大采高綜放工作面采空區自然發火“三帶”分析研究

郭偉強

(山西西山晉興能源有限責任公司，山西 呂梁 033602)

特厚煤層綜采放頂煤技術可以大幅提高煤炭產量和開采效率，但由于綜采放頂煤技術一次性開采強度大、冒落高度大，導致采空區遺留殘煤多、孔隙率大、漏風嚴重，加之機電設備功率大、散熱多引起采空區溫度增高等，使得自然發火頻繁。煤炭自燃導致的火災會產生大量有毒有害氣體，并且會引起瓦斯、粉塵爆炸等二次災害，嚴重威脅井下人員的生命安全。

煤炭自燃都須經歷一個發生、發展的過程，采空區遺煤自燃具有一定的規律性，只要把握這個規律性，在煤炭自燃的初始緩慢聚熱階段對其進行有效控制和處理，就能防止因采空區遺煤自燃而導致礦井火災的發生。

1 礦井及工作面概述

斜溝煤礦是設計生產能力為15.0 Mt/a的大型礦井，設計服務年限為70年。礦井采用斜井開拓方式，劃分兩個水平，采用分煤組大巷布置方式。23107綜放工作面位于21采區13#煤層，走向長度3 400 m，傾向長度242 m. 采用走向長壁后退式綜合機械化低位放頂煤采煤方法進行回采。工作面采高為3.6 m，放煤高度10.75 m，采放比約為1∶2.99，按一刀一放的正規循環作業，循環進度、放煤步距均為0.8 m，采用全部垮落法管理采空區頂板，煤層最短自然發火期為34 d. 由于綜放采煤法本身的局限性，回采率有限，采空區遺煤多，再加上放煤高度大，漏風量大，采空區遺煤自然發火嚴重。

2 采空區自燃“三帶”劃分

采空區自燃“三帶”劃分方法包括氧氣濃度、采空區內溫度(遺煤溫升速率)、采空區內漏風風速，而溫度劃定法和漏風風速劃定法較少采用。這是由于采空區內遺煤、矸石導熱系數很低，即使采空區內空氣存在熱對流、傳導、輻射等，但范圍有限，當采空區局部位置出現遺煤激烈氧化放熱時，很難保證熱量傳遞到兩巷測點附近；而漏風風速劃定的方法現場開展難度大，要求的條件苛刻，適用性低。因此，本次現場測定工作以最為通用的指標氧氣濃度作為基礎，以采空區溫度、漏風風速作為參考指標，采用計算機數值模擬作為采空區自燃“三帶”劃分的輔助指標。參考13#煤層相關耗氧臨界值報告，具體氧氣劃分指標如下：

散熱帶：O2濃度>18%

氧化帶：7%

窒息帶：O2濃度<7%

3 采空區“三帶”觀測方案

煤層自然發火的氧化放熱性能是一定的，當物理條件符合，工作面推進度小于氧化自燃帶寬度時，就有可能發生采空區遺煤自燃。因此，預測采空區遺煤自燃時，必須掌握工作面風量、采空區自燃帶范圍、溫度、O2濃度、CO濃度、工作面推進度等參數。綜合各種參數，分析采空區自燃的變化和分布規律，確定工作面采空區自燃“三帶”的分布范圍。

通過對采空區預埋管路進行氣體采樣和分析，得出工作面推進與采空區內氣體濃度之間的關系。以氧氣含量7%～18%作為自燃“三帶”劃分的依據，采空區采樣點布置示意圖見圖1.

圖1 工作面采空區采樣點布置示意圖

4 23107綜放面實測數據分析

4.1 基礎數據分析

在回風巷將1號測點埋入采空區108 m左右時，發現氧氣濃度小于7%且基本穩定，遂停止觀測；在進風巷將1號測點埋入采空區228 m左右時，氧氣濃度已經低于7%，停止觀測工作。為直觀揭示采空區氧氣濃度及溫度變化規律，將所測數據用ORIGIN軟件作出折線圖并進行擬合分析，見圖2，3,4，5.

圖2 回風巷1號測點氧氣濃度及溫度變化規律圖

圖3 回風巷2號測點氧氣濃度及溫度變化規律圖

對回風巷1號測點擬合得出回歸方程：

y=19.67-0.04x-0.01x2+5.46x3-8.06x4+3.36x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈14 m，氧化帶范圍x2≈84 m.

對回風巷2號測點擬合得出回歸方程：

y=19.83-0.43x-0.02x2-7.61x3-2.55x4+2.96x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈6 m，氧化帶范圍x2≈72 m.

取兩者平均值，得出23107綜放面回風側自燃“三帶”寬度為：散熱帶0～10 m，氧化帶10～78 m.

圖4 進風巷3號測點氧氣濃度及溫度變化規律圖

圖5 進風巷4號測點氧氣濃度及溫度變化規律圖

對進風巷3號測點擬合得出回歸方程：

y=20.96-0.04x+0.002x2-3.32x3+1.76x4-3.02x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈95 m，氧化帶范圍x2≈215 m.

對回風巷4號測點擬合得出回歸方程：

y=20.96-0.02x-8.87x2+5.28x3-7.72x4+2.32x5. 將y=18，y=7分別代入，得出散熱帶寬度x1≈127 m，氧化帶范圍x2≈195 m.

取兩者平均值得出，23107綜放面進風側自燃“三帶”寬度為：散熱帶0～111 m，氧化帶111～205 m. 工作面采空區自燃“三帶”范圍見表1.

表1 工作面采空區自燃“三帶”范圍表

由表1可以看出，23107綜放面采空區的自然發火危險區域為進風側111～205 m，寬度為94 m；回風側10～78 m，寬度68 m. 采空區中部自然發火危險區域介于進風側、回風側之間。

4.2 采空區氧氣場數學模型驗證

23107綜放面采空區三維數學網格模型見圖6，模型尺寸根據工作面作業規程中的巷道尺寸及現場實測得出，由經驗公式計算，模型采空區上部冒落帶高度為71.75 m、裂隙帶高度為143.5 m.利用ANSYS前處理軟件GAMBIT進行建模、網格劃分、邊界條件設置后得出圖6中的模型，之后導入流體力學計算軟件FLUENT來計算采空區氧氣濃度分布云圖，見圖7.

圖6 23107綜放工作面采空區三維數學網格模型圖

圖7 23107綜放工作面采空區底板氧氣濃度分布云圖

從圖7可以看出，進風側采空區高氧含量區域明顯寬于回風側的采空區。當深入采空區100 m左右時氧氣濃度仍然在18%左右，而回風側進入采空區約13 m時氧氣濃度降至18%左右；進風側采空區在200 m左右氧氣濃度低于7%，進入“三帶”中的窒息帶，而回風側采空區在70 m左右時才進入窒息帶。上述數據與現場實測數據基本吻合，補充驗證了現場實測結果。

5 工作面推進速度計算

保證工作面正常生產，避免采空區火災產生的最低安全回采速度稱為極限推進速度，極限推進速度與最短自然發火期和自然發火危險區域密切相關，通常有如下計算公式：

(1)

式中：

Vf—極限推進速度，m/d；

Lz—最大自然發火危險區域，m；

T—最短自然發火期，d.

根據現場實測與模擬，23107綜放面最大自然發火危險區域長度為94 m，最短自然發火期為34 d，代入上式得出極限推進速度為2.8 m/d. 在現場觀測期間，23107綜放工作面的正常平均推進速度為4.7 m/d，大于2.8 m/d的極限推進速度，符合安全要求。

6 結 論

1) 通過現場實測得出了23107綜放面采空區不同深度下氧氣濃度、溫度的變化規律，以氧氣濃度作為劃分指標劃分出其自燃“三帶”范圍：進風側散熱帶0～111 m、氧化帶111～205 m、窒息帶大于205 m，自然發火危險區域為111～205 m，寬度94 m；回風側散熱帶為0～10 m、氧化帶為10～78 m、窒息帶大于78 m，自然發火危險區域為10～78 m，寬度為68 m. 采空區中部自然發火危險區域介于進風側和回風側之間。

2) 建立了采空區三維物理滲流數學模型及CFD模型，通過數值模擬補充驗證了現場實測的采空區自燃“三帶”范圍。

3) 通過測定得出的自然發火危險區域長度，結合所做實驗得出的最短自然發火期計算出其最低安全回采速度為2.8 m/d，若要保證23107綜采面正常生產，避免火災產生，應保證推進度大于2.8 m/d.