白志鵬 常可可 趙文才

（1.山西潞安礦業(yè)（集團）有限公司通風處，山西 襄垣 046299；2.中國礦業(yè)大學（北京）應急管理與安全工程學院， 北京 100083）

高河礦煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，但其工作面范圍存在陷落柱、地質構造帶，造成特殊區(qū)域煤自燃特性的改變[1-2]。該礦W1310工作面采用Y 型通風，加之排放采空區(qū)瓦斯時新鮮風流補入，使得該工作面采空區(qū)存在自然發(fā)火的危險。因此，研究Y 型通風工作面采空區(qū)自燃三帶的分布規(guī)律對指導高河礦采空區(qū)自燃防治具有重要意義[3]。本文以高河礦W1310 工作面采空區(qū)為對象，運用數(shù)值模擬與現(xiàn)場檢測相結合的方式，研究Y 型通風條件下的采空區(qū)“自燃三帶”分布及運動規(guī)律。研究成果將對該礦提高防滅火效率、預防自然發(fā)火事故、保障工作面的安全生產(chǎn)提供理論支持[4]。

1 研究區(qū)域及模型參數(shù)

1.1 研究區(qū)域概況及模擬區(qū)域選擇

高河礦是隸屬于潞安集團的現(xiàn)代化高產(chǎn)高效礦，位于長治市以西約4km 處，行政區(qū)劃為長治縣所轄。其地理坐標為：東經(jīng)112°57′20″~113°06′15″，北緯 36°04′40″~36°15′57″。區(qū)內(nèi)交通極為便利，北通五針路，太（原）焦（作）鐵路、208 國道、長晉高速縱貫南北，距長晉高速入口僅 2km。所研究區(qū)域高河礦W1310 工作面北面為W1309 工作面，南面臨W1311 工作面，西面為礦井西邊界，東面為+450m 水平南翼大巷。W1310 工作面按兩進一回布置，即膠帶順槽（原W1309 工作面輔運順槽）、進風順槽進風，回風順槽回風。工作面地質條件復雜，日推進速度慢，工作面風量大，采空區(qū)漏風嚴重，在煤層開采過程中，容易受到煤層自然發(fā)火的威脅。工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 工作面巷道布置圖

1.2 模擬區(qū)域及參數(shù)確定

選取整個W1310 工作面采空區(qū)進行模擬，模擬過程中涉及的初始條件包括：碎漲系數(shù)、孔隙率。邊界條件包括：工作面進風順槽風量、回風壓力等。各參數(shù)的基本值如表1 所示。

表1 模擬參數(shù)基本值確定

2 采空區(qū)自燃“三帶”模擬分析

應用COMSOL 軟件對采空區(qū)進行模擬，采空區(qū)氧濃度分布如圖2 所示。模擬結果顯示：進風側進入采空區(qū)182m，氧氣濃度降至18%；繼續(xù)進入采空區(qū)至302m，氧氣濃度下降速度逐漸加快；深度到達302m 以后，氧氣濃度下降至8.0%以下。距回風順槽45m 處初始氧濃度20.07%，進入采空區(qū)83m 時，氧氣濃度降至18%，繼續(xù)進入采空區(qū)至160m，氧氣濃度加速下降，深度到達160m 以后，氧氣濃度降到8%以下。距回風順槽27m 處初始氧濃度20.30%，進入采空區(qū)60m 時，氧氣濃度降至18%以下，繼續(xù)進入采空區(qū)至130m，氧氣濃度加速下降，深度到達130m 以后，氧氣濃度降到8%以下。距回風順槽14m 處初始氧濃度20.55%，進入采空區(qū)45m 時，氧氣濃度降到18%以下，繼續(xù)進入采空區(qū)至87m，氧氣濃度加速下降，深度到達87m 以后，氧氣濃度降到8%以下。

以氧濃度18.0%與8.0%為采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的劃分標準[5]，采空區(qū)自燃“三帶”分布如表2 所示。

圖2 氧濃度分布圖

表2 高河礦W1310 工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布

3 驗證及應用

3.1 現(xiàn)場測定及驗證

為精確研究綜采面采空區(qū)氣體分布，按照數(shù)值模擬的位置在綜采工作面布置相對應4 個測點。測點進入采空區(qū)后，根據(jù)工作面推進情況，采樣周期為每兩天一次，采空區(qū)束管測點處各種氣體濃度隨工作面推進的變化規(guī)律，以氧氣含量8%～18%作為“氧化帶”對工作面采空區(qū)進行“三帶”劃分。本次測點在進回風側及工作面支架同一水平方向布置，對采空區(qū)氣體進行覆蓋式監(jiān)測，測點的布設示意圖如圖3 所示。

圖3 束管測點布設示意圖

根據(jù)工作面采空區(qū)氧氣體積分數(shù)實測結果，各測點的采空區(qū)氧體積分數(shù)變化曲線如圖4 所示。

從檢測結果可以得出，1#測點進入采空區(qū)169m，測點氧氣濃度降至18%；隨測點繼續(xù)進入采空區(qū)至297m，氧氣濃度在16.0%~18.0%之間波動；測點進入采空區(qū)291m 以后，氧氣濃度迅速下降至8.0%以下。2#測點初始氧濃度20.07%，埋入深度到達87m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度到達167m 時，氧氣濃度降到8%以下。3#測點初始氧濃度20.30%，埋入深度至77m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度到達147m 時，氧氣濃度降到8%以下。4#測點初始氧濃度20.55%，埋入深度到達52m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度至114m 時，氧氣濃度降到8%以下。檢測與模擬結果的“三帶”范圍對比如表3 所示。

圖4 1~4#測點氧濃度隨埋深變化曲線

表3 采空區(qū)自燃“三帶”分布范圍對比

上述實測結果與數(shù)值模擬結果進行對比，表明模擬整體與現(xiàn)場實測基本一致。因此，W1310 工作面采空區(qū)數(shù)值模擬模型的建立的基礎及模型參數(shù)的取值是具有一定科學意義，能夠反映采空區(qū)實際自燃“三帶”的分布情況。

3.2 自燃三帶分布與風量分配的關系確定

為有效分析風量對采空區(qū)自燃“三帶”的影響，指導高河礦的防滅火工作，以該模型為基礎，在實際配風量的基礎上，適當擴大和縮小風量供給，選取現(xiàn)場實際風量的 1/3、2/3、3/2 倍，即 1257m3/min、2513m3/min、5655m3/min 作為代表風量值，模擬分析現(xiàn)場配風增加或減小情況下采空區(qū)氧氣濃度分布情況，如圖5 所示。

圖5 不同風量時采空區(qū)氧濃度變化規(guī)律

根據(jù)數(shù)值模擬結果，分析采空區(qū)自燃“三帶”變化情況，劃分風量增加和減弱后采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，如表4 所示。

結果表明：采空區(qū)自燃“三帶”的范圍和工作面風量、采空區(qū)漏風量密切相關，工作面風量增加，采空區(qū)散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區(qū)深部移動，且氧化升溫帶的范圍呈現(xiàn)擴大趨勢。因此，當工作面生產(chǎn)過程中遇見斷層、陷落柱以及尾采、停采的時候，適量降低工作面供風量，使得采空區(qū)氧化升溫帶范圍整體向工作面移動，將采空區(qū)遺煤自然發(fā)火危險區(qū)域推至窒息帶范圍，實現(xiàn)遏制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的事故發(fā)生。另外，高河礦W1310 工作面采空區(qū)進風一側自燃“三帶”的范圍要遠遠大于回風一側，采空區(qū)和回風巷之間受漏風以及斷層等因素影響，在實際操作過程中要加強觀測，防范特殊事件的發(fā)生。

表4 風量調節(jié)時采空區(qū)自燃“三帶”分布

4 結論

（1）高河礦W1310 工作面采空區(qū)“三帶”劃分范圍為：散熱帶為采空區(qū)深部距工作面范圍0~52m；氧化升溫帶為采空區(qū)深部距工作面范圍52~297m；窒息帶為采空區(qū)深部距工作面大于297m。

（2）隨著工作面風量增加，采空區(qū)三帶整體向采空區(qū)深部移動，且氧化升溫帶的范圍呈擴大趨勢。

（3）當工作面生產(chǎn)過程中遇見斷層、陷落柱以及尾采、停采的時候，適量降低工作面供風量，能夠遏制采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的事故發(fā)生。