U型工作面采空區漏風對自然發火的影響

李韞華

(西安市公安消防支隊 蓮湖區大隊，陜西 西安 710002)

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U型工作面采空區漏風對自然發火的影響

李韞華

(西安市公安消防支隊 蓮湖區大隊，陜西 西安 710002)

為了進一步掌握U型通風方式下采空區漏風流場分布規律，為采空區火災預防和控制提供理論依據，采用物理相似模擬實驗方法，通過搭建采空區氣體滲流物理相似模擬實驗平臺，實現了開采煤層自然垮落，并采用采空區立體監測的手段，對U型通風方式下采空區漏風流場的分布規律進行了研究。結果表明：采空區內漏風存在3個特征區域，即“上隅角漏風影響區”，“架后重點漏風區”和“下隅角煤柱邊緣漏風帶”，通過分析其各個特征區域的自燃危險性，得出“上隅角漏風影響區”的自燃危險性最大，“架后重點漏風區”的自燃危險性最小。同時，在采空區垂直方向上的漏風強度隨著高度的增加而減小,最大影響高度可達到60 m左右。研究指出了U型通風工作面火災防治的重點區域，為采空區在漏風影響條件下的防滅火工作提供了一定的理論參考。

采空區；自然發火；相似模擬；漏風規律；氣體濃度

0 引 言

礦井火災對工作面的安全生產有著嚴重的威脅，它能夠燒毀煤炭資源和礦井設備，造成工作面和礦井封閉與停產，還可能引起煤塵、瓦斯、水煤汽爆炸，造成重大的人員傷亡事故。中國每年超過300多處的火區因為煤自燃火災而被封閉，由此造成的資源損失達6 000多萬噸，直接和間接經濟損失超過50億元[1～3]。采空區遺煤的自燃過程不僅與煤自身的放熱性和氧化性有關，還與采空區的漏風供氧有密切關系，通過采空區內漏風通道分布及氣體流動狀態能夠有效判斷采空區自然發火的位置，為防滅火提供重要依據。而采空區是由煤層頂板垮落的巖石碎塊和遺煤堆積構成的復雜、不規則和多變的孔隙滲流介質空間[4-8]。目前，研究大多限于采用流場理論建立采空區風流移動規律數學模型，通過數值模擬的方法對采空區內部氣體的運移規律進行宏觀地分析，從而繪制出采空區風流流動狀況和流場風壓的分布特征，得到工作面向采空區漏風的入、出變化情況，尚無有效的技術手段能對采空區內部的漏風滲流場進行精確的現場監測[9-12]。而在采空區漏風物理相似模擬試驗方面，由于采空區需要人工鋪設，受限于開采方法、氣密性、通風條件等客觀因素，建立三維模型的難度較大，故在二維層面上研究較多，缺乏三維層面的擴展。在解決了上述客觀限制因素的情況下，通過搭建三維物理相似模擬實驗臺，真實地模擬U型通風工作面的開采系統和通風系統，從而得到采空區漏風流場分布規律，為現場的防滅火工作提供了一定的理論指導。

1 采空區氣體滲流相似模擬實驗臺

1.1 實驗臺的功能和構成

本實驗臺能夠實現“三維巖層，自然垮落，立體監測”的目的，它通過煤層開采后上覆巖層在重力和加載的作用下，使煤層頂板逐步垮落，從而來模擬煤層采動條件下開采層圍巖的立體結構變化，最終形成采空區立體模型，并以采空區為研究對象，采用示蹤氣體監測手段，來監測氣體在采空區中的濃度場分布，從而研究在一定通風方式下，采空區內部的氣體滲流規律。

實驗臺主要由實驗箱體、通風設備(通風管、氣瓶和風機)、升降條鋼及監測儀器4部分組成。按功能區分為通風系統、開采系統以及數據采集系統，如圖1為實驗臺整體結構示意圖。

圖1 實驗臺整體結構示意圖

1.2 實驗臺系統功能的實現

通風系統的主要功能是模擬煤礦井下開采時工作面通風和采空區漏風環境，包括在進風流中穩定地釋放示蹤氣體。它主要通過特制的U型通風管、WG600S調速蠕動泵、高壓氦氣瓶、平衡罐及流量調節計構成。

開采系統的主要功能是在模型鋪設完成之后，通過內部機械(升降條鋼)控制，將底部煤層按照工作面回采規律逐步采出，在開采后形成一個無支護的空間，并讓其頂板在上覆巖層重力和加載的作用下自然垮落，從而達到模擬真實工作面回采和采空區覆巖冒落的過程。

氣體監測系統是通過在煤層上覆巖層相應的點位及時埋設取氣管，管路另一端由側板引出，實驗過程中考慮到氣體的使用安全性和配套監測儀器等因素，選用氦氣作為示蹤氣體，并使用MOT400型氣體分析儀對測點逐個進行取氣分析。在模型開切眼和工作面沿煤層走向持續推進180 m，煤層頂板垮落并形成采空區后，進行通風和示蹤氣體監測。

1.3 實驗臺監測點的布置

此實驗臺為立體模型，布置有3個水平的氣體監測點，頂層測點與中間層相距10 cm，中間測點位于開采煤層之上8 cm，底層測點與開采煤層持平。底層測點在水平方向上共分為8列，每列7個測點，上隅角獨立設置57個測點，中間測點除上隅角未設置測點外，其余測點設置與底層布置一致；上層測點在水平方向上分為8列，每列5個測點，共40個測點，3層共布置153個測點。圖2和圖3分別為測點布置平面圖和垂直方向上的分布示意圖。其主要是通過對不同點位的監測點進行持續的氣體濃度監測，從而可以對采空區三維漏風流場進行分析。

圖2 應力傳感器與測氣點水平分布平面圖

圖3 測氣點垂直方向分布剖面圖

2 工作面概況及物理模型的建立

2.1 工作面概況

本次相似模擬實驗原型為山西某公司202綜采面，202綜采工作面主采15#煤層，煤層厚度平均為5.2 m，采用綜合機械化煤采煤法，近水平開采，一次采全高，工作面走向長度836 m，傾向長度120 m，工作面傾角7°，全部垮落法管理頂板。工作面布置有一條進風巷、一條回風巷，通風方式采用一進一回U型負壓通風法。

2.2 物理模型的建立

在通過相似模擬實驗研究采動覆巖變形、破壞過程和裂隙分布等特點時，實驗模型與原型的物理力學參數必須相似，而在此類相似常數選擇時，泊松比和容重根據實驗要求選擇，而強度和應力則根據相似準則計算[13-15]，本次實驗根據上述選擇和計算，得到最終的物理力學相似參數(見表1)和模型巖層物理力學性質(見表2)。

表1 模型物理力學參數相似常數Tab.1 Similarity constants of the physical mechanical parameters of model

表2 模型煤巖層物理力學性質Tab.2 Physical mechanical properties of the coal rock of model

3 實驗結果

在開采工作完成24 h，煤層覆巖垮落穩定后，開始對模型進行通風。在一進一回的U型通風系統中，在進風側將氦氣與空氣同時吸入進風管，并將氦氣釋放流量調節至一固定值，設定通風量為16 L/min，氦氣通入量設定為2 L/min，壓力0.12 MPa，監測工作在通風系統穩定供風30 min后開始進行。表3為實驗臺采空區不同測點的示蹤氣體濃度分布數據。

表3 實驗臺采空區示蹤氣體濃度分布Tab.3 Concentration distribution of tracer gas in goaf of experimental platform

將以上數據利用Surfer8.0軟件特有的自然鄰點插值法計算，首先得到網格化數據，再繪制出處于冒落帶層位的濃度云圖(如圖4,圖5所示)，來進行進一步的分析。

圖4 采空區冒落帶氦氣濃度分布云圖

圖5 采空區冒落帶100 m深度內氦氣濃度分布云圖

從圖中可以看出，采空區漏風分布存在以下3個特征區域。

1)“上隅角漏風影響區”。此區域位于分布云圖左上角的橢圓范圍內(見圖5)，氦氣濃度主要分布在10%～26%之間，此區域包含了在傾向上從回風巷到工作面40 m范圍和此寬度后方采空區80 m的深度范圍。在此區域內，綜采工作面會在煤柱邊緣一側留有一定的頂煤或底煤，且煤柱受壓變形后會產生裂隙并形成大量浮煤，并導致漏風增大，這就為煤自然發火提供了相應的條件。而采空區內的氣體受上隅角處負壓通風影響，會改變原有流動方向，直接轉向上隅角，造成此區域的漏風強度接近引起煤自燃的漏風強度，所以其自燃危險性最大。加之此處風流直接流入工作面靠近回風側處，則此區域的自燃對工作面安全的影響也最大；

2)“架后重點漏風區”。此區域位于分布云圖左側的半橢圓范圍內(見圖5)，氦氣濃度均在40%以上。進風巷工作面端頭處有大量的漏風從下隅角進入采空區，并流經工作面的液壓支架后，從工作面中部靠上隅角一側重新返回工作面。在此區域，雖然漏風較大，通常大于煤自燃極限漏風強度，不滿足自燃所需的蓄熱條件。而且架后區域在一次采全高并清理浮煤的條件下，其浮煤堆積高度通常小于極限浮煤厚度，因此，“架后重點漏風區”內的煤自燃危險性最低；

3)“下隅角煤柱邊緣漏風帶”。此區域位于分布云圖左下方的矩形范圍內(見圖5)，氦氣濃度主要分布在12%～40%之間。此區域在下隅角一側采空區內的煤柱邊緣松散三角區內，漏風強度遠遠大于上隅角煤柱一側的松散三角區。其雖然也具備較好的浮煤條件，但由于漏風強度較大，主要危險區域距工作面較遠，從而自燃引起的安全威脅較小。

采空區9 m深度垂直方向上的氦氣濃度分布如圖6所示，從圖中可以看出，采空區中部上方氦氣濃度略高于兩側，下隅角上部略高于上隅角上部，風流跡線沿傾向方向對稱，垂直方向上氦氣濃度分布呈現底部高、上部低的特點，說明采空區漏風強度在垂直方向上隨著高度的增加而減小，并且采空區漏風在垂直方向上的影響范圍可以達到60 m左右。

圖6 采空區9 m深度垂直方向氦氣分布云圖

4 結 論

1) 搭建了可用于研究采空區氣體滲流規律的三維物理相似模擬實驗臺，從而可以較為精確的研究采空區空間內氣體流場的分布特征；

2) 研究了U型通風條件下采空區內的漏風分布情況，并分析總結了在采空區內漏風存在3個特征區域，即：“上隅角漏風影響區”，“架后重點漏風區”和“下隅角煤柱邊緣漏風帶”。同時分析了各個特征區域的自燃危險性，結果為“上隅角漏風影響區”最大，“架后重點漏風區”最小；

3)研究得出在采空區垂直方向上，風流跡線沿傾向方向是對稱的，并且采空區漏風強度在隨著高度的增加而減小，最大影響高度可達到60 m左右。

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Effect of air leakage on spontaneous combustion at goaf of U-shape working face

LI Yun-hua

(LianhuDistrictDetachmentofPoliceFireDrigade,Xi’an710002,China)

In order to further understand the air leakage law in goaf with U-shape ventilation system and provide theoretical basis for fire prevention and control,we use physical simulation experiment method and build the experimental platform for similar simulation of goaf gas seepage.We also achieve the natural caving of coal mining and uses the three-dimensional monitoring means to study the air leakage law in goaf with U-shape ventilation system.The results show that:the air leakage exists in three characteristic regions as follows,the “air leakage region with upper corner”,“air leakage region behind the support”and“air leakage region of lower corner pillar edge”.According to the analysis of the spontaneous combustion hazard of each feature area,we know the spontaneous combustion hazard of “air leakage region with upper corner” is the highest,and the spontaneous combustion hazard of “air leakage region behind the support” is the lowest.At the same time,the air leakage intensity increases with the height decreases in the vertical direction in goaf,and the biggest impact height can reach 60 m.The research points out the key regions of fire prevention in U-shape ventilation system,and provides a theoretical guidance for fire prevention work at goaf with air leakage influence.

goaf;spontaneous combustion;similar simulation；air leakage law；gas concentration

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2015.0106

1672-9315(2015)01-0032-06

2014-09-10責任編輯:劉 潔作者簡介：李韞華(1976-)，女，陜西西安人，工程師，E-mail:510081248@qq.com

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