李 鋒，羅伙根，王 超

（1.國家能源集團(tuán) 神東技術(shù)研究院，陜西 神木 719300；2.中國神華神東煤炭集團(tuán) 保德煤礦，山西 忻州 036600；3.安徽理工大學(xué) 能源與安全學(xué)院，安徽 淮南 232001）

煤炭自燃是礦井生產(chǎn)過程中主要自然災(zāi)害之一，分析煤炭自燃事故案例，結(jié)合國內(nèi)外學(xué)者的技術(shù)與理論研究，發(fā)現(xiàn)采空區(qū)、破碎煤柱、斷層等位置是井下煤自然發(fā)火的主要地點(diǎn)，特別是采空區(qū)遺煤自燃尤為嚴(yán)重，準(zhǔn)確劃分采空區(qū)自燃“三帶”對防滅火有重要作用。在防治采空區(qū)瓦斯災(zāi)害時(shí)，埋管抽采是常用方法之一，但在抽采瓦斯過程中，勢必會(huì)造成采空區(qū)漏風(fēng)嚴(yán)重，影響采空區(qū)自燃“三帶”分布，從而導(dǎo)致遺煤自燃。因此，針對高瓦斯易自燃煤層開展采空區(qū)埋管抽采對自然“三帶”分布規(guī)律的影響研究，對預(yù)防采空區(qū)遺煤自燃，防止瓦斯爆炸具有十分重要意義［1-2］。

以保德煤礦81307 綜放工作面為研究對象，通過現(xiàn)場實(shí)測和數(shù)值模擬相結(jié)合的手段，研究采空區(qū)埋管抽采瓦斯條件下自燃“三帶”分布規(guī)律，從而為礦方合理確定各種防滅火工藝的具體參數(shù)提供依據(jù)，能有效指導(dǎo)工作面的安全生產(chǎn)，減少煤自燃事故的發(fā)生。

1 礦井概況

神華神東保德煤礦位于山西省忻州市保德縣境內(nèi)，礦井總面積為 55.9 km2，南北縱向長 14 km，東西橫向長約 5.7 km。規(guī)劃煤炭地質(zhì)儲(chǔ)量 12.5 億 t，可采儲(chǔ)量 8.2 億 t，服務(wù)年限為 64.6 年。2017 年，核定生產(chǎn)能力為500 萬t/a。礦區(qū)內(nèi)含煤地層主要為二疊系-石炭系，共含煤10 層，其中8、10、11 號煤層全區(qū)可采，13 號部分區(qū)域?yàn)榭刹擅簩樱V區(qū)其余煤層條件受限，均不可采。2017 年對 8 號煤層自燃傾向性進(jìn)行了等級鑒定，8 號煤層自燃傾向性等級為Ⅱ類，煤吸氧量為0.66 cm3/g，屬于自燃煤層。2017 年礦井瓦斯等級鑒定結(jié)果：礦井絕對瓦斯涌出量為100.66 m3/min，相對瓦斯涌出量為 12.38 m3/min，屬高瓦斯礦井。

81307 綜放工作面東鄰81306 綜放工作面（已回采完畢），北為二號主、輔運(yùn)大巷，南鄰礦井邊界，以西為未開發(fā)實(shí)體煤。工作面設(shè)計(jì)可采長度為2 470 m，傾向長240 m，平均煤厚7.3 m，屬厚煤層，回采煤量為 518.7 萬 t。

2 自燃“三帶”劃分依據(jù)

煤炭發(fā)生自燃的 3 個(gè)條件：一是煤層本身具有可燃屬性，同時(shí)呈破碎狀態(tài)堆積；二是連續(xù)通風(fēng)供氧條件；三是燃燒環(huán)境，必須能夠保持熱量不易擴(kuò)散，能夠蓄熱。在有煤自燃傾向性的煤層開采過程中，工作面漏風(fēng)給采空區(qū)遺煤提供合適的通風(fēng)供氧條件，漏風(fēng)速度大小和遺煤堆積狀態(tài)決定了煤氧化蓄熱的環(huán)境，而氧氣濃度大小則決定了煤氧化自燃能力[3-7]。因此，根據(jù)供氧濃度可以將采空區(qū)劃分出自燃“三帶”，分別為散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶。以氧氣濃度在采空區(qū)內(nèi)分布情況，對采空區(qū)自燃“三帶”進(jìn)行劃分：散熱帶，氧氣濃度＞18%；氧化升溫帶，18%≥氧氣濃度≥8%；窒息帶，氧氣濃度＜8%。

3 數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

81307 綜放工作面采用偏 Y 型通風(fēng)方式，其中一號回風(fēng)巷和運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，運(yùn)輸巷靠近切眼處的聯(lián)巷回風(fēng)。為了治理采空區(qū)瓦斯，采用采空區(qū)埋管抽采方式（布置間距100 m，抽采負(fù)壓為32 kPa，抽采流量為600 m3/min），工作面布置方式如圖1。

圖1 工作面布置示意圖Fig.1 Schematic layout of working face

根據(jù)81307 綜放工作面進(jìn)、回風(fēng)巷以及瓦斯抽采巷道布置的特點(diǎn)，并結(jié)合煤層特征及現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)。煤層平均厚度7.3 m，垮落帶高度可達(dá)3～5 倍。進(jìn)風(fēng)巷高 3.4 m，寬 5.0 m；回風(fēng)巷高 3.6 m，寬 5.2 m。建立采空區(qū)三維物理模型：綜放工作面長度240 m，采空區(qū)垮落高度取30 m，深度取500 m，距離工作面500 m 處與采空區(qū)兩側(cè)及頂部一致，按照壁面處理，設(shè)為漏風(fēng)邊界；采空區(qū)回風(fēng)側(cè)瓦斯抽采采用的是800 mm 瓦斯管，具體幾何模型參數(shù)見表1。

表1 幾何模型參數(shù)Table 1 Geometric model parameters

因此，采空區(qū)垮落帶，斷裂帶和工作面兩道之間的松散煤巖體是采空區(qū)內(nèi)部滲流去。采空區(qū)內(nèi)不同區(qū)域由于塌陷，浮煤和垮落的巖石等壓實(shí)程度不同，造成不同區(qū)域的孔隙率不同。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，由工作面向采空區(qū)深部延伸，孔隙率逐漸變小。忽略其他因素的耦合影響，針對聯(lián)巷埋管抽采瓦斯條件下，研究采空區(qū)內(nèi)部自燃“三帶”的分布規(guī)律。建立的采空區(qū)幾何模型如圖2，并對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于抽采管尺寸較小，需要對局部網(wǎng)格進(jìn)行加密處理（圖3）。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

利用ANSYS FLUENT 軟件，對埋管抽采條件下采空區(qū)內(nèi)氧氣濃度分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬（圖4）。

由圖4 可以看出，在埋管抽采條件下，工作面附近氧氣濃度為20%～21%。隨著深入距離不斷增大，氧氣濃度逐漸下降。當(dāng)深入采空區(qū)一定距離后，氧氣濃度下降趨勢減緩，濃度變化不大。這是由于工作面向采空區(qū)深部方向上壓實(shí)程度逐漸增大，孔隙率逐漸減小，氧氣濃度逐漸降低的緣故[8-11]。對模擬結(jié)果進(jìn)行量化處理，當(dāng)一號回風(fēng)巷側(cè)深入采空區(qū)175 m 時(shí)，氧氣濃度下降至18%，深入采空區(qū)330 m時(shí)，氧氣濃度下降至8%；運(yùn)輸巷側(cè)深入采空區(qū)120 m 時(shí)，氧氣濃度下降至18%，深入采空區(qū)255 m 時(shí)，氧氣濃度下降至8%。由此得出，一號回風(fēng)巷側(cè)氧化帶范圍為175～330 m，運(yùn)輸巷側(cè)氧化帶范圍為120～255 m，運(yùn)輸巷側(cè)氧化帶寬度略大于一號回風(fēng)巷側(cè)。這是由于運(yùn)輸巷側(cè)存在瓦斯抽采管，受瓦斯抽采的影響，運(yùn)輸巷側(cè)氧氣濃度較高。因此，瓦斯抽采對采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)影響比較嚴(yán)重，如果遺煤條件和漏風(fēng)條件滿足自燃要求，瓦斯抽采口附近就容易發(fā)生自然發(fā)火。

圖2 81307 工作面采空區(qū)物理模型Fig.2 Physical model of goaf in 81307 working face

圖3 81307 工作面網(wǎng)格劃分示意圖Fig.3 Schematic diagram of meshing in 81307 working face

圖4 采空區(qū)氧濃度分布圖Fig.4 O2 concentration distribution in the goaf

4 現(xiàn)場實(shí)測與分析

4.1 實(shí)測方案

為了研究采空區(qū)埋管抽采條件下自燃“三帶”的分布規(guī)律，在81307 綜放工作面運(yùn)輸巷布置氣體和溫度監(jiān)測點(diǎn)，在監(jiān)測點(diǎn)鋪設(shè)束管和安裝溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測采空區(qū)氣體和溫度變化情況，測點(diǎn)布置如圖5。

圖5 81307 工作面采空區(qū)自燃“三帶”測點(diǎn)布置圖Fig.5 Arrangement of measurement points of three spontaneous combustion zones in goaf of 81307 working face

當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)后，每天取氣樣送實(shí)驗(yàn)室分析，并記錄采空區(qū)溫度。當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)所采集的氧氣濃度低于8%時(shí)，可停止觀測。通過現(xiàn)場實(shí)測，得到的采空區(qū)氧氣濃度和溫度隨進(jìn)入采空區(qū)深度變化曲線如圖6 和圖7。

圖6 采空區(qū)氧氣濃度隨推進(jìn)距離變化曲線Fig.6 Variation curve of O2 concentration in goaf with advancing distance

4.2 氧氣劃分“三帶”

由圖6 可以看出，在有采空區(qū)埋管抽采條件下，81307 綜放工作面運(yùn)輸巷側(cè)漏風(fēng)量較大，氧氣濃度在工作面推進(jìn)約30 m 時(shí)才出現(xiàn)下降趨勢，推進(jìn)至110 m 時(shí)，O2濃度降至 18%，250 m 時(shí)降至 10%，265 m時(shí)降至 8%。根據(jù)自燃“三帶”劃分標(biāo)準(zhǔn)［12-13］，81307 綜放工作面運(yùn)輸巷側(cè)氧化帶范圍為110～265 m。

圖7 CO 濃度隨推進(jìn)距離曲線Fig.7 Variation curve of CO concentration in goaf with advancing distance

4.3 一氧化碳劃分“三帶”

從圖7 可以看出，在工作面推進(jìn)過程中出現(xiàn)一氧化碳濃度的峰值，最高可達(dá)8×10-6?；仫L(fēng)側(cè)由于漏風(fēng)的聚集，通風(fēng)供氧條件好，氧氣濃度較高，煤的氧化較為強(qiáng)烈，使CO 的濃度較高。測點(diǎn)在距工作面110 m 處時(shí)，一氧化碳濃度開始逐漸增大，呈直線上升趨勢，說明遺煤進(jìn)入了加速氧化階段；在170 m達(dá)到了濃度峰值，之后逐漸下降，超過260 m 以后CO濃度逐漸趨于正常。這一測試結(jié)果說明：在距工作面110 ～260 m 范圍內(nèi)，采空區(qū)內(nèi)部有明顯的煤炭氧化現(xiàn)象發(fā)生，結(jié)果與采空區(qū)氧氣濃度分布規(guī)律一致。

4.4 溫度劃分“三帶”

測點(diǎn)溫度隨推進(jìn)距離變化曲線如圖8。由圖8可以看出，81307 綜放工作面初始溫度為25 ℃，隨測點(diǎn)埋深增加，采空區(qū)溫度逐漸上升。這是因?yàn)椴煽諈^(qū)遺煤在氧氣作用下發(fā)生氧化，放出熱量[14]，溫度升高。當(dāng)推進(jìn)至110 m 時(shí)溫升曲線斜率急劇增大，溫度迅速上升，最高達(dá)43.5 ℃，預(yù)計(jì)進(jìn)入加速升溫階段。推進(jìn)至260 m 時(shí)出現(xiàn)較為明顯的降溫，這是由于隨著工作面的推進(jìn)，深部區(qū)域氧氣濃度降低，遺煤氧化速率變慢[15]，放熱量大于產(chǎn)熱量，表明此時(shí)進(jìn)入窒息帶。對比驗(yàn)證溫度變化規(guī)律與采空區(qū)氧氣、一氧化碳分布規(guī)律，可以判定結(jié)果具有一致性。

通過現(xiàn)場實(shí)測，81307 綜放工作面在采空區(qū)埋管抽采條件下自燃“三帶”分布情況見表2。綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的研究結(jié)果[16-18]，得出81307 綜放工作面采空區(qū)在埋管抽采條件下自燃“三帶”分布規(guī)律為一號回風(fēng)巷側(cè) 0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運(yùn)輸巷側(cè)0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于265 m 為窒息帶。

圖8 測點(diǎn)溫度隨推進(jìn)距離變化曲線Fig.8 Variation curve of temperature of measuring point with advancing distance

表2 實(shí)測81307 工作面埋管抽采條件下采空區(qū)“三帶”Table 2 Three zones of goaf under the condition of buried pipe extraction in 81307 working face

5 結(jié) 論

1）采用FLUENT 軟件對81307 綜放工作面采空區(qū)埋管抽采條件下自燃“三帶”分布規(guī)律進(jìn)行數(shù)值模擬，得出一號回風(fēng)巷側(cè)0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運(yùn)輸巷側(cè)0～120 m 為散熱帶，120～255 m 為氧化帶，大于 255 m 為窒息帶。

2）采用氣體濃度法和熱電偶測溫法分別對自燃“三帶”進(jìn)行現(xiàn)場測定，氣體濃度法測定結(jié)果為0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于265 m為窒息帶；熱電偶測溫法測定結(jié)果為0～110 m 為散熱帶，110～260 m 為氧化帶，大于260 m 為窒息帶，兩者實(shí)測結(jié)果基本一致。

3）綜合數(shù)值模擬和現(xiàn)場實(shí)測的研究結(jié)果，得出一號回風(fēng)巷側(cè) 0～175 m 為散熱帶，175～330 m 為氧化帶，大于330 m 為窒息帶；運(yùn)輸巷側(cè)0～110 m 為散熱帶，110～265 m 為氧化帶，大于 265 m 為窒息帶。