葉春輝,陳 勇

(1.平安煤炭開采工程技術(shù)研究院有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232000;2.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,安徽 淮南 232000)

目前,煤炭仍然是我國(guó)主要的能源結(jié)構(gòu)。而井工煤礦開采煤炭期間,災(zāi)害事故依舊頻發(fā),其中煤自燃事故數(shù)占礦井火災(zāi)事故總數(shù)的70%[1]。

為遏制采空區(qū)自然發(fā)火事故,眾多學(xué)者針對(duì)采空區(qū)自燃危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了大量研究。雷焱云[2]利用現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和Fluent數(shù)值模擬的方法對(duì)采空區(qū)氧化帶在不同風(fēng)量下的變化規(guī)律進(jìn)行分析,結(jié)果表明,風(fēng)量的變化對(duì)采空區(qū)影響最大的位置在回風(fēng)巷側(cè);孫晉樂[3]通過研究確定采空區(qū)“三帶”區(qū)域,并利用極限推進(jìn)速度與月推進(jìn)度關(guān)系判斷采空區(qū)是否有自然發(fā)火危險(xiǎn)。武帥[4]通過程序升溫實(shí)驗(yàn)確定了王莊煤業(yè)采空區(qū)煤自燃的指標(biāo)氣體,并利用現(xiàn)場(chǎng)束管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)模擬出采空區(qū)“三帶”范圍;岳寧芳等[5]利用公斤級(jí)煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測(cè)定煤自燃特性參數(shù),并基于多個(gè)參數(shù)對(duì)采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍進(jìn)行劃分。牛闊等[6]通過構(gòu)建采空區(qū)三維物理模型,利用O2體積分?jǐn)?shù)劃分煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域,并提出復(fù)合惰化技術(shù)對(duì)采空區(qū)防滅火更有效。章飛[7]通過程序升溫實(shí)驗(yàn)得到的煤自燃極限參數(shù)與氣體檢測(cè)數(shù)據(jù)綜合判定復(fù)合采空區(qū)遺煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域。翟小偉等[8]采用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法,對(duì)“U+L”型工作面采空區(qū)煤自燃特征以及危險(xiǎn)區(qū)域分布特征進(jìn)行研究,得出該類型的通風(fēng)方式嚴(yán)重影響著采空區(qū)煤自燃“三帶”區(qū)域的劃分。

鑒于此,為研究確定潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域,通過現(xiàn)場(chǎng)束管監(jiān)測(cè)和Fluent數(shù)值模擬,結(jié)合煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn),確定采空區(qū)自燃“三帶”以及煤樣自燃極限參數(shù),結(jié)合采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定方法,得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍,為后續(xù)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)防采空區(qū)自燃奠定基礎(chǔ)。

1 煤自燃極限參數(shù)測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

采集潘三礦煤樣,將其放入大型煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)裝置中開展實(shí)驗(yàn)測(cè)試,模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下煤自燃過程,從而確定煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期、自燃特性參數(shù)與極限參數(shù)。實(shí)驗(yàn)裝置由三部分組成,包括爐體結(jié)構(gòu)、供風(fēng)系統(tǒng)及氣體采集與分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在潘三礦井下采集2 t左右的新鮮塊狀煤樣,用碎煤機(jī)破碎后裝入實(shí)驗(yàn)爐體中,通入干空氣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過記錄潘三礦煤樣在爐體內(nèi)的最高煤溫發(fā)現(xiàn),煤溫從初始溫度30.2 ℃升至170 ℃需要50 d,即該煤礦的煤樣實(shí)驗(yàn)最短自然發(fā)火期為50 d.通過計(jì)算得出,假設(shè)井下圍巖溫度為25 ℃,推測(cè)其最短自然發(fā)火期應(yīng)為55 d.在自然升溫過程中,爐內(nèi)最高溫度與各指標(biāo)氣體及氣體比值之間的關(guān)系如圖2所示。

從圖2中可以看出,潘三礦煤自然發(fā)火過程中的臨界溫度在65～75 ℃之間,干裂溫度在90～110 ℃之間,裂變溫度在130～150 ℃之間。

2 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及數(shù)據(jù)分析

潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)采用現(xiàn)場(chǎng)預(yù)先埋設(shè)6芯束管連接煤自燃監(jiān)測(cè)設(shè)備遠(yuǎn)程抽氣分析,束管共鋪設(shè)200 m,回風(fēng)側(cè)布設(shè)3個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)之間間隔30 m.利用礦井火災(zāi)智能監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并自動(dòng)儲(chǔ)存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),在O2體積分?jǐn)?shù)小于5%時(shí)觀測(cè)結(jié)束。

2.1 浮煤分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè),1652(3)工作面采空區(qū)存留一定厚度的浮煤,可能會(huì)引起自燃。工作面煤層特征如表2所示。

表2 工作面煤層特征

進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩側(cè)及兩端頭支架處的浮煤平均厚度為:

(3.76-3.3)/(1-30%)=0.657 m

采空區(qū)中部浮煤平均厚度為:

3.76×(1-93%)/(1-30%)=0.376 m

由此可見,工作面進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)相比采空區(qū)中部的浮煤較多。

2.2 氧氣體積分?jǐn)?shù)分析

通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的氣體進(jìn)行分析得到采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨埋深變化曲線如圖3所示。

圖3 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨埋深變化曲線

從圖3可以看出,整體上,隨著測(cè)點(diǎn)埋深的增加,采空區(qū)回風(fēng)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)在逐漸下降。對(duì)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線進(jìn)行擬合得出其擬合曲線方程為y=29.798e-0.012x。由擬合方程推算得到,當(dāng)y=18%時(shí)得到x=42 m,當(dāng)y=8%時(shí)得到x=115.1 m,即在采空區(qū)回風(fēng)側(cè)距工作面42 m處和115.1 m處的氧氣體積分?jǐn)?shù)分別下降至18%和8%,表明隨著工作面的推進(jìn),漏風(fēng)強(qiáng)度逐漸降低,煤的氧化反應(yīng)增加,使得采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)逐漸減少。

2.3 漏風(fēng)強(qiáng)度分析

假定漏風(fēng)流僅沿一維流動(dòng),采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度與氧氣體積分?jǐn)?shù)之間的關(guān)系如公式(1)所示[9]:

(1)

根據(jù)潘三礦13-1煤的自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),利用已測(cè)得的采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù),可推測(cè)出采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度隨埋深變化規(guī)律,如圖4所示。從圖4中可以看出,整體上隨著工作面的推進(jìn),漏風(fēng)強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)。在距離采空區(qū)55 m之前的漏風(fēng)強(qiáng)度大于0.004 cm3/(s·cm2),此后迅速下降;在60 m后下降趨勢(shì)有所平緩,最終漏風(fēng)強(qiáng)度小于0.000 1 cm3/(s·cm2)。

圖4 采空區(qū)回風(fēng)側(cè)漏風(fēng)強(qiáng)度隨埋深變化曲線

3 采空區(qū)流場(chǎng)分布規(guī)律數(shù)值模擬

基于1652(3)工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)情況,利用ANSYS軟件建立采空區(qū)三維模型,能夠直觀地確定采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律。三維模型圖如圖5所示。在建立三維模型時(shí),設(shè)置采空區(qū)深度為200 m,傾向長(zhǎng)為190 m,高為20 m,采空區(qū)中部浮煤厚度為0.376 m,兩側(cè)浮煤厚度為0.657 m,浮煤上方為巖層;進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷長(zhǎng)為10 m、寬為5.2 m、高為3.3 m;進(jìn)風(fēng)口風(fēng)速為2 m/s.在邊界條件設(shè)定后,通過Fluent軟件對(duì)UDF編程的程序進(jìn)行運(yùn)算求解,得到采空區(qū)內(nèi)部氧氣體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果。

圖5 采空區(qū)模型圖

采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律模擬結(jié)果如圖6所示。

圖6 采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布模擬結(jié)果圖

從圖6中可以看出,潘三礦1652(3)隨著工作面采空區(qū)深度的增加,氧氣體積分?jǐn)?shù)呈不斷下降的趨勢(shì)。并且采空區(qū)氧化帶(氧氣體積分?jǐn)?shù)在8%～18%之間)在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面35～132 m和回風(fēng)側(cè)距工作面30～115 m范圍內(nèi)。

回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比如表3所示。

表3 回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果對(duì)比

模擬得到的氧化帶寬度比現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)氧化帶寬度約為12 m.因采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜,數(shù)值模擬較為理想,其結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)少量偏差屬正常現(xiàn)象。綜合分析,為擴(kuò)大監(jiān)測(cè)及防控范圍,取數(shù)值模擬結(jié)果作為采空區(qū)回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布。則1652(3)工作面采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)在距工作面35 m處為18%,在132 m處為8%.

4 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定

采空區(qū)遺煤自燃需要滿足的條件主要有足夠的浮煤厚度、氧氣體積分?jǐn)?shù)以及漏風(fēng)條件[10]。除此之外,工作面的推進(jìn)速度對(duì)采空區(qū)煤自燃也有著重要影響。在實(shí)際情況下,采空區(qū)遺煤自燃的必要條件為[11]:

即當(dāng)浮煤厚度、實(shí)際的氧氣體積分?jǐn)?shù)、漏風(fēng)強(qiáng)度、最小推進(jìn)速度時(shí),松散煤體均不能引起自然升溫。

通過理論分析計(jì)算,不同浮煤厚度時(shí)最小氧氣體積分?jǐn)?shù)與最大漏風(fēng)強(qiáng)度如表4所示。

表4 不同浮煤厚度時(shí)的最小氧氣體積分?jǐn)?shù)和最大漏風(fēng)強(qiáng)度

從表4中可以看出,浮煤厚度在0.532 m時(shí)的最小氧氣體積分?jǐn)?shù)為20.82%,隨著浮煤厚度的增加,氧氣體積分?jǐn)?shù)快速降低。

不同漏風(fēng)強(qiáng)度時(shí)的最小浮煤厚度如表5所示。從表5中可以看出,隨著漏風(fēng)強(qiáng)度的增大,更多的熱流被帶走,煤自然發(fā)火所需的浮煤就越多。

表5 不同漏風(fēng)強(qiáng)度時(shí)的最小浮煤厚度

將1652(3)工作面采空區(qū)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的煤自燃極限參數(shù)值繪制在同一個(gè)圖上,確定采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域范圍。最終得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩側(cè)氧化帶范圍(即紅色區(qū)域),如圖7所示。

圖7 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域分布圖

從圖7可知,1652(3)工作面采空區(qū)氧化帶的最大寬度出現(xiàn)在進(jìn)風(fēng)側(cè),并且Lmax為97 m,結(jié)合實(shí)際條件下采空區(qū)最短自然發(fā)火期τmin為55 d,可以得出采空區(qū)工作面最小安全推進(jìn)速度為:

Vmin=Lmax/τmin= 1.76 m/d

因此,正常條件下,工作面的安全推進(jìn)速度不應(yīng)小于1.76 m/d,否則必須加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè),并采取相應(yīng)的防滅火措施,防止采空區(qū)煤自然發(fā)火。

5 結(jié) 語

1) 通過自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測(cè)試,確定了潘三礦13-1煤層實(shí)際最短自然發(fā)火期為55 d;并確定了不同浮煤厚度時(shí)最小氧氣體積分?jǐn)?shù)與最大漏風(fēng)強(qiáng)度。

2) 通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與數(shù)值模擬相結(jié)合的手段,得到潘三礦1652(3)工作面采空區(qū)氧氣場(chǎng)分布規(guī)律;確定采空區(qū)氧化帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面35～132 m和回風(fēng)側(cè)距工作面30～115 m范圍內(nèi)。

3) 通過采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域判定方法,得到1652(3)工作面采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)椴煽諈^(qū)進(jìn)風(fēng)、回風(fēng)兩側(cè)氧化帶范圍,工作面安全推進(jìn)速度不應(yīng)小于1.76 m/d.