郝亞兵，曹文輝

(1.西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院， 山西 太原 030024)

我國(guó)煤炭成煤周期較長(zhǎng)、煤樣種類豐富、地質(zhì)特性多樣，易自燃、自燃煤層礦區(qū)分布較廣[1]. 由于煤化程度、煤巖組分、水分、含硫量、孔隙率及脆性等影響，煤層自然發(fā)火傾向礦井占總礦井?dāng)?shù)量達(dá)半數(shù)以上[2]，增加了煤礦井下防滅火難度。井下回采后，采空區(qū)留有大量遺煤，存在一定自燃風(fēng)險(xiǎn)。

110工法-切頂沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)中留巷的正幫段即留巷采空區(qū)側(cè)，是采空區(qū)的冒落帶，采空區(qū)全部暴露在巷道內(nèi)，形成一種完全開放的狀態(tài)，與傳統(tǒng)回采工藝的密閉封堵采空區(qū)相比較，漏風(fēng)相對(duì)嚴(yán)重，增加了采空區(qū)自燃危險(xiǎn)性。以官地煤礦12605工作面為研究對(duì)象,采用實(shí)驗(yàn)研究、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)相結(jié)合的方法分析切頂沿空留巷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律，以保證該礦安全生產(chǎn)。

1 礦井概況

12605工作面屬南六采區(qū)，東北側(cè)為12603工作面，與本工作面相距23 m，西南側(cè)為未采區(qū)。工作面走向長(zhǎng)度為920 m，傾向長(zhǎng)度為220 m，均采用矩形斷面。工作面回采施工示意圖見圖1，12605工作面通風(fēng)方式示意圖見圖2. 采用兩進(jìn)一回“W”型抽出式通風(fēng)方式，即12605副巷進(jìn)風(fēng)，12605正巷回風(fēng)，12605工作面切頂沿空留巷進(jìn)風(fēng)。

圖1 工作面回采施工示意圖

圖2 12605工作面通風(fēng)方式示意圖

2 煤樣程序升溫氧化實(shí)驗(yàn)研究

選取該礦新暴露煤樣，用保鮮膜包好送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行程序升溫-氣相色譜聯(lián)用實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見圖3. 分析煤樣程序升溫氧化過程中氣體產(chǎn)生規(guī)律，研究其氧化特性。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

在真空環(huán)境將煤樣進(jìn)行破碎，篩選0.45 mm、0.90 mm、2.00 mm、3.20 mm、4.75 mm五種粒徑煤樣(與現(xiàn)場(chǎng)采空區(qū)遺煤粒徑相近)各20 g，共100 g煤樣混合裝入內(nèi)徑45 mm、長(zhǎng)100 mm銅罐中，放入程序升溫箱。設(shè)置程序升溫箱初始溫度為25 ℃，終止溫度為245 ℃，升溫速率為1 ℃/min，銅罐通入流速為60 mL/min的空氣，銅罐底部鋪設(shè)阻燃材料以及鐵絲網(wǎng)以保證通入氣體在罐內(nèi)均勻流動(dòng)。氣相色譜以氬氣為載氣，每升溫20 ℃檢測(cè)一次氣體成分。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 煤樣升溫氧化氣體產(chǎn)物

煤樣升溫氧化生成物主要包括碳氧化物、烷烴、烯烴等氣體。隨溫度升高，煤樣升溫氧化生成的氣體濃度基本呈上升趨勢(shì)，但不同氣體產(chǎn)生時(shí)間及生成量存在差異性。各氣體產(chǎn)生規(guī)律見圖4.

圖4 氣體產(chǎn)生規(guī)律圖

在煤升溫氧化的整個(gè)過程中均有CO、CO2、CH4以及C2H6生成；當(dāng)溫度低于105 ℃時(shí)，CO緩慢增加且生成量較低，O2濃度變化不明顯；當(dāng)溫度達(dá)到105 ℃時(shí)H2開始出現(xiàn)；當(dāng)溫度在105 ℃～165 ℃時(shí)，CO濃度緩慢增加，O2濃度緩慢減少；當(dāng)溫度達(dá)到145 ℃時(shí)開始出現(xiàn)C2H4；當(dāng)溫度超過165 ℃時(shí)，CO濃度急劇上升，O2濃度急劇下降；當(dāng)溫度超過185 ℃時(shí)，C2H4濃度急劇上升。

2.2.2 煤樣升溫氧化耗氧速率

程序升溫實(shí)驗(yàn)中氣體運(yùn)行路徑主要為氧化罐中心線垂直方向，該區(qū)段空氣流量和煤樣的質(zhì)量都比較小，總體漏風(fēng)強(qiáng)度較小，所以，煤體內(nèi)的氧氣濃度分布方程可以假設(shè)在煤體的中心軸方向上，煤升溫氧化過程中氧氣消耗速率按式(1)計(jì)算[3-4]. 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式，得到結(jié)果見圖5.

圖5 耗氧速率曲線圖

(1)

當(dāng)溫度低于105 ℃時(shí)，耗氧速率較小且變化不明顯；當(dāng)溫度在105 ℃～165 ℃時(shí)，耗氧速率緩慢增大但還處于較低階段；當(dāng)溫度超過165 ℃時(shí)，耗氧速率急劇增大，故溫度超過165 ℃時(shí)，煤樣氧化后氣體組分中氧氣濃度急劇下降。實(shí)際耗氧速率與實(shí)驗(yàn)有一定差異，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)考慮。

2.2.3 煤樣升溫氧化COX氣體生成速率

煤樣升溫氧化過程中，COX氣體的生成速率按式(2)、(3)計(jì)算[5]. 將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入公式，得到結(jié)果見圖6.

圖6 COX氣體生成速率曲線圖

(2)

(3)

在煤升溫氧化的整個(gè)過程中CO2生成速率始終大于CO生成速率。當(dāng)溫度低于105 ℃時(shí)，COX氣體生成速率很低幾乎為零且變化不大；當(dāng)溫度在105 ℃～165 ℃時(shí)，COX氣體生成速率開始緩慢增加；當(dāng)溫度超過165 ℃時(shí)，COX氣體生成速率急劇上升。

綜上分析，在煤樣整個(gè)升溫氧化過程中，當(dāng)溫度低于105 ℃時(shí)煤樣在緩慢氧化，當(dāng)溫度在105 ℃～165 ℃時(shí)加速氧化，當(dāng)溫度超過165 ℃時(shí)劇烈氧化，CO濃度、C2H4濃度、H2濃度、耗氧速率以及CO生成速率在這3個(gè)階段都有明顯變化。因此，提出以CO、C2H4作為判定氧化程度的主要指標(biāo)，用H2、耗氧速率以及CO生成速率輔助監(jiān)測(cè)。

3 切頂沿空留巷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律數(shù)值模擬

由于實(shí)驗(yàn)研究環(huán)境與切頂沿空留巷采空區(qū)遺煤所處環(huán)境存在一定的差異，在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，采用FLUENT流體力學(xué)模擬計(jì)算軟件對(duì)12605切頂沿空留巷工作面進(jìn)行數(shù)值模擬研究,其軟件內(nèi)部包含模型建立，數(shù)值方法以及較為強(qiáng)大的后處理功能[6].

3.1 模型建立及簡(jiǎn)化

根據(jù)官地煤礦12605工作面-采空區(qū)實(shí)際條件，在對(duì)其采空區(qū)模型建立過程中，認(rèn)為礦井采空區(qū)為巖層混合體與松散煤體并行組成的多孔介質(zhì)，故其流場(chǎng)建立選取多孔介質(zhì)模型。同時(shí)對(duì)采空區(qū)數(shù)值模擬中的相關(guān)問題進(jìn)行簡(jiǎn)化：

1) 采空區(qū)由冒落巖石和遺煤空隙構(gòu)成的多孔介質(zhì)，近似將采空區(qū)多孔介質(zhì)視為各向同性。

2) 忽略采空區(qū)內(nèi)熱輻射對(duì)溫度的影響，只考慮熱傳導(dǎo)與熱對(duì)流。

3) 忽略氣體及巖體的物理特性參數(shù)隨溫度的變化，將其視為常數(shù)。

模型簡(jiǎn)化后俯視示意圖見圖7.

圖7 模型俯視示意圖

邊界條件：工作面溫度恒定不變T工作面=16 ℃；漏風(fēng)源的風(fēng)溫恒定T入=16 ℃；進(jìn)風(fēng)口風(fēng)量Q副=950 m3/min，Q正=650 m3/min；采空區(qū)進(jìn)回風(fēng)巷邊界T=16 ℃；采空區(qū)氧氣初始體積分?jǐn)?shù)：C1(O2)=0；漏風(fēng)源氧氣體積分?jǐn)?shù)：C2(O2)=21%；回采率0.87；工作面風(fēng)阻0.019 3 N·S2/m8.

采空區(qū)內(nèi)冒落煤體在采空區(qū)內(nèi)部形成非均勻多孔介質(zhì)，氣體運(yùn)移情況滿足達(dá)西定律，氣體流動(dòng)以及遺煤氧化過程遵守質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒以及能量守恒三大守恒定律。遺煤氧化控制方程以及采空區(qū)滲透率方程參考文獻(xiàn)[6,7].

創(chuàng)建好采空區(qū)遺煤氧化模擬模型[8，9]后，通過編寫UDF導(dǎo)入，可得到采空區(qū)滲透率的動(dòng)態(tài)演變規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上完成對(duì)采空區(qū)氣體流動(dòng)以及熱傳遞的模擬，得到采空區(qū)溫度、氧氣分布規(guī)律。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 不同推進(jìn)距離采空區(qū)氧氣與溫度分布規(guī)律

采空區(qū)氧氣濃度分布對(duì)自然發(fā)火具有重要的影響，可根據(jù)采空區(qū)氧氣濃度將采空區(qū)劃分為散熱帶(氧氣濃度>16%)，自燃帶(6%≤氧氣濃度≤16%)和窒息帶(氧氣濃度<6%)[10,11]. 同時(shí)，采空區(qū)溫度也是重要影響因素。工作面推進(jìn)50 m、100 m、200 m時(shí)采空區(qū)氧氣與溫度分布情況分別見圖8，9.

圖8 氧氣分布情況圖

圖9 溫度分布情況圖

工作面推進(jìn)初期，氧氣濃度在采空區(qū)12605副巷進(jìn)風(fēng)段較高并沿12605工作面傾向遞減；由于采空區(qū)高氧區(qū)域距進(jìn)風(fēng)段近，散熱快而且在低氧區(qū)域遺煤無(wú)法充足氧化，故整個(gè)采空區(qū)溫度較低；隨著工作面不斷推進(jìn)，采空區(qū)沿工作面傾向及走向氧氣濃度降低，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)；采空區(qū)溫度分布在工作面走向出現(xiàn)差異，工作面推進(jìn)到200 m，采空區(qū)溫度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

為驗(yàn)證模擬結(jié)果的有效性，收集官地煤礦12605工作面推進(jìn)100 m后切頂成巷采空區(qū)光纖測(cè)溫與束管監(jiān)測(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)據(jù)，光纖與束管布置方式分別見圖10，圖11. 將收集數(shù)據(jù)匯總分析，結(jié)果分別見圖12，13.

圖10 光纖布置示意圖

圖11 束管布置示意圖

圖12 光纖測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)圖

圖13 束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)圖

2號(hào)、3號(hào)光纖數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)，7號(hào)、8號(hào)光纖對(duì)應(yīng)采空區(qū)留巷側(cè)以及12605留巷；將束管監(jiān)測(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)匯總，得出采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與留巷側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)。分析得出,模擬切頂沿空留巷采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與留巷側(cè)溫度及氧氣變化趨勢(shì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)是相同的，模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，但也存在一定差異，因?yàn)槟M忽略了影響較小的散熱，使模擬溫度結(jié)果普遍高于實(shí)測(cè)結(jié)果；模擬時(shí)認(rèn)為進(jìn)風(fēng)風(fēng)壓、漏風(fēng)量一定，而實(shí)際情況較為復(fù)雜，實(shí)際漏風(fēng)量稍大于模擬設(shè)定漏風(fēng)量，模擬氧氣濃度結(jié)果普遍低于實(shí)測(cè)結(jié)果。綜上所述，證明基于FLUENT模擬分析官地煤礦切頂沿空留巷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律是有效的。

3.2.2 不同推進(jìn)速度采空區(qū)氧氣與溫度分布規(guī)律

模擬分析推進(jìn)速度為3.2 m/d、4.8 m/d、6.4 m/d時(shí)切頂沿空留巷采空區(qū)溫度-氧氣分布規(guī)律，見圖14. 在溫度分布云圖上以氧氣濃度為6%～16%等值線標(biāo)注為采空區(qū)遺煤氧化帶。

圖14 溫度-氧氣分布規(guī)律圖

在不同推進(jìn)速度下沿空留巷采空區(qū)升溫區(qū)域皆分布于進(jìn)風(fēng)側(cè)。隨著推進(jìn)速度的增加，采空區(qū)內(nèi)部升溫區(qū)域范圍縮小。主要由于推進(jìn)速度越快，采空區(qū)遺煤處于氧化升溫帶的時(shí)間越短，降溫速度快。隨著推進(jìn)速度的加快，留巷側(cè)升溫區(qū)域隨推進(jìn)速度加快而逐漸縮小。

隨著推進(jìn)速度的變化，沿空留巷采空區(qū)升溫區(qū)域與氧化帶分布位置不斷發(fā)生改變。氧氣體積分?jǐn)?shù)等值線向采空區(qū)深部移動(dòng)，由于升溫區(qū)域受推進(jìn)速度影響較小，故后移現(xiàn)象不明顯。

通過進(jìn)一步對(duì)工作面中部模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)及留巷側(cè)模擬監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析，得到不同推進(jìn)速度下工作面中部以及留巷側(cè)溫度-氧氣變化情況，分別見圖15，16.

圖16 留巷側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度-氧氣變化關(guān)系圖

工作面中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)和留巷側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)最高溫度隨著推進(jìn)速度的增加，都呈下降趨勢(shì)；以24.85 ℃為觀察點(diǎn)，隨推進(jìn)速度的增加中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)和留巷側(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)高溫區(qū)域走向?qū)挾茸冋?，且中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)高溫區(qū)域向采空區(qū)深處移動(dòng)，留巷側(cè)高溫區(qū)域在175～185 m，變化不明顯；推進(jìn)速度加快時(shí)，采空區(qū)未壓實(shí)漏風(fēng)比較嚴(yán)重，整個(gè)采空區(qū)的氧氣濃度都在上升。當(dāng)推進(jìn)速度為3.2 m/d時(shí)，工作面中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)高溫點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)為10.51%，留巷側(cè)為12.21%；當(dāng)推進(jìn)速度為4.8 m/d時(shí)，工作面中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)高溫點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)為13.12%，留巷側(cè)為14.23%；當(dāng)推進(jìn)速度為6.4 m/d時(shí)，工作面中部監(jiān)測(cè)點(diǎn)高溫點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)為13.01%，留巷側(cè)為14.01%. 推進(jìn)速度越慢，最高溫度區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)越低，但最高溫度區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)隨推進(jìn)速度的加快，氧氣體積分?jǐn)?shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩。 在相同推進(jìn)速度下留巷側(cè)高溫點(diǎn)氧氣體積分?jǐn)?shù)較高，容易加大遺煤氧化程度，需加強(qiáng)留巷側(cè)管理。綜上分析，提出官地煤礦最佳推進(jìn)速度為4.8 m/d.

4 結(jié) 論

1) 通過實(shí)驗(yàn)研究，掌握了官地煤礦12605工作面煤樣升溫氧化過程中氣體產(chǎn)生規(guī)律。結(jié)果表明，當(dāng)溫度低于105 ℃時(shí)煤樣緩慢氧化，當(dāng)溫度在105 ℃～165 ℃加速氧化，當(dāng)溫度超過165 ℃劇烈氧化。結(jié)合官地煤礦實(shí)際，提出以CO、C2H4作為判定氧化程度的主要指標(biāo)。

2) 基于FLUENT模擬軟件，分析了官地煤礦不同推進(jìn)距離、不同推進(jìn)速度下切頂沿空留巷采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律得出，隨著推進(jìn)速度的加快，采空區(qū)內(nèi)部升溫區(qū)域沿工作面傾向的范圍逐漸縮?。谎乜樟粝飩?cè)升溫區(qū)域沿工作面走向的范圍逐漸縮小。推進(jìn)速度越快，采空區(qū)最高溫度區(qū)域?qū)?yīng)的氧氣體積分?jǐn)?shù)越高，且隨著推進(jìn)速度加快，最高溫度區(qū)域氧氣體積分?jǐn)?shù)增加趨勢(shì)減緩。提出官地煤礦最佳推進(jìn)速度為4.8 m/d. 對(duì)于切頂沿空留巷采空區(qū)，管理重點(diǎn)應(yīng)放在進(jìn)風(fēng)側(cè)以及留巷側(cè)尾部。