姜青峰

（安徽理工大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院）

我國煤田地質(zhì)類型多樣，復(fù)雜的地質(zhì)和生產(chǎn)條件導(dǎo)致煤礦火災(zāi)問題頻繁，火災(zāi)已成為礦井主要災(zāi)害之一，據(jù)統(tǒng)計，全國約有56%的礦井存在自然發(fā)火危險［1-2］。煤自燃災(zāi)害絕大部分發(fā)生在采空區(qū)或者破碎煤層，災(zāi)害發(fā)生時難以及時預(yù)測［3］。目前對采空區(qū)自然發(fā)火的研究較多，但是所用的方法大部分只是在進、回風(fēng)巷布置溫度測點［4］或者預(yù)埋束管監(jiān)測空氣成分［5-6］，測試結(jié)果僅體現(xiàn)靠近兩巷的采空區(qū)情況，無法精確地定位高溫點，且無法實時監(jiān)測采空區(qū)溫度變化，容易形成盲區(qū)；部分學(xué)者采取數(shù)值分析的方式建立采空區(qū)模型來研究自燃“三帶”［7］，但是通過數(shù)值模擬的計算結(jié)果很難準(zhǔn)確反映實際情況。

針對祁南礦6144 工作面現(xiàn)場實際條件，本研究通過在工作面兩巷布置測溫光纖代替熱電偶來進行測溫，并通過束管監(jiān)測采空區(qū)氣體成分及變化趨勢；同時采用數(shù)值模擬方法對6144工作面采空區(qū)氧氣濃度分布進行計算，與實測結(jié)果相互對照，共同為工作面回采期間的防滅火工作提供指導(dǎo)。

1 工作面概況

祁南煤礦6144 工作面位于84 采區(qū)61 煤層右翼第二個區(qū)段，其上部62煤層基本開采完畢，且遺煤量較多，62 煤與61 煤層間距為7.43～9.97 m，平均為8.18 m，6144 工作面可采長度為656 m，傾向長度為220 m，平均煤厚為1.7 m，由暗煤和亮煤組成，地層傾角為10°～25°，平均為14°；自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，最短自然發(fā)火期為60 d；巖性以泥巖為主，局部為粉砂巖。

2 自燃“三帶”現(xiàn)場測試

2.1 測溫光纖及束管現(xiàn)場布置

各測點設(shè)置位置如圖1所示，回風(fēng)巷1#～4#抽采測點之間相距12 m，回風(fēng)巷光纖與束管敷設(shè)在一起，1#測點設(shè)置在風(fēng)巷與工作面的交界處；進風(fēng)巷1#～4#抽采測點之間相距8 m，進風(fēng)巷光纖與束管敷設(shè)在一起，1#測點設(shè)置在機巷與工作面的交界處；工作面1#、3#抽采管測點沿工作面傾向方向布置于120 及80 架處；工作面2#、4#熱電偶測點沿工作面傾向方向布置在第100及第60架處。

2.2 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)每天采集的氣樣分析結(jié)果來看，所有氣樣中均未檢測出C2H4、C2H2、C3H8成分，僅采空區(qū)內(nèi)和風(fēng)巷風(fēng)流中檢測出極少量的CO 成分，該結(jié)果表明采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化現(xiàn)象不明顯，同時也說明61 煤層采空區(qū)未與上覆煤層形成大量漏風(fēng)通道。因此，本研究主要分析采空區(qū)各測點氧氣（O2）濃度和溫度變化規(guī)律，為便于分析，選擇回風(fēng)巷2#和進風(fēng)巷1#測點氣體成分作為統(tǒng)計對象，其余數(shù)據(jù)在此不做統(tǒng)計。根據(jù)每天測得的數(shù)據(jù)繪制溫度和氧氣濃度變化曲線如圖2、圖3所示。

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從溫度曲線可以看出，溫度由工作面至采空區(qū)深處呈現(xiàn)出先小幅度下降后逐漸升高、然后再降低，溫度趨于穩(wěn)定，這表明采空區(qū)內(nèi)遺煤氧化現(xiàn)象不明顯。從氧氣濃度變化曲線可以看出，所有測點氧氣濃度全部都隨著采空區(qū)的深入呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，而且降低速度緩慢，經(jīng)現(xiàn)場分析可知，導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因是該工作面煤層較薄，采空區(qū)垮落后頂板破碎程度低，孔隙率較大，導(dǎo)致漏風(fēng)嚴重，在距工作面30 m 處仍檢測出氧氣濃度為18%左右，需加強對采空區(qū)的堵漏措施。根據(jù)以上數(shù)據(jù)劃分出6144工作面采空區(qū)自燃“三帶”范圍如表1所示，表中數(shù)據(jù)表示距工作面距離。

2.3 工作面最低推進速度計算

由以上分析可知，6144 工作面采空區(qū)散熱帶的最大寬度為19 m，自燃帶最大寬度為99 m，自然發(fā)火期為60 d，則預(yù)防采空區(qū)自燃的工作面最低推進速度可按下式計算：

式中，Vi為工作面推進度，m/d；Lz為自燃帶最大寬度，99 m；Lb為散熱帶最大寬度，19 m；T為最短發(fā)火期，60 d。

經(jīng)計算得到預(yù)防采空區(qū)自燃的工作面最低推進速度為1.97 m/d。

3 采空區(qū)自燃“三帶”數(shù)值模擬

3.1 幾何模型

采空區(qū)通常被視為由破碎煤體和巖石組成的多孔介質(zhì)區(qū)域，在對其進行數(shù)值模擬時可使用多孔介質(zhì)滲流模型。6144 綜采面采空區(qū)的物理模型采用三維穩(wěn)定滲流模型［8］。模型尺寸設(shè)置：采空區(qū)走向長150 m，寬220 m，高8.5 m；工作面長度設(shè)為4 m，寬220 m，高度為3.2 m，其機巷和風(fēng)巷均為矩形巷道，長度取10 m，斷面均為4.8 m×3.2 m；工作面進風(fēng)量約為1 350 m3/min，采用U型通風(fēng)方式。建立模型如圖4所示。計算模型采用六面體網(wǎng)格，其中對巷道和工作面網(wǎng)格進行密化處理，采空區(qū)網(wǎng)格尺寸為2 m，巷道和工作面尺寸為1 m。

3.2 邊界條件及流體數(shù)學(xué)模型

根據(jù)祁南煤礦6144 工作面現(xiàn)場條件，在數(shù)值模擬過程中將進風(fēng)巷設(shè)置為速度入口，進入工作面的氣體設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)空氣，入口的平均風(fēng)速為1.465 m/s，風(fēng)流垂直于進風(fēng)巷入口進入，回風(fēng)巷的出口設(shè)置為自由出流，所有壁面為無滑移邊界條件，壁面設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)絕熱壁面。

采空區(qū)通常被視為由破碎煤體和巖石組成的多孔介質(zhì)區(qū)域，在對其進行數(shù)值模擬時可使用多孔介質(zhì)滲流模型。假設(shè)采空區(qū)氣體為不可壓縮氣體，由于采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)風(fēng)流相對較小，近似認為采空區(qū)的氣流為層流分布，流體在多孔介質(zhì)中的運動遵循達西定律［9］，滿足質(zhì)量守恒和動量方程。

質(zhì)量守恒方程為

動量（Navier-Stokes）方程為

式中，u，v，w分別為速度矢量在x，y，z方向的分量，m/s；ρ為采空區(qū)氣流密度，kg/m3；μ為流體的動力黏度，Pa·s；n為多孔介質(zhì)孔隙率；K為多孔介質(zhì)的滲透率。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

選取距底板高度為1.5 m、平行于底板的截面分析氧氣濃度分布情況，如圖5所示。工作面附近氧氣濃度為20%左右，隨著向采空區(qū)深入距離增大，氧氣濃度逐漸下降，并且不同位置下降速度不同，進風(fēng)巷一側(cè)采空區(qū)自燃帶范圍是70～115 m，回風(fēng)巷一側(cè)采空區(qū)自燃帶為14～20 m。經(jīng)分析，模擬結(jié)果與實際測試之間的差異主要是由于采用全部垮落式處理采空區(qū)，頂板垮落高度較小，頂板破碎程度低，靠近工作面的采空區(qū)孔隙率較大，形成復(fù)雜的漏風(fēng)通道，導(dǎo)致實際測得燃燒帶寬度大于模擬結(jié)果。從整體而言，模擬采空區(qū)自燃帶范圍為14～115 m，該模擬結(jié)果與現(xiàn)場實際測試結(jié)果基本一致，表明按照工作面現(xiàn)場參數(shù)構(gòu)建采空區(qū)模型具有一定的參考意義，并且數(shù)值模擬可以獲得現(xiàn)場難以測量的數(shù)據(jù)，可以作為采空區(qū)自燃發(fā)火防治的輔助手段。

4 結(jié) 論

（1）通過對6144 回采工作面采空區(qū)溫度與氧氣濃度測定，得出采空區(qū)自燃“三帶”范圍為靠近風(fēng)巷一側(cè)散熱帶小于13 m，自燃帶13～92 m，大于92 m 為窒息帶；靠近機巷一側(cè)散熱帶小于22 m，22～118 m 為自燃帶，大于118 m 為窒息帶。根據(jù)劃分的自燃“三帶”范圍，計算出預(yù)防采空區(qū)自燃的工作面最低推進速度為1.97 m/d。

（2）通過對6144 回采工作面采空區(qū)氧氣濃度數(shù)值模擬，得到的模擬結(jié)果與實測結(jié)果存在差異，二者之間的差異是采空區(qū)頂板破碎程度低與孔隙率分布不均勻?qū)е?，但整體來看，模擬所得自燃帶范圍為14～115 m，與實際情況相符，表明對采空區(qū)進行數(shù)值模擬得到的結(jié)果具有一定的科學(xué)性，可以作為采空區(qū)自然發(fā)火防治輔助手段。

（3）由現(xiàn)場實際測試及模擬得到的數(shù)據(jù)表明，由于祁南煤礦61 煤6144 工作面煤層較薄，煤炭利用率較高，遺煤量較少，且遺煤分布不均勻，采空區(qū)垮落后頂板破碎程度低，雖然與上覆煤層采空區(qū)距離較近，但是并未形成貫通；由工作面向采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)嚴重，需采取堵漏措施預(yù)防煤自燃。