李斯昊，李宛鴻

(1. 中煤集團(tuán)山西華昱能源有限公司，山西 山陰 036900；2. 昆明冶金高等專科學(xué)校，云南 昆明 650033)

0 引言

煤礦采空區(qū)中由于開采過程中遺留下的煤炭，在滿足條件的前提下會(huì)發(fā)生自燃現(xiàn)象[1]，是威脅煤礦安全生產(chǎn)中的五大災(zāi)害之一[2]。作為礦井防滅火較為基礎(chǔ)的采空區(qū)自燃“三帶”劃分部分，通過采空區(qū)鋪設(shè)束管測(cè)點(diǎn)，建立工作面采空區(qū)三維計(jì)算模型，準(zhǔn)確劃分工作面采空區(qū)“散熱帶”、“自燃帶”、“窒息帶”的范圍，明確采空區(qū)遺煤位于自燃帶的時(shí)間，計(jì)算合理推進(jìn)度，提出可實(shí)行的工作面綜合防滅火技術(shù)措施[3]。

1 概況

中煤華昱元寶灣煤業(yè)位于山西省山陰縣，屬于資源整合礦井，39101工作面為9#煤首采面，工作面長(zhǎng)度為240 m，煤層傾角4°～10°，煤層厚度1.5～8.0 m。上覆為4#煤、6#煤小窯破壞，北部為9#煤輔運(yùn)大巷，采用傾斜長(zhǎng)壁后退式綜合機(jī)械化回采工藝。

2 全負(fù)壓通風(fēng)條件下自燃“三帶”現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)分析

2.1 測(cè)點(diǎn)布置

針對(duì)元寶灣煤業(yè)39101工作面的實(shí)際情況，采用局部布點(diǎn)法測(cè)試采空區(qū)自燃“三帶”。39101工作面輔運(yùn)順槽及主運(yùn)順槽上各布置4個(gè)束管監(jiān)測(cè)點(diǎn)，如圖1所示，其中測(cè)點(diǎn)2、3、4為驗(yàn)證測(cè)點(diǎn)。

圖1 測(cè)點(diǎn)布置圖

2.2 實(shí)測(cè)結(jié)果

每天對(duì)39101工作面的推進(jìn)度、測(cè)點(diǎn)氣體濃度變化進(jìn)行分析，擬合出采空區(qū)主、輔運(yùn)順槽隨工作面推進(jìn)距離的變化曲線，如圖2、圖3所示。

圖2 主運(yùn)順槽1#測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度的變化曲線

圖3 輔運(yùn)順槽1#測(cè)點(diǎn)氧氣濃度隨進(jìn)入采空區(qū)深度的變化曲線

2.3 結(jié)果分析

氧氣濃度指標(biāo)是采空區(qū)自燃“三帶”劃分的常用指標(biāo)[4]。一般認(rèn)為散熱帶的氧氣濃度>18%；自燃帶的氧氣濃度在8%(或5%)～18%之間；窒息帶的氧氣濃度<8%(或5%)。

由采空區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)氧氣濃度變化曲線圖可以看出：

(1) 當(dāng)工作面推進(jìn)至62 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)巷氧氣濃度降低至18%以下且呈持續(xù)下降趨勢(shì)，表明進(jìn)入了自燃帶；當(dāng)測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)深度達(dá)到117 m時(shí)，氧氣濃度下降到8%以下且未有反彈，表明進(jìn)入了窒息帶。

(2) 當(dāng)工作面推進(jìn)至48 m左右，回風(fēng)側(cè)氧氣濃度就下降到了18%以下，表明進(jìn)入了自燃帶；測(cè)點(diǎn)進(jìn)入采空區(qū)95 m時(shí)，氧氣濃度下降到了8%以下，表明進(jìn)入了窒息帶。

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)的分析整理，可以得出實(shí)測(cè)條件下的采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，如表1所示。

表1 實(shí)測(cè)條件下的采空區(qū)自燃“三帶”的范圍

3 均壓條件下采空區(qū)數(shù)值模擬與數(shù)據(jù)分析

由于該工作面上覆4#煤層被破壞性回采(小窯房柱式)，上覆4#煤層采空區(qū)內(nèi)積存有大量有毒有害氣體，在39101工作面回采過程中，可能存在大量有毒有害氣體突然涌入本工作面的情況，該情況一旦出現(xiàn)，39101工作面將采取均壓措施，本文以數(shù)值模擬手段研究均壓條件下采空區(qū)的“三帶”變化規(guī)律，根據(jù)本礦往年均壓經(jīng)驗(yàn)，設(shè)置均壓條件為壓能提高1.22 kPa，壓差減少2.31 kPa。

為掌握均壓[5]通風(fēng)工作面“三帶”劃分，建立三維模型，規(guī)范邊界條件并精簡(jiǎn)計(jì)算模型，采用氣體滲流方法進(jìn)行計(jì)算求解，掌握采空區(qū)滲流速度場(chǎng)和氧濃度場(chǎng)的分布規(guī)律。

3.1 幾何模型建立及參數(shù)確定

在Gambit軟件上模擬模型，將工作面簡(jiǎn)化為長(zhǎng)方體，具體尺寸為：進(jìn)風(fēng)巷寬5.2 m，回風(fēng)巷寬5.2 m，高3.4 m，長(zhǎng)10 m。采空區(qū)寬240 m，長(zhǎng)162.1 m。其中堆積區(qū)20 m，載荷區(qū)55 m，壓實(shí)區(qū)87.1 m，對(duì)幾何模型采用自動(dòng)生成網(wǎng)格，網(wǎng)格尺寸取1 m，如圖4所示。

圖4 采空區(qū)幾何模型網(wǎng)格圖

3.2 邊界條件設(shè)定

氣體計(jì)算模型選取Laminar模型中的k-epsilon[6]，方程系數(shù)為系統(tǒng)默認(rèn)值。取進(jìn)風(fēng)巷(入口邊界)為速度入口，速度為1.37 m/s，出口邊界均為壓力出口，湍流強(qiáng)度為3.5%、水力直徑為3.632 m。其中模擬氣體組分為氧氣和氮?dú)?，氧氣濃?1%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)23%，氮?dú)鉂舛?9%，質(zhì)量分?jǐn)?shù)77%。將采空區(qū)設(shè)為多孔介質(zhì)，孔隙率分別為0.4，0.25，0.1。根據(jù)瓦斯涌出量分源，采空區(qū)瓦斯涌出量三區(qū)的源項(xiàng)均為2×10-6kg/m3·s。

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

根據(jù)氧氣濃度模擬結(jié)果分析可知：對(duì)比沒有采取均壓措施以及采取均壓措施后的進(jìn)風(fēng)側(cè)以及回風(fēng)側(cè)的氧氣濃度，如圖5所示。對(duì)于進(jìn)風(fēng)側(cè)，采取均壓措施后自燃帶范圍變大且距離工作面距離增加。對(duì)于回風(fēng)側(cè)，采取均壓措施后自燃帶范圍也增大，同時(shí)距離變大。

圖5 進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)氧氣濃度對(duì)比

根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果分析可知：在沒有采取均壓措施時(shí)，進(jìn)風(fēng)及回風(fēng)處的風(fēng)速較高，隨著向采空區(qū)的深入，風(fēng)速越來越??；采取均壓措施后，進(jìn)風(fēng)巷風(fēng)量增加，風(fēng)速密度增大；回風(fēng)巷風(fēng)量減小，密度減小。漏入采空區(qū)的風(fēng)量增大，導(dǎo)致采空區(qū)散熱帶變寬，自燃帶變寬并且后移，窒息帶后移。

根據(jù)壓力分布模擬結(jié)果分析可知：對(duì)比進(jìn)回風(fēng)側(cè)處的均壓前與均壓后的壓力數(shù)據(jù)，如圖6所示。沒有采取均壓措施時(shí)，工作面兩端的壓差比較大，由釆空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)壓力逐漸減小，采空區(qū)的漏風(fēng)全部向回風(fēng)側(cè)匯聚；采取均壓措施后，如圖6(b)所示，代表進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷壓力的兩條曲線較之圖6(a)有明顯地趨于相近的趨勢(shì)，相應(yīng)二者的差值也隨之減少，表示兩巷間壓力的差值減小，從而造成進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量也隨之減少。這一變化在一定程度上降低采空區(qū)的自燃危險(xiǎn)，但是由于采用局部風(fēng)機(jī)和調(diào)節(jié)風(fēng)窗聯(lián)合均壓的方式，所以整體的壓力有明顯提高，風(fēng)量更多地被壓入采空區(qū)，造成采空區(qū)自燃帶后移。

圖6 進(jìn)回風(fēng)側(cè)壓力對(duì)比

根據(jù)氧氣濃度、采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和壓力分布模擬結(jié)果分析整理，得出了39101工作面在均壓條件下采空區(qū)自燃“三帶”的范圍，見表2。

表2 39101工作面均壓條件下采空區(qū)自燃“三帶”范圍模擬劃分

4 結(jié)論

(1) 通過對(duì)39101工作面進(jìn)回風(fēng)順槽所鋪設(shè)束管取樣，分析氣體濃度變化情況，確定實(shí)測(cè)條件下采空區(qū)自燃“三帶”范圍，具有很好的借鑒意義。

(2) 通過采用理論分析及數(shù)值模擬技術(shù)手段，得出均壓條件下工作面采空區(qū)自然發(fā)火規(guī)律：漏入采空區(qū)的風(fēng)量增大，導(dǎo)致采空區(qū)散熱帶變寬，自燃帶變寬并且后移，窒息帶后移。同時(shí)，進(jìn)回風(fēng)兩巷間壓力的差值減小，從而造成進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)的漏風(fēng)量也隨之減少。

(3) 采用均壓通風(fēng)后，采空區(qū)“三帶”劃分發(fā)生了變化，自然發(fā)火可能性略有增加，需加強(qiáng)對(duì)工作面自然發(fā)火氣體的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)工作，防患于未然。