Y型通風采空區自燃“三帶”分布研究及應用

白志鵬 常可可 趙文才

（1.山西潞安礦業（集團）有限公司通風處，山西 襄垣 046299；2.中國礦業大學（北京）應急管理與安全工程學院， 北京 100083）

高河礦煤層自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬不易自燃煤層，但其工作面范圍存在陷落柱、地質構造帶，造成特殊區域煤自燃特性的改變[1-2]。該礦W1310工作面采用Y 型通風，加之排放采空區瓦斯時新鮮風流補入，使得該工作面采空區存在自然發火的危險。因此，研究Y 型通風工作面采空區自燃三帶的分布規律對指導高河礦采空區自燃防治具有重要意義[3]。本文以高河礦W1310 工作面采空區為對象，運用數值模擬與現場檢測相結合的方式，研究Y 型通風條件下的采空區“自燃三帶”分布及運動規律。研究成果將對該礦提高防滅火效率、預防自然發火事故、保障工作面的安全生產提供理論支持[4]。

1 研究區域及模型參數

1.1 研究區域概況及模擬區域選擇

高河礦是隸屬于潞安集團的現代化高產高效礦，位于長治市以西約4km 處，行政區劃為長治縣所轄。其地理坐標為：東經112°57′20″~113°06′15″，北緯 36°04′40″~36°15′57″。區內交通極為便利，北通五針路，太（原）焦（作）鐵路、208 國道、長晉高速縱貫南北，距長晉高速入口僅 2km。所研究區域高河礦W1310 工作面北面為W1309 工作面，南面臨W1311 工作面，西面為礦井西邊界，東面為+450m 水平南翼大巷。W1310 工作面按兩進一回布置，即膠帶順槽（原W1309 工作面輔運順槽）、進風順槽進風，回風順槽回風。工作面地質條件復雜，日推進速度慢，工作面風量大，采空區漏風嚴重，在煤層開采過程中，容易受到煤層自然發火的威脅。工作面巷道布置如圖1 所示。

圖1 工作面巷道布置圖

1.2 模擬區域及參數確定

選取整個W1310 工作面采空區進行模擬，模擬過程中涉及的初始條件包括：碎漲系數、孔隙率。邊界條件包括：工作面進風順槽風量、回風壓力等。各參數的基本值如表1 所示。

表1 模擬參數基本值確定

2 采空區自燃“三帶”模擬分析

應用COMSOL 軟件對采空區進行模擬，采空區氧濃度分布如圖2 所示。模擬結果顯示：進風側進入采空區182m，氧氣濃度降至18%；繼續進入采空區至302m，氧氣濃度下降速度逐漸加快；深度到達302m 以后，氧氣濃度下降至8.0%以下。距回風順槽45m 處初始氧濃度20.07%，進入采空區83m 時，氧氣濃度降至18%，繼續進入采空區至160m，氧氣濃度加速下降，深度到達160m 以后，氧氣濃度降到8%以下。距回風順槽27m 處初始氧濃度20.30%，進入采空區60m 時，氧氣濃度降至18%以下，繼續進入采空區至130m，氧氣濃度加速下降，深度到達130m 以后，氧氣濃度降到8%以下。距回風順槽14m 處初始氧濃度20.55%，進入采空區45m 時，氧氣濃度降到18%以下，繼續進入采空區至87m，氧氣濃度加速下降，深度到達87m 以后，氧氣濃度降到8%以下。

以氧濃度18.0%與8.0%為采空區散熱帶、氧化升溫帶和窒息帶的劃分標準[5]，采空區自燃“三帶”分布如表2 所示。

圖2 氧濃度分布圖

表2 高河礦W1310 工作面采空區自燃“三帶”分布

3 驗證及應用

3.1 現場測定及驗證

為精確研究綜采面采空區氣體分布，按照數值模擬的位置在綜采工作面布置相對應4 個測點。測點進入采空區后，根據工作面推進情況，采樣周期為每兩天一次，采空區束管測點處各種氣體濃度隨工作面推進的變化規律，以氧氣含量8%～18%作為“氧化帶”對工作面采空區進行“三帶”劃分。本次測點在進回風側及工作面支架同一水平方向布置，對采空區氣體進行覆蓋式監測，測點的布設示意圖如圖3 所示。

圖3 束管測點布設示意圖

根據工作面采空區氧氣體積分數實測結果，各測點的采空區氧體積分數變化曲線如圖4 所示。

從檢測結果可以得出，1#測點進入采空區169m，測點氧氣濃度降至18%；隨測點繼續進入采空區至297m，氧氣濃度在16.0%~18.0%之間波動；測點進入采空區291m 以后，氧氣濃度迅速下降至8.0%以下。2#測點初始氧濃度20.07%，埋入深度到達87m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度到達167m 時，氧氣濃度降到8%以下。3#測點初始氧濃度20.30%，埋入深度至77m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度到達147m 時，氧氣濃度降到8%以下。4#測點初始氧濃度20.55%，埋入深度到達52m 時，氧氣濃度降到18%以下，隨后氧氣濃度加速下降，埋入深度至114m 時，氧氣濃度降到8%以下。檢測與模擬結果的“三帶”范圍對比如表3 所示。

圖4 1~4#測點氧濃度隨埋深變化曲線

表3 采空區自燃“三帶”分布范圍對比

上述實測結果與數值模擬結果進行對比，表明模擬整體與現場實測基本一致。因此，W1310 工作面采空區數值模擬模型的建立的基礎及模型參數的取值是具有一定科學意義，能夠反映采空區實際自燃“三帶”的分布情況。

3.2 自燃三帶分布與風量分配的關系確定

為有效分析風量對采空區自燃“三帶”的影響，指導高河礦的防滅火工作，以該模型為基礎，在實際配風量的基礎上，適當擴大和縮小風量供給，選取現場實際風量的 1/3、2/3、3/2 倍，即 1257m3/min、2513m3/min、5655m3/min 作為代表風量值，模擬分析現場配風增加或減小情況下采空區氧氣濃度分布情況，如圖5 所示。

圖5 不同風量時采空區氧濃度變化規律

根據數值模擬結果，分析采空區自燃“三帶”變化情況，劃分風量增加和減弱后采空區自燃“三帶”的范圍，如表4 所示。

結果表明：采空區自燃“三帶”的范圍和工作面風量、采空區漏風量密切相關，工作面風量增加，采空區散熱帶、氧化升溫帶以及窒息帶整體向采空區深部移動，且氧化升溫帶的范圍呈現擴大趨勢。因此，當工作面生產過程中遇見斷層、陷落柱以及尾采、停采的時候，適量降低工作面供風量，使得采空區氧化升溫帶范圍整體向工作面移動，將采空區遺煤自然發火危險區域推至窒息帶范圍，實現遏制采空區遺煤自然發火的事故發生。另外，高河礦W1310 工作面采空區進風一側自燃“三帶”的范圍要遠遠大于回風一側，采空區和回風巷之間受漏風以及斷層等因素影響，在實際操作過程中要加強觀測，防范特殊事件的發生。

表4 風量調節時采空區自燃“三帶”分布

4 結論

（1）高河礦W1310 工作面采空區“三帶”劃分范圍為：散熱帶為采空區深部距工作面范圍0~52m；氧化升溫帶為采空區深部距工作面范圍52~297m；窒息帶為采空區深部距工作面大于297m。

（2）隨著工作面風量增加，采空區三帶整體向采空區深部移動，且氧化升溫帶的范圍呈擴大趨勢。

（3）當工作面生產過程中遇見斷層、陷落柱以及尾采、停采的時候，適量降低工作面供風量，能夠遏制采空區遺煤自然發火的事故發生。