劉常玉

(西山煤電集團(tuán)公司 教育中心，山西 太原 030053)

工作面推進(jìn)速度與采空區(qū)自然發(fā)火密切相關(guān)，直接影響其嚴(yán)重程度[1]. 目前，多數(shù)學(xué)者將采空區(qū)內(nèi)氧化升溫帶的寬度與煤最短自然發(fā)火期的比值作為預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的工作面最小安全推進(jìn)速度[2]. 這樣所確定的最小安全推進(jìn)速度往往會(huì)偏小，難以準(zhǔn)確指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工作。其主要有兩個(gè)原因：1) 實(shí)驗(yàn)室條件下得到的煤樣最短發(fā)火期常常與實(shí)際采空區(qū)發(fā)火情況不符。2) 采空區(qū)內(nèi)氧濃度與溫度分布的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試很困難，造成氧化升溫帶的寬度難以準(zhǔn)確確定。本文提出了煤自燃臨界溫度[3]與采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬[4]相結(jié)合的綜采面最小安全推進(jìn)速度判定方法，其核心思想就是在移動(dòng)坐標(biāo)下確定一個(gè)推進(jìn)速度，使得采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖的溫度始終處于煤自燃臨界溫度之下，以避免煤氧化放熱反應(yīng)進(jìn)入到自加速階段，從而達(dá)到預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的目的。

1 煤自燃臨界溫度

煤自燃臨界溫度是煤自燃過程中第一個(gè)引起煤氧復(fù)合反應(yīng)自加速的溫度點(diǎn)。當(dāng)煤溫超過該溫度時(shí)，煤的耗氧速率會(huì)顯著增大，故可以通過耗氧速率隨溫度升高的變化趨勢(shì)來判定自燃臨界溫度。而煤的耗氧速率一般可以通過煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)得到。

實(shí)驗(yàn)煤樣采集于某礦31005采煤工作面的新暴露煤壁，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)密封，運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室。將煤樣破碎后，篩分得到5種不同粒度的試樣，具體參數(shù)見表1. 實(shí)驗(yàn)開始前，通過質(zhì)量流量計(jì)將煤樣罐的進(jìn)氣量控制在80 mL/min，并測(cè)得進(jìn)氣口處的氧濃度。開始實(shí)驗(yàn)時(shí)，先將試樣裝入煤樣罐，然后采用漸續(xù)升溫法升高煤溫，即先以1.3 ℃/min的速度將煤溫升高15 ℃，再保持溫度恒定20 min，在溫度恒定期間使用色譜儀測(cè)試煤樣罐出口的氧氣濃度，然后繼續(xù)升溫，重復(fù)這個(gè)過程直至煤溫達(dá)到190 ℃.根據(jù)式(1)計(jì)算出不同溫度下各煤樣的標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率v0(T)，見圖1.

表1 各個(gè)試樣實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

不同溫度下單位體積的煤樣在新鮮空氣中的標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率[5]為：

(1)

式中：

v0(T)—標(biāo)準(zhǔn)耗氧速率，mol/(cm3·s)；

C1、C2—分別為煤樣罐進(jìn)、出口氧濃度，%；

C0—新鮮風(fēng)流中的氧濃度，取21%；

Q—氧化罐進(jìn)氣量，cm3/min；

S—煤樣罐斷面積，cm2；

L—裝煤高度，cm；

n—煤樣的孔隙率，%.

圖1 各粒度耗氧速率隨溫度變化曲線圖

從圖1可以看出，各煤樣的耗氧速率變化曲線均出現(xiàn)了兩個(gè)拐點(diǎn)，分別為70 ℃和130 ℃.根據(jù)前述定義，70 ℃為31005工作面煤樣的第一特征溫度，即自燃臨界溫度；130 ℃則是第二特征溫度，也稱為乙烯乙炔產(chǎn)生溫度。t≥ 70 ℃時(shí)，煤氧復(fù)合反應(yīng)進(jìn)入自加速階段，耗氧速率顯著增大，CO、CO2的生成量快速增加；t≥130 ℃時(shí)，煤氧反應(yīng)進(jìn)入劇烈氧化放熱階段，耗氧速率急劇增大，生成大量乙烯、乙炔氣體。

2 采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型及求解

采空區(qū)自然發(fā)火是采空區(qū)內(nèi)的氣體滲流場(chǎng)、氧氣濃度、氣體溫度場(chǎng)以及冒落煤巖固體溫度場(chǎng)等相互耦合[5]作用的結(jié)果。因此，建立多場(chǎng)耦合的采空區(qū)自然發(fā)火模型：

1) 漏風(fēng)流場(chǎng)方程：

(2)

2) 氧濃度場(chǎng)方程：

(3)

3) 移動(dòng)坐標(biāo)下的冒落煤巖固體溫度場(chǎng)方程：

(4)

4) 冒落煤巖孔隙間氣體溫度方程：

(5)

式中：

vx、vy—沿x、y軸方向的氣體滲流速度，m/s；

ρg—空氣密度，kg/m3；

p—靜壓、速壓之和，Pa；

α—煤層的傾角，(°)；

K—滲透系數(shù)，m/s，采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖可以看成連續(xù)的非均質(zhì)各向同性的多孔介質(zhì)，對(duì)于其中某一點(diǎn)來說，空氣在x、y方向上的滲透性相同；

c—氧氣的摩爾濃度，mol/m3；

do2—氧氣在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；

n—冒落煤巖的孔隙率，%；

u(t)—遺煤耗氧速率，mol/(s·m3)，通過煤樣的升溫氧化實(shí)驗(yàn)可以計(jì)算得出u(t)與t的函數(shù)關(guān)系式；

λs—冒落煤巖固體顆粒的導(dǎo)熱系數(shù)，J/(m·s·K)；

ts—固體顆粒的溫度，K；

tg—冒落煤巖孔隙中的氣體溫度，K；

Ke—固體顆粒和氣體的對(duì)流換熱系數(shù)，J/(m2·s·K)；

Sn—單元體的比表面積，m2/kg；

ρs—固體顆粒的密度，kg/m3；

Cs—固體顆粒的比熱容，J/(kg·K)；

v1—工作面推進(jìn)速度，m/s；

q(t)—單位體積、單位時(shí)間固體顆粒的放熱量，J/(mol·s)，其值為溫度t時(shí)的煤對(duì)氧的化學(xué)吸附熱以及生成CO、CO2等氣體的反應(yīng)放熱之和；

λg—孔隙中的氣體的導(dǎo)熱系數(shù)，J/(m·s·K)；

Cg—?dú)怏w的比熱，J/(kg·K).

3 解算結(jié)果及分析

3.1 解算結(jié)果

以該礦31005綜采面采空區(qū)為例進(jìn)行采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)值模擬。采空區(qū)走向長(zhǎng)度為300 m，工作面長(zhǎng)度為190 m，傾角為5°. 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到進(jìn)風(fēng)溫度為20.5 ℃，工作面正常供風(fēng)量約660 m3/min、兩端壓差約為33.8 Pa，遺煤均厚為1.2 m，原始煤層溫度為23.1 ℃. 數(shù)值模擬設(shè)定的推進(jìn)速度分別為1.2 m/d、2.4 m/d、3.6 m/d、4.2 m/d、4.8 m/d、5.4 m/d和6.0 m/d. 數(shù)值模擬結(jié)果見圖2，圖3.

圖2 采空區(qū)內(nèi)各場(chǎng)分布圖(v1=3.6 m/d)

圖3 不同推進(jìn)度下的采空區(qū)冒落煤巖溫度場(chǎng)分布圖

圖2與圖3中，工作面長(zhǎng)度方向上0～190 m的區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)，其它區(qū)域均為保護(hù)煤柱?？梢钥闯?，正常供風(fēng)下，加快推進(jìn)速度能減小采空區(qū)高溫區(qū)域面積、降低各處溫度值，從而在很大程度上降低采空區(qū)自然發(fā)火危險(xiǎn)。圖3中正常推進(jìn)速度(3.6 m/d)時(shí)的高溫區(qū)域面積是過斷層推進(jìn)(1.2 m/d)時(shí)的2/3，其最高溫度也只有過斷層時(shí)的1/2；在推進(jìn)速度達(dá)到一定值后(2.4 m/d)，高溫區(qū)域面積基本保持不變，但各處的溫度值仍會(huì)隨推進(jìn)速度的增大而減小。

3.2 最小安全推進(jìn)速度的確定

在解算得到的溫度數(shù)據(jù)中篩選出不同推進(jìn)速度下的采空區(qū)最高溫度值，見圖4.

圖4 不同推進(jìn)速度下采空區(qū)內(nèi)最高溫度值圖

對(duì)圖4中的推進(jìn)速度及其所對(duì)應(yīng)的采空區(qū)最高溫度進(jìn)行擬合，得到式(6)：

v1=212.21t-0.786 4

(6)

式中：

v1—工作面推進(jìn)速度，m/d；

t—采空區(qū)內(nèi)冒落煤巖的最高溫度，℃.

實(shí)驗(yàn)得出的煤樣自燃臨界溫度為70 ℃，代入式(6)得到對(duì)應(yīng)的推進(jìn)速度為4.1 m/d. 該礦割一刀煤的深度為0.6 m，相應(yīng)的刀數(shù)約為7刀，故31005工作面的最小安全推進(jìn)速度初步確定為7刀/天。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

31005綜采面開采初期推進(jìn)速度很快，每天割煤約10刀，上隅角CO濃度正常；在推進(jìn)200 m后，遇到大斷層，推進(jìn)速度減慢，開始時(shí)每天能割煤4～5刀，此時(shí)上隅角CO濃度持續(xù)緩慢上升，表明采空區(qū)內(nèi)遺煤的氧化放熱反應(yīng)速率已經(jīng)加快；當(dāng)推進(jìn)速度降低至每天1～2刀時(shí)，上隅角的CO濃度開始急劇上升，說明此時(shí)的煤氧反應(yīng)可能進(jìn)入劇烈氧化放熱階段，這將會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)溫度急劇上升，如不采取有效的防治措施，最終將會(huì)發(fā)展成為自燃火災(zāi)，故以1 m/d作為最小防火推進(jìn)速度顯然是不合理的。整個(gè)推進(jìn)過程表明，在不采取任何防火措施以及正常供風(fēng)量的情況下，以7刀/天作為該工作面的最小安全推進(jìn)速度是準(zhǔn)確可靠的。

5 總 結(jié)

1) 通過煤升溫氧化實(shí)驗(yàn)得到了煤樣的自燃臨界溫度，并建立了移動(dòng)坐標(biāo)下的采空區(qū)自然發(fā)火數(shù)學(xué)模型。

2) 回歸得到工作面推進(jìn)速度與采空區(qū)最高溫度近似服從冪函數(shù)關(guān)系；由自燃臨界溫度值確定了該礦31005綜采面正常供風(fēng)條件下的最小安全推進(jìn)度為7刀/天，理論分析與現(xiàn)場(chǎng)推進(jìn)過程表明該最小安全推進(jìn)速度合理可靠。

3) 以上研究表明，煤自燃臨界溫度與數(shù)值模擬相結(jié)合的綜采面最小安全推進(jìn)速度判定方法具有較高的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值，對(duì)預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火具有重要的理論和實(shí)際意義。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 鄧 軍, 孫戰(zhàn)勇. 綜放面自燃危險(xiǎn)區(qū)域及最小安全推進(jìn)速度的確定[J]. 西安科技學(xué)院學(xué)報(bào), 2002, 22(2): 119-122.

[2] 仲曉星, 王德明. 基于程序升溫的煤自燃臨界溫度測(cè)試方法[J]. 煤炭學(xué)報(bào),2010,35(S): 128-131.

[3] 王月紅. 移動(dòng)坐標(biāo)下采空區(qū)自然發(fā)火的有限體積法模擬研究[D]. 北京: 中國(guó)礦業(yè)大學(xué), 2009.

[4] 秦躍平, 宋宜猛, 楊小彬，等. 粒度對(duì)采空區(qū)遺煤氧化速率影響的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 煤炭學(xué)報(bào), 2010, 35(增刊): 132-135.

[5] 張 春, 題正義, 李宗翔.采空區(qū)加荷應(yīng)力場(chǎng)及多場(chǎng)耦合研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2012, 29(3):50-58.