周 健

(大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003)

★ 煤礦安全 ★

工作面推進速度對采空區(qū)自然發(fā)火影響研究

周 健

(大同煤礦集團有限責任公司同大科技研究院，山西省大同市，037003)

工作面推進速度直接影響采空區(qū)自然發(fā)火的嚴重程度。為了準確定量確定采空區(qū)自然發(fā)火防治措施技術參數(shù)，以同忻礦8101工作面為例，利用數(shù)值模擬軟件分別計算當推進速度為1.2 m/d、1.4 m/d、1.6 m/d、2.4 m/d、4 m/d、5.6 m/d和8 m/d時采空區(qū)內(nèi)氣體和冒落矸石溫度場的時空分布情況，確定了工作面最小推進速度，以指導現(xiàn)場安全生產(chǎn)。

工作面推進速度 采空區(qū)自然發(fā)火 數(shù)值模擬

工作面推進速度直接影響采空區(qū)自然發(fā)火的嚴重程度。提高推進速度，可以讓處于升溫狀態(tài)的遺煤較快地進入到采空區(qū)窒息帶，減小采空區(qū)遺煤的自燃危險。研究表明，工作面推進速度存在一個最小值，只要持續(xù)大于該工作面推進速度值，就能有效預防采空區(qū)遺煤的自燃火災。

1 工程概況

同忻礦主要可采煤層為石炭系太原組3#～5#煤層和8#煤層，均為容易自燃煤層，初、后期井田開拓方式均為斜、立混合開拓，采用放頂煤開采方法。同忻礦首采工作面為8101工作面，工作面長199.5 m，平均采高3.8 m，平均放頂煤高度13.0 m。8101工作面在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)過自燃現(xiàn)象，為提高防滅火技術水平，深化本質(zhì)安全型礦井創(chuàng)建，結(jié)合同忻礦自身實際情況，研究了采空區(qū)自然發(fā)火與工作面推進速度的定量關系。

2 工作面推進速度對采空區(qū)自然發(fā)火影響的數(shù)值模擬

根據(jù)8101工作面開采實際，為了準確定量確定采空區(qū)自然發(fā)火防治措施技術參數(shù)，進行了工作面推進速度對采空區(qū)自然發(fā)火影響的數(shù)值模擬研究。8101工作面基本計算參數(shù)如下：采空區(qū)寬度210 m，傾角0°，采空區(qū)的遺煤平均厚度為1.3 m，工作面通風阻力為120 Pa，采空區(qū)的計算深度取300 m。冒落巖石原始溫度為23.1℃，工作面的進風溫度為22.5℃，煤的平均比熱為1150 J/(kg·℃)，煤的密度為1400 kg/m3。

按照上述的參數(shù)輸入，把工作面推進速度設為4 m/d，以工作面的進風口作為坐標原點，沿采空區(qū)深度為x方向，工作面推進方向為y方向，計算得到氣體和冒落矸石溫度場、氧濃度場、壓力場的分布如圖1所示。

圖1 工作面推進速度為4 m/d采空區(qū)內(nèi)各參數(shù)變化情況

從圖1可以看出，在不采取注氮等防滅火措施情況下，工作面推進速度為4 m/d時，采空區(qū)內(nèi)部最高溫度在52oC以上，高溫區(qū)域的位置位于進風側(cè)，距離工作面100 m左右。工作面推進速度直接影響采空區(qū)內(nèi)部溫度的累積(蓄熱)，相對而言，推進速度越快，采空區(qū)自然發(fā)火幾率越小。

模擬結(jié)果表明：工作面不同推進速度對采空區(qū)氧濃度場和氣體壓力場的分布影響較小，采空區(qū)的進風口氧濃度最高，隨著向采空區(qū)深部的延深，氧氣濃度逐漸降低，當?shù)竭_一定深度時采空區(qū)的氧氣濃度趨近于零；隨著y軸方向氧濃度逐步降低，變化速率明顯低于氧濃度沿著x軸方向的變化。將推進速度分別設置為1.2 m/d、1.4 m/d、1.6 m/d、2.4 m/d、5.6 m/d和8 m/d，利用數(shù)值模擬軟件分別計算采空區(qū)內(nèi)氣體溫度場和冒落矸石溫度場的時空分布情況，本文只列出推進速度為1.2 m/d、5.6 m/d和8 m/d時的采空區(qū)內(nèi)氣體溫度場和冒落矸石溫度場的時空分布情況，如圖2所示。

由圖2可見，在其他條件相同時，工作面推進速度直接影響采空區(qū)高溫點的位置和溫度值，隨著工作推進速度的加快，采空區(qū)最高溫度降低，這是因為推進速度加快，使得遺煤在氧化升溫帶的時間縮短，采空區(qū)遺煤還沒有充分氧化就進入了窒息區(qū)，氧氣濃度下降，氧化強度逐漸減弱直至停止。在移動坐標下，采空區(qū)的冒落矸石向后移動的速度等于工作面的推進速度。工作面的推進速度越大，則采空區(qū)的冒落矸石向后移動的速度也越大，越易將氧化放熱帶走，使采空區(qū)的溫度不易上升。

3 最小推進速度的確定

為了研究采空區(qū)最高溫度及其位置與工作面推進速度之間的關系，從不同推進速度下的模擬結(jié)果中選出最高溫度點，如表1所示。

由表1可見，采煤工作面推進速度越小，最高溫度點越靠近工作面的進風側(cè)。其原因是進風側(cè)風流的氧氣濃度總是大于回風側(cè)，而且推進速度越小，則采空區(qū)溫度越高，氧化速度越快，氧氣濃度沿流動方向衰減越快，進、回風側(cè)氧氣濃度差異越大，氧化放熱量差異也越大，這就使得進風側(cè)更易氧化升溫，最高溫度點越靠近進風側(cè)。

圖2 工作面推進速度對氣體和冒落矸石溫度場分布的影響

工作面推進速度與采空區(qū)溫度最高點距離工作面距離關系如圖3所示。由圖3可見，隨著工作面推進速度的增大，采空區(qū)最高溫度區(qū)域的深度也逐漸加深，即隨著工作面推進速度的加快，采空區(qū)出現(xiàn)最高溫度的位置距離工作面越遠，采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的可能性越小。

工作面推進速度與采空區(qū)溫度最高值之間的關系如圖4所示。由圖4可見，采空區(qū)最高溫度隨著工作面推進速度的加快逐步下降，開始推進速度對采空區(qū)最高溫度影響較大，溫度下降速度較快；當推進速度達到一定值后，采空區(qū)最高溫度隨著推進速度的加快變化趨于穩(wěn)定。

綜上所述，工作面的推進速度對采空區(qū)自然發(fā)火影響較大，當推進速度越慢，采空區(qū)內(nèi)部高溫區(qū)越靠近工作面，溫度值也越高。如果超過了臨界溫度就會發(fā)生火災。比如上述分析的推進速度為1.6 m/d時，采空區(qū)內(nèi)部高溫區(qū)出現(xiàn)在距離工作面161 m處，最高溫度達到152.5℃，說明該推進速度必然會引起自燃。因此，適當?shù)募涌焱七M速度，可以降低采空區(qū)內(nèi)部的最高溫度，同時，還可以將高溫點的位置拋到采空區(qū)深部，從而保證采煤工作面的安全生產(chǎn)。因此，為了防止采空區(qū)自燃和保證工作面的安全生產(chǎn)，在沒有注氮的條件下，8101工作面的推進速度不小于4 m/d，如遇特殊情況應采取相應的預防自燃措施。

表1 不同推進速度下采空區(qū)內(nèi)最高溫度位置表

圖3 工作面推進速度與采空區(qū)最高溫度點距離工作面距離關系圖

圖4 工作面推進速度與采空區(qū)最高溫度關系圖

4 結(jié)論

(1)在其他條件相同時，工作面推進速度直接影響采空區(qū)高溫點的位置和溫度值，當推進速度越慢，采空區(qū)內(nèi)部高溫區(qū)越靠近工作面，溫度值也越高。

(2)適當?shù)募涌焱七M速度，可以降低采空區(qū)內(nèi)部的最高溫度，同時，還可以將高溫點的位置拋到采空區(qū)深部，從而保證采煤工作面的安全生產(chǎn)。

(3)為了防止采空區(qū)自燃和保證工作面的安全生產(chǎn)，在沒有注氮的條件下，8101工作面的推進速度須不小于4 m/d，如遇特殊情況應采取相應的預防自燃措施。

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Studyontheinfluenceofworkfaceadvancingspeedonspontaneouscombustioninthegob

Zhou Jian

(Tongda Technical Research Institute, Datong Coal Mine Group Co., Ltd., Datong, Shanxi 037003, China)

The work face advancing speed directly affects the severity of spontaneous combustion in the gob. In order to quantitatively determine the technical parameters of spontaneous combustion control measures in the gob, taking the 8101 work face of Tongxin Mine as example, the numerical simulation software was used to calculate the temperature field distribution of gas and caved gangue in the gob when the advancing speed was 1.2 m/d, 1.4 m/d, 1.6 m/d, 2.4 m/d, 4 m/d, 5.6 m/d and 8 m/d respectively, the minimum advancing speed was determined and the in-situ safety production was instructed.

work face advancing speed, gob spontaneous combustion, numerical simulation

周健. 工作面推進速度對采空區(qū)自然發(fā)火影響研究[J].中國煤炭，2017,43(10)：115-118.

Zhou Jian. Study on the influence of work face advancing speed on spontaneous combustion in the gob [J]. China Coal, 2017，43(10):115-118.

TD752

A

周健(1986-)，女，山西陽泉人，工程師，從事煤礦安全技術工作。

(責任編輯 張艷華)