210;2.河北省礦山開發(fā)與安全技術(shù)重點實驗室,河北 唐山 063210)

0 引言

深部煤層工作面采空區(qū)與鄰近采空區(qū)間的隔離煤柱在高應(yīng)力以及復(fù)雜的地質(zhì)條件影響下被壓裂,在煤柱兩側(cè)壓差的作用下形成漏風(fēng)通道,導(dǎo)致煤柱及遺煤發(fā)生自燃[1]。因此,研究深部鄰近采空區(qū)漏風(fēng)對煤炭自燃規(guī)律的影響,可為深部采空區(qū)煤自然發(fā)火治理提供理論指導(dǎo)。

近年來,國內(nèi)外眾多學(xué)者通過理論分析、實驗研究結(jié)合數(shù)值模擬等手段對漏風(fēng)條件下煤的自燃規(guī)律進(jìn)行研究,其成果促進(jìn)采空區(qū)火災(zāi)防治領(lǐng)域的快速發(fā)展[2]。Zhang等[3]發(fā)現(xiàn),風(fēng)流攜帶氧氣進(jìn)入采空區(qū)會加快遺煤氧化自燃進(jìn)程;趙文彬等[4]得出工作面漏風(fēng)增大采空區(qū)自然發(fā)火風(fēng)險;劉昆輪等[5]通過工程現(xiàn)場實測發(fā)現(xiàn)進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量與工作面漏風(fēng)呈正相關(guān),加大遺煤與氧氣的接觸面積,采空區(qū)煤自燃危險性增加;邢震[6]用數(shù)值模擬與現(xiàn)場實測相結(jié)合的方法得出漏風(fēng)造成采空區(qū)自燃帶寬度增加且向深部運移;黃帆等[7]發(fā)現(xiàn)在實際漏風(fēng)條件下,風(fēng)流通過漏風(fēng)通道進(jìn)入采空區(qū),氧化帶分布范圍與漏風(fēng)量成正比。

上述研究表明,采空區(qū)漏風(fēng)與遺煤自燃存在著直接關(guān)聯(lián)。但對于深部鄰近采空區(qū)多漏風(fēng)通道條件下遺煤自燃規(guī)律的研究相對較少,為明確其自燃的分布規(guī)律,以唐山礦0291綜放工作面為工程背景,采用數(shù)值模擬與工程現(xiàn)場實測相結(jié)合的方式判定鄰近采空區(qū)多漏風(fēng)通道條件下采空區(qū)的自燃危險區(qū)域,研究成果可為深部開采礦井鄰近采空區(qū)漏風(fēng)條件下遺煤自燃災(zāi)害防治提供現(xiàn)場指導(dǎo)。

1 工程背景

開灤集團(tuán)唐山礦0291綜放工作面開采位于南五采區(qū),工作面為8、9煤層分合區(qū),煤層為自燃傾向煤層,自然發(fā)火期8—12個月;9煤層上覆5煤層為0250、0251已回采工作面,2煤層間距40～60m,頂板受0291工作面采動影響會產(chǎn)生大量裂隙并與上覆0250、0251采空區(qū)聯(lián)通,形成多條漏風(fēng)通道,使0291工作面采空區(qū)存在遺煤自燃的危險。0291工作面工程現(xiàn)場實測地點,如圖1;煤層賦存地質(zhì)分布,見表1。

表1 煤層賦存地質(zhì)情況

圖1 工程現(xiàn)場實測地點

2 自燃“三帶”數(shù)值模擬

以唐山礦0291工作面為工程背景構(gòu)建多漏風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”物理模型,通過FLUENT軟件模擬深部鄰近采空區(qū)多漏風(fēng)條件下自燃“三帶”的分布規(guī)律。

2.1 物理模型

以回風(fēng)巷與工作面的交界點為坐標(biāo)原點,采空區(qū)走向方向為X軸,工作面傾向方向為Y軸,采空區(qū)豎直方向為Z軸,建立深部鄰近采空區(qū)漏風(fēng)條件下的采空區(qū)物理模型。物理模型尺寸如下:采空區(qū)傾向、走向長分別為142與280m,高度為50m,工作面寬、高均為4m,進(jìn)、回風(fēng)巷斷面尺寸為3m×4m。0291工作面上覆0250、0251工作面采空區(qū),隨0291工作面推進(jìn),0291工作面采空區(qū)與0250、0251工作面鄰近采空區(qū)連通,導(dǎo)致形成多條漏風(fēng)通道,增加了0291工作面采空區(qū)遺煤氧化自燃的潛在危險。當(dāng)工作面推進(jìn)至132m時,0291工作面采空區(qū)上覆0250工作面采空區(qū),其相鄰區(qū)域存在2條漏風(fēng)通道;推進(jìn)至165m時,0291工作面采空區(qū)與0250工作面采空區(qū)接觸面積增大,導(dǎo)致原有漏風(fēng)通道增大,并與回風(fēng)巷側(cè)尾巷接口處存在漏風(fēng);推進(jìn)至280m時,0291工作面采空區(qū)同時上覆0250、0251工作面采空區(qū),與0250、0251工作面采空區(qū)相鄰區(qū)域共存在5條漏風(fēng)通道,回風(fēng)側(cè)尾巷接口處漏風(fēng)通道依然存在。因此,模擬4種漏風(fēng)條件下的采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布規(guī)律,0291工作面推進(jìn)至280m時的物理模型,如圖2。

圖2 物理模型

2.2 數(shù)學(xué)模型

模擬深部鄰近采空區(qū)多漏風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律的數(shù)學(xué)模型,如式(1)-(3)。

質(zhì)量守恒方程:

(1)

式中:

t—氣體流動時間,s;

i—矢量方向;

xi—i方向采空區(qū)的距離分量,m;

ρf—混合氣體密度,kg/m3;

ui—i方向上采空區(qū)的平均速度分量,m/s;

sm—采空區(qū)內(nèi)氣體質(zhì)量增加量,kg/(m3·s)。

動量守恒方程:

(2)

式中:

uj—j方向上采空區(qū)的平均速度分量,m/s;

j—矢量方向;

p—氣體微元上的壓強,Pa;

μ—氣體動力黏度,Pa·s;

xj—j方向采空區(qū)的距離分量,m;

g—重力加速度,9.18m/s2;

si—i方向上氣體在采空區(qū)多孔介質(zhì)運移過程中附加的動量損失源項,N/m3。

si的計算如式(3)。

si=-(μ/k)ui

(3)

式中:

k—滲透率,m2。

組分輸運方程:

(4)

式中:

Yn—采空區(qū)混合氣體中組分n的質(zhì)量分?jǐn)?shù),%;

Rn—采空區(qū)混合氣體中組分n的化學(xué)反應(yīng)生成量,kg/(m3·s);

Sn—采空區(qū)混合氣體中組分n的源相,kg/(m3·s)。

(5)

式中:

Dn—組分n的質(zhì)量擴(kuò)散系數(shù),m2/s;

ΔYn—采空區(qū)混合氣體中組分n的質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化量,%。

2.3 邊界條件設(shè)定

邊界條件設(shè)定如下。

入口條件:進(jìn)風(fēng)巷入口處設(shè)置為速度入口條件,進(jìn)風(fēng)風(fēng)速為2m/s;混合氣體的組分設(shè)為氧氣和氮氣,其中,氧氣濃度為21%。

出口條件:回風(fēng)巷出風(fēng)口設(shè)為自由出口。

界面條件:區(qū)域之間交界面設(shè)為內(nèi)界面,壁面邊界設(shè)為無滑移靜態(tài)壁面。

采空區(qū)設(shè)置:將采空區(qū)設(shè)置為多孔介質(zhì)區(qū)域,黏性阻力系數(shù)、冒落帶和裂隙帶的孔隙率和滲透率、采空區(qū)的耗氧速率等參數(shù)根據(jù)相關(guān)公式編寫對應(yīng)的UDF函數(shù)。

漏風(fēng)通道設(shè)置:漏風(fēng)通道風(fēng)速通過實測為0.1m/s,設(shè)定寬度為0.8m,長度根據(jù)0291工作面采空區(qū)與鄰近采空區(qū)的相對位置確定。

2.4 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.4.1 工作面隅角存在漏風(fēng)條件下采空區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

0291工作面推進(jìn)至76m時,工作面上下隅角處存在漏風(fēng),在漏風(fēng)的影響下,采空區(qū)氧氣濃度場分布,如圖3。

圖3 工作面采空區(qū)隅角存在漏風(fēng)時氧氣濃度場分布

由圖3可知,由于工作面上下隅角存在漏風(fēng),風(fēng)流由下隅角進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部并提供充足氧氣,但受到采空區(qū)內(nèi)遺煤的耗氧和擴(kuò)散運移阻力的影響,氧氣濃度從進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)逐漸降低,在距離工作面同一距離,進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧氣濃度要大于回風(fēng)側(cè)氧氣濃度。沿采空區(qū)頂板方向氧氣濃度快速下降,原因在于氧氣的密度大于空氣密度,氧氣主要集中在采空區(qū)下部,從采空區(qū)底部向上擴(kuò)散的速率較慢,大于30m高度氧氣濃度小于8%。

工作面推進(jìn)至76m時進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度分布特征,如圖4。

圖4 工作面推進(jìn)至76m時進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度分布特征

由圖4可知,工作面推進(jìn)至76m,進(jìn)風(fēng)巷側(cè)距離工作面29.5m時氧氣濃度降至18%,29.5～64m范圍內(nèi)氧氣濃度下降至8%;回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度隨采空區(qū)深入而降低,距離工作面10.5m時氧氣濃度達(dá)到18%,距離工作面40m時降至8%。綜上所述,進(jìn)風(fēng)巷側(cè)的散熱帶、氧化帶寬度分別為29.5、34.5m,回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶、氧化帶寬度分別為10.5、29.5m,受工作面上下隅角漏風(fēng)影響,采空區(qū)回風(fēng)巷側(cè)的散熱帶、氧化帶寬度均小于進(jìn)風(fēng)巷側(cè)。

2.4.2 鄰近采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下采空區(qū)數(shù)值模擬結(jié)果與分析

隨0291工作面推進(jìn),其采空區(qū)與上覆的0250、0251工作面采空區(qū)相互連通,形成漏風(fēng)通道,漏風(fēng)條件隨工作面推進(jìn)而變化。此時0291工作面與上覆0250、0251工作面采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下采空區(qū)氧濃度場分布,如圖5-7。

圖5 工作面與上覆采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下推進(jìn)至132m時采空區(qū)氧氣濃度場

隨工作面不斷推進(jìn),采空區(qū)散熱帶和氧化帶向深部運移。因0291工作面在推進(jìn)過程中與上覆0250、0251工作面采空區(qū)連通并在采空區(qū)頂部形成多條漏風(fēng)通道,漏風(fēng)通道隨工作面推進(jìn)增加,受頂部漏風(fēng)通道影響,采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度大于8%范圍增大。由圖5可知,工作面推進(jìn)至132m,漏風(fēng)從頂部滲流到底板處,使回風(fēng)側(cè)氧氣濃度增大;由圖6可知,工作面推進(jìn)至165m,回風(fēng)側(cè)頂板處漏風(fēng)通道向采空區(qū)深處延伸,使采空區(qū)散熱帶寬度整體增大,進(jìn)風(fēng)側(cè)及中部氧化帶寬度增大。由于回風(fēng)側(cè)距工作面23m處存在尾巷接口漏風(fēng),漏風(fēng)處氧氣濃度經(jīng)實測大于18%,加大回風(fēng)側(cè)散熱帶寬度,使得回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度減小;由圖7可知,工作面推進(jìn)至280m,氧化帶寬度增加明顯,是因為工作面推進(jìn)導(dǎo)致采空區(qū)頂部漏風(fēng)通道增加。尾巷接口處存在漏風(fēng),所以在回風(fēng)巷側(cè)150m左右位置有一小塊區(qū)域氧氣濃度大于8%,采空區(qū)深部氧氣濃度極低,所以該漏風(fēng)通道不會影響采空區(qū)自燃危險區(qū)域。

圖6 工作面與上覆采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下推進(jìn)至165m時采空區(qū)氧氣濃度場

圖7 工作面與上覆采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下推進(jìn)至280m時采空區(qū)氧氣濃度場

受漏風(fēng)通道滲流影響,在漏風(fēng)通道附近出現(xiàn)小范圍氧氣濃度大于10%的區(qū)域,且漏風(fēng)通道下方采空區(qū)頂板方向上的氧氣濃度大幅提高。

工作面上覆0250、0251采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度變化情況,如圖8。

圖8 工作面與上覆采空區(qū)形成多條漏風(fēng)通道條件下進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度變化情況

由圖8(a)、(b)分析可知,采空區(qū)進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度隨采空區(qū)深入降低,工作面推進(jìn)至132m,進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)的氧氣濃度隨采空區(qū)深入由23%下降至2%;工作面推進(jìn)至165與280m,進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)的氧氣濃度由最初的23%逐漸降至0,因此隨0219工作面推進(jìn),進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度呈下降趨勢。采空區(qū)頂部出現(xiàn)多條漏風(fēng)通道時,進(jìn)風(fēng)巷側(cè)散熱帶寬度變化不大,氧化帶寬度由37增大至66m;回風(fēng)巷側(cè)散熱帶與氧化帶受頂部漏風(fēng)通道影響較大,分別由10.5、29.5m擴(kuò)大至32、48.2m。綜上所述,隨工作面推進(jìn),0291工作面采空區(qū)與上覆的0250、0251工作面采空區(qū)連通形成多條漏風(fēng)通道,且工作面采空區(qū)與上覆的0250、0251工作面采空區(qū)的接觸面積不斷增大,導(dǎo)致漏風(fēng)通道數(shù)量與漏風(fēng)量增加,受鄰近采空區(qū)間形成的漏風(fēng)通道影響,工作面采空區(qū)氧化帶范圍逐漸向采空區(qū)深部運移并逐漸變寬。

3 工程現(xiàn)場

3.1 現(xiàn)場測點布置方案

根據(jù)唐山礦0291工作面現(xiàn)場實際情況設(shè)計井下束管監(jiān)測,如圖9。一共敷設(shè)2路束管,1號束管自回風(fēng)巷向上隅角敷設(shè),2號束管自回風(fēng)巷沿工作面傾向方向敷設(shè);共布置2個監(jiān)測點,1號監(jiān)測點布置在上隅角位置,2號監(jiān)測點布置在距上隅角30m的工作面支架后部位置。

圖9 0291工作面測點示意圖

3.2 監(jiān)測結(jié)果分析

將采空區(qū)束管監(jiān)測氧氣濃度數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比,如圖10。

圖10 自燃“三帶”實測與數(shù)值模擬結(jié)果對比

隨著工作面的推進(jìn),1號和2號監(jiān)測點不斷被埋入采空區(qū),氧氣濃度逐漸降低,由圖10(a)可知,1號監(jiān)測點在工作面推進(jìn)26m時氧氣濃度降至18%,推進(jìn)至144.5m時氧氣濃度下降至8%。圖10(b)可知,2號監(jiān)測點在工作面推進(jìn)27m時氧氣濃度下降至18%,推進(jìn)至142.5m時氧氣濃度下降至8%。通過數(shù)值模擬獲得1、2號監(jiān)測點相同位置氧氣濃度降至18%時距工作面27、29m,氧氣濃度降至8%時分別距離工作面140、139m。對比可知,現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬值氧氣濃度相差小于5%,因此,數(shù)值模擬結(jié)果可以真實反映深部鄰近采空區(qū)不同漏風(fēng)條件下采空區(qū)自燃“三帶”的分布規(guī)律。

4 結(jié)論

(1)通過分析4種不同漏風(fēng)條件下采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律,得出:鄰近采空區(qū)漏風(fēng)會加大采空區(qū)散熱帶和氧化帶范圍;隨工作面推進(jìn),進(jìn)風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度大于8%的范圍分別為64、65、84、101m;回風(fēng)巷側(cè)氧氣濃度大于8%的范圍分別為40、62、59、80.2m。

(2)漏風(fēng)通道影響下,隨工作面推進(jìn)氧化帶范圍向采空區(qū)深部運移且變寬。僅上下隅角存在漏風(fēng)時,進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度為34.5與29.5m,進(jìn)風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度大于回風(fēng)側(cè)。隨工作面推進(jìn),采空區(qū)與其上覆的0250、0251鄰近采空區(qū)相連通并形成多條漏風(fēng)通道,其進(jìn)、回風(fēng)巷側(cè)氧化帶寬度由37、50m變化至66、48.2m。受漏風(fēng)通道滲流影響,采空區(qū)頂部漏風(fēng)通道顯著增大采空區(qū)頂板方向上氧氣濃度。

(3)現(xiàn)場實測0291工作面推進(jìn)至210m時,1號監(jiān)測點測得氧氣濃度為18%時距離工作面煤壁26m左右,2號監(jiān)測點測得氧氣濃度為18%時距離工作面煤壁27m左右。當(dāng)2號監(jiān)測點被埋入采空區(qū)142.5m時,所測氧氣濃度為8%,當(dāng)1號監(jiān)測點被埋入采空區(qū)144.5m時,所測氧氣濃度為8%。經(jīng)對比分析,現(xiàn)場監(jiān)測值與模擬值氧氣濃度誤差低于5%,為煤礦深部開采過程中采空區(qū)遺煤自燃防治提供科學(xué)依據(jù)與理論基礎(chǔ)。