8204工作面采空區(qū)自燃特性分析

崔永青，孫 亮

(1. 山西馬堡煤業(yè)有限公司， 山西 長治 046300； 2. 煤科集團(tuán) 沈陽研究院有限公司， 遼寧 撫順 113122； 3. 煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室， 遼寧 撫順 113122)

采煤工作面開采后，煤層上覆巖層將逐漸垮落壓實，但仍存在裂隙，工作面的風(fēng)將漏入采空區(qū)，對采空區(qū)遺煤自然發(fā)火產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。因此，準(zhǔn)確掌握采空區(qū)流場的性質(zhì)對防止遺煤自燃具有重要意義[1-2]. 科研工作者對此開展了大量的研究，錢鳴高[3]等研究得到采空區(qū)冒落壓實“O”形圈理論，對后來的研究指出了方向；李宗翔等[4]將采空區(qū)分割為4個區(qū)：不自燃Ⅱ區(qū)、不自燃Ⅰ區(qū)、自燃區(qū)和易自燃區(qū)，指出采空區(qū)遺留煤自然發(fā)火的特性。為了獲得礦井采空區(qū)自然發(fā)火防治理論，研究采空區(qū)流場成為核心問題，最近幾年來研究的主要方法是通過Fluent流體軟件[5-7]進(jìn)行數(shù)值模擬，部分科研工作者通過自編軟件的針對性和靈活性進(jìn)行試驗，取得了一定的研究成果[8-10]，如遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院李宗翔教授利用自編的軟件—G3程序比較準(zhǔn)確地描述采空區(qū)自燃溫度場的性質(zhì)，可以分析不同因素對自燃升溫的影響，例如采煤方法、通風(fēng)方式和防滅火措施等[11-14]，成為研究采空區(qū)自然發(fā)火危險范圍的重要方法。G3程序是基于場流理論，即非均質(zhì)介質(zhì)—非線性滲流—多組分氣體交換—溫度場方法，是系統(tǒng)研究采空區(qū)自然發(fā)火的分布特點的一種有效途徑，仍需進(jìn)一步完善基礎(chǔ)研究條件的隨機(jī)性變化。采空區(qū)不但具有垮落壓實的非均勻性，還具有煤耗氧的非均勻性，且煤耗氧是隨機(jī)變化的。

因此，根據(jù)這一現(xiàn)象，研究了基于垮落壓實非均勻性“O”形圈分布、煤耗氧非均勻性和隨機(jī)性的采空區(qū)流場的自然發(fā)火特點[15-16]，以更加接近采空區(qū)自然發(fā)火分布特征的真實情況。

1 采空區(qū)煤氧化反應(yīng)方程

所謂非均質(zhì)冒落采空區(qū)主要指一個非線性滲流場，這個場由包層流、紊流和過渡流3種流體構(gòu)成[8]，在場內(nèi)采空區(qū)遺煤發(fā)生氧化耗氧及自燃升溫，研究此場主要用到下列方程組：

(1)

(2)

(3)

式中，k為滲透系數(shù)張量，m2/(Pa·s)；p為風(fēng)壓，Pa；為Hamilton算子；V為風(fēng)流滲流速度，m/s；‖V‖是V的模；n為空隙度；b為與k同單位的識別參數(shù)；δ1為考慮冒落介質(zhì)調(diào)和粒徑、顆粒形狀系數(shù)和空氣運動黏性系數(shù)的特征參數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，可取δ1=1 438.36 m-1s；c(O2)為氧濃度，mol/m3；τ為時間變量；V是式(1)解出的滲流速度，V=n·v(其中v是真實速度)；D是氧氣彌散系數(shù)張量[7]，m2/s；c為空氣的摩爾密度；Wg是瓦斯組分涌出稀釋強度，這里忽略；H1為遺煤堆積層厚度；γ0是煤耗氧速度常數(shù)(待定系數(shù))，mol/(m3·s)；b0為實驗常數(shù)[9]，b0=0.023 5 ℃-1；t為采空區(qū)多孔介質(zhì)表征溫度，℃；λe為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·℃)；CS、Cg分別為多孔骨架、空隙氣體的體積當(dāng)量熱容，J/(m3·℃)；h為對流換熱系數(shù)，W/(m2·℃)；Tf為風(fēng)流溫度，℃；QS為自燃放熱項；b1為煤耗氧化學(xué)反應(yīng)放熱值，J/mol.

2 計算“O”型冒落的條件

伴隨著工作面的不斷開采，上覆巖層逐漸破斷垮落，采空區(qū)覆巖垮落從穩(wěn)定狀態(tài)變化為不穩(wěn)定狀態(tài)，再到穩(wěn)定狀態(tài)，在工作面采空區(qū)周圍保護(hù)煤柱的支撐下，垮落整體演變成基本頂和上覆關(guān)鍵巖層的O-X型破斷。伴隨著工作面的推進(jìn)和周期來壓的到來，采空區(qū)中部的覆巖裂隙和垮落下來的巖石幾乎都已壓實，但在采空區(qū)周圍保護(hù)煤柱側(cè)離層裂隙和冒落裂隙得到良好的保留，進(jìn)而圍繞采空區(qū)周圍發(fā)育成相互連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)，也就是采場“O”型圈，作為主要通道為采空區(qū)漏風(fēng)滲流提供了便利。根據(jù)這一現(xiàn)象以及工作面在開采時，存在動態(tài)變化和冒落壓實的隨機(jī)性，得到采空區(qū)冒落分布“O”形圈，見圖1b).

圖1 采空區(qū)計算區(qū)域與冒落非均質(zhì)性模型圖

以山西馬堡煤業(yè)有限公司8204工作面采空區(qū)流場條件為例，工作面長度80 m，計算幾何模型見圖1.圖中Q為工作面風(fēng)量；qL、q′L分別為工作面向采空區(qū)漏入、漏回風(fēng)量；qCH4為沿縱深邊界瓦斯平移涌出風(fēng)量。

采空區(qū)壓實分布以“O”型圈模型的計算表達(dá)式如下：

KP(x,y)=KP,min+(KP,max-KP,min)e-a1d1(1-e-ξ1·a0d0)(ξ1<1)

(4)

式中，ξ1是控制“O”型圈模型分布形態(tài)的調(diào)整系數(shù)。取a1=0.036 8、al=0.268、ξ1=0.233時的KP(x,y)分布顯示結(jié)果見圖1b). 經(jīng)過現(xiàn)場觀測，工作面風(fēng)量Q=426.8 m3/min(每米風(fēng)阻0.009 4 N s2/m8)，漏入風(fēng)量qL=34.2 m3/min；冒落壓實按負(fù)指數(shù)規(guī)律變化，衰減率為0.037 6，推定b=0.58，則k=0.001 702～0.048 3 m2/(Pa·s)，qCH4=1.8 m3/min.

采用有限元法求解進(jìn)行數(shù)值計算，使用李宗翔教授編制的G3程序開展數(shù)值模擬計算[7]，需在MATLAB環(huán)境下運行；模型選用雙流層模型，底部是遺煤耗氧層，上部是非耗氧的巖層裂隙。計算結(jié)果見圖2，流線間流量差值為2 m3/min，風(fēng)壓等值線差值為2 Pa.

圖2 采空區(qū)場條件及風(fēng)流規(guī)律的模擬結(jié)果圖

在8204工作面借助束管監(jiān)測系統(tǒng)對采空區(qū)氣體成分開展現(xiàn)場實測，通過回歸分析擬合獲得γ0=1.472×10-5mol/(m2·s)；起始溫度為17 ℃. 規(guī)程中工作面的推進(jìn)度是2.4 m/d，為了便于研究，采用可能發(fā)生的最大自燃情況進(jìn)行計算，同時在實際生產(chǎn)中工作面會發(fā)生配采或機(jī)械故障停產(chǎn)，因此推進(jìn)度取平均數(shù)為1.2 m/d；模擬得到場流區(qū)域氣體濃度—溫度分布結(jié)果，見圖3，4，5，6，得出了不同模擬條件下的表征溫度升溫過程。

3 采空區(qū)漏風(fēng)滲流、遺煤耗氧與升溫變化的模擬

均勻耗氧場未采取任何防火措施(不注氮)的模擬結(jié)果見圖3，由圖3可知，工作面回采后發(fā)生“O”型垮落巖體結(jié)構(gòu)明顯大于幾何完全垮落的孔隙，采空區(qū)漏風(fēng)面積相對擴(kuò)大。通過分析圖2a)和圖3c)發(fā)現(xiàn)，煤氧化升溫地帶位于采空區(qū)冒落壓實范圍的邊界處，產(chǎn)生局部效應(yīng)，主要處于偏向漏風(fēng)風(fēng)流上風(fēng)側(cè)進(jìn)風(fēng)方向(此位置氧氣足夠)。因為風(fēng)流經(jīng)過采空區(qū)遺留煤時發(fā)生“沿程耗氧”效應(yīng)，采空區(qū)氧濃度的分布不平均，在進(jìn)風(fēng)區(qū)域比回風(fēng)區(qū)域高，在工作面回風(fēng)隅角周圍雙流層模型的氧氣濃度局部開始增大。

圖3 采空區(qū)自然發(fā)火的模擬結(jié)果圖

影響采空區(qū)遺煤自然發(fā)火的因素主要有煤自身性質(zhì)和外力因素，其中外力因素主要通過改變采場環(huán)境、實施采空區(qū)防滅火安全技術(shù)手段。總結(jié)起來主要是通過惰化和阻化的手段達(dá)到采空區(qū)防滅火的效果，惰化技術(shù)主要為通過降低氧氣濃度達(dá)到防滅火效果，比如向采空區(qū)注入氮氣、CO2氣體等，而阻化技術(shù)為通過隔絕遺煤與氧氣達(dá)到防滅火效果，比如向采空區(qū)噴灑阻化劑、注水和灌漿等。堵漏和封閉技術(shù)兼有兩種防滅火技術(shù)的特點，比如向采空區(qū)注入三相泡沫、凝膠等。由于采空區(qū)遺煤厚度不均勻、漏風(fēng)浮動變化導(dǎo)致供氧不穩(wěn)定、噴灑阻化劑和注水灌漿等阻化效果差異大，使得采空區(qū)發(fā)生非均勻耗氧。而現(xiàn)場實際生產(chǎn)過程中影響采空區(qū)內(nèi)遺煤非均勻耗氧的隨機(jī)原因很多，耗氧不均勻現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生，均勻耗氧現(xiàn)象是人為假設(shè)的理想化情況。

依據(jù)工作面采空區(qū)現(xiàn)場條件計算實際耗氧隨機(jī)非均勻性的模擬結(jié)果見圖4，耗氧隨機(jī)情況在0.1～1.1倍上下浮動變化，上限值表示采空區(qū)采取阻化措施后完全沒有作用；下限值表示采取以上綜合阻化措施后阻化效果的充分體現(xiàn)，假設(shè)非均勻耗氧隨機(jī)變化通過有限元剖分單元作為定值，并以0～1的隨機(jī)量來計算。

模擬獲得溫度變化見圖4. 由圖4可知，溫度呈現(xiàn)非均勻分布變化，模擬結(jié)果與采空區(qū)發(fā)生自然發(fā)火的實際情況相符合，采空區(qū)自然發(fā)火最先在某一角落開始引燃，如果未能采取有效措施控制火勢，將會逐步蔓延最終產(chǎn)生局部火區(qū)。同時還發(fā)現(xiàn)盡管采空區(qū)局部耗氧在變化，但采取阻化措施后控制住了采空區(qū)耗氧能力，明顯減弱整體的耗氧能力，證明溫度開始下降；分析圖3d)和圖4d)發(fā)現(xiàn)，采取阻化措施后采空區(qū)自然發(fā)火有毒有害氣體CO的分布范圍明顯收縮；但是采取阻化措施后，仍然不能扭轉(zhuǎn)采空區(qū)自燃，這一現(xiàn)象正好和現(xiàn)場實際情況比較符合(即采取噴灑阻化劑和灌漿一般很難完全控制采空區(qū)自燃)。發(fā)現(xiàn)采空區(qū)流場的蓄熱與漏風(fēng)供氧聚集部位(即在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角的冒落壓實邊界區(qū)域)是采空區(qū)自然發(fā)火的高溫區(qū)域，之后再分析耗氧隨機(jī)變化的不均勻影響因素。

圖4 阻化后耗氧不均勻情況下的模擬結(jié)果圖

注入氮氣惰化采空區(qū)的模擬結(jié)果見圖5，對比分析發(fā)現(xiàn)向采空區(qū)注入氮氣后，可以大面積的惰化采空區(qū)，采空區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)楣┭醪怀渥阕匀紲p弱的形式，自燃升溫很難保持下去，采空區(qū)溫度逐漸減小最終保持平穩(wěn)，更有可能滅火降溫。由圖6得到采空區(qū)在升溫時，如果噴灑阻化劑同時配合注氮氣，則可確保自燃升溫的可能性完全消除，體現(xiàn)出綜合防滅火手段的優(yōu)點這一理論研究結(jié)果。

圖5 實施惰化(注氮氣10 m3/min)情況下的模擬結(jié)果圖

圖6 實施措施后采空區(qū)升溫與CO涌出量的對比圖

4 結(jié) 論

1) “O”形圈特征的采空區(qū)自然發(fā)火情況與采場簡單的幾何裂隙分布有很大的差異，但是二者所遵照的場流規(guī)律基本一致。采空區(qū)發(fā)生火災(zāi)的地點主要位于靠近壓實的采空區(qū)邊緣，自然發(fā)火重點地帶主要是在采空區(qū)進(jìn)風(fēng)隅角附近，冷卻帶位于工作面周圍的垮落紊流范圍。采空區(qū)上覆巖層越穩(wěn)定，所形成的“O”形圈特點就越明顯，自然發(fā)火高溫地帶的重心分布特征越收縮于采空區(qū)的中心。

2) 現(xiàn)場采空區(qū)的實際情況很繁雜，每個因素都是非均勻的和隨機(jī)變化的，其中耗氧是非均勻性的(阻化劑噴灑非均衡條件)，所以基于非均勻流場的數(shù)值模擬結(jié)果(采空區(qū)溫度場和自然發(fā)火演變過程)更具合理性；耗氧分布的非均勻性也反映了采空區(qū)自然發(fā)火的爆發(fā)特點。

3) 以上研究對現(xiàn)場實際生產(chǎn)中判定采空區(qū)高溫地帶和開展防滅火工作具有重要意義，在防治采空區(qū)自然發(fā)火時，重點處理區(qū)域應(yīng)是采空區(qū)高氧濃度分布地帶，實施滅火時要擴(kuò)展至采空區(qū)深部的低氧濃度區(qū)域。