切頂沿空留巷采空區自然發火規律研究

郝亞兵，曹文輝

(1.西山煤電集團有限責任公司， 山西 太原 030024； 2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院， 山西 太原 030024)

我國煤炭成煤周期較長、煤樣種類豐富、地質特性多樣，易自燃、自燃煤層礦區分布較廣[1]. 由于煤化程度、煤巖組分、水分、含硫量、孔隙率及脆性等影響，煤層自然發火傾向礦井占總礦井數量達半數以上[2]，增加了煤礦井下防滅火難度。井下回采后，采空區留有大量遺煤，存在一定自燃風險。

110工法-切頂沿空留巷無煤柱開采技術中留巷的正幫段即留巷采空區側，是采空區的冒落帶，采空區全部暴露在巷道內，形成一種完全開放的狀態，與傳統回采工藝的密閉封堵采空區相比較，漏風相對嚴重，增加了采空區自燃危險性。以官地煤礦12605工作面為研究對象,采用實驗研究、數值模擬、現場檢測相結合的方法分析切頂沿空留巷采空區自然發火規律，以保證該礦安全生產。

1 礦井概況

12605工作面屬南六采區，東北側為12603工作面，與本工作面相距23 m，西南側為未采區。工作面走向長度為920 m，傾向長度為220 m，均采用矩形斷面。工作面回采施工示意圖見圖1，12605工作面通風方式示意圖見圖2. 采用兩進一回“W”型抽出式通風方式，即12605副巷進風，12605正巷回風，12605工作面切頂沿空留巷進風。

圖1 工作面回采施工示意圖

圖2 12605工作面通風方式示意圖

2 煤樣程序升溫氧化實驗研究

選取該礦新暴露煤樣，用保鮮膜包好送到實驗室進行程序升溫-氣相色譜聯用實驗，實驗系統見圖3. 分析煤樣程序升溫氧化過程中氣體產生規律，研究其氧化特性。

圖3 實驗系統示意圖

2.1 實驗參數

在真空環境將煤樣進行破碎，篩選0.45 mm、0.90 mm、2.00 mm、3.20 mm、4.75 mm五種粒徑煤樣(與現場采空區遺煤粒徑相近)各20 g，共100 g煤樣混合裝入內徑45 mm、長100 mm銅罐中，放入程序升溫箱。設置程序升溫箱初始溫度為25 ℃，終止溫度為245 ℃，升溫速率為1 ℃/min，銅罐通入流速為60 mL/min的空氣，銅罐底部鋪設阻燃材料以及鐵絲網以保證通入氣體在罐內均勻流動。氣相色譜以氬氣為載氣，每升溫20 ℃檢測一次氣體成分。

2.2 實驗結果分析

2.2.1 煤樣升溫氧化氣體產物

煤樣升溫氧化生成物主要包括碳氧化物、烷烴、烯烴等氣體。隨溫度升高，煤樣升溫氧化生成的氣體濃度基本呈上升趨勢，但不同氣體產生時間及生成量存在差異性。各氣體產生規律見圖4.

圖4 氣體產生規律圖

在煤升溫氧化的整個過程中均有CO、CO2、CH4以及C2H6生成；當溫度低于105 ℃時，CO緩慢增加且生成量較低，O2濃度變化不明顯；當溫度達到105 ℃時H2開始出現；當溫度在105 ℃～165 ℃時，CO濃度緩慢增加，O2濃度緩慢減少；當溫度達到145 ℃時開始出現C2H4；當溫度超過165 ℃時，CO濃度急劇上升，O2濃度急劇下降；當溫度超過185 ℃時，C2H4濃度急劇上升。

2.2.2 煤樣升溫氧化耗氧速率

程序升溫實驗中氣體運行路徑主要為氧化罐中心線垂直方向，該區段空氣流量和煤樣的質量都比較小，總體漏風強度較小，所以，煤體內的氧氣濃度分布方程可以假設在煤體的中心軸方向上，煤升溫氧化過程中氧氣消耗速率按式(1)計算[3-4]. 將實驗數據代入公式，得到結果見圖5.

圖5 耗氧速率曲線圖

(1)

當溫度低于105 ℃時，耗氧速率較小且變化不明顯；當溫度在105 ℃～165 ℃時，耗氧速率緩慢增大但還處于較低階段；當溫度超過165 ℃時，耗氧速率急劇增大，故溫度超過165 ℃時，煤樣氧化后氣體組分中氧氣濃度急劇下降。實際耗氧速率與實驗有一定差異，需結合現場考慮。

2.2.3 煤樣升溫氧化COX氣體生成速率

煤樣升溫氧化過程中，COX氣體的生成速率按式(2)、(3)計算[5]. 將實驗數據代入公式，得到結果見圖6.

圖6 COX氣體生成速率曲線圖

(2)

(3)

在煤升溫氧化的整個過程中CO2生成速率始終大于CO生成速率。當溫度低于105 ℃時，COX氣體生成速率很低幾乎為零且變化不大；當溫度在105 ℃～165 ℃時，COX氣體生成速率開始緩慢增加；當溫度超過165 ℃時，COX氣體生成速率急劇上升。

綜上分析，在煤樣整個升溫氧化過程中，當溫度低于105 ℃時煤樣在緩慢氧化，當溫度在105 ℃～165 ℃時加速氧化，當溫度超過165 ℃時劇烈氧化，CO濃度、C2H4濃度、H2濃度、耗氧速率以及CO生成速率在這3個階段都有明顯變化。因此，提出以CO、C2H4作為判定氧化程度的主要指標，用H2、耗氧速率以及CO生成速率輔助監測。

3 切頂沿空留巷采空區自然發火規律數值模擬

由于實驗研究環境與切頂沿空留巷采空區遺煤所處環境存在一定的差異，在實驗研究的基礎上，采用FLUENT流體力學模擬計算軟件對12605切頂沿空留巷工作面進行數值模擬研究,其軟件內部包含模型建立，數值方法以及較為強大的后處理功能[6].

3.1 模型建立及簡化

根據官地煤礦12605工作面-采空區實際條件，在對其采空區模型建立過程中，認為礦井采空區為巖層混合體與松散煤體并行組成的多孔介質，故其流場建立選取多孔介質模型。同時對采空區數值模擬中的相關問題進行簡化：

1) 采空區由冒落巖石和遺煤空隙構成的多孔介質，近似將采空區多孔介質視為各向同性。

2) 忽略采空區內熱輻射對溫度的影響，只考慮熱傳導與熱對流。

3) 忽略氣體及巖體的物理特性參數隨溫度的變化，將其視為常數。

模型簡化后俯視示意圖見圖7.

圖7 模型俯視示意圖

邊界條件：工作面溫度恒定不變T工作面=16 ℃；漏風源的風溫恒定T入=16 ℃；進風口風量Q副=950 m3/min，Q正=650 m3/min；采空區進回風巷邊界T=16 ℃；采空區氧氣初始體積分數：C1(O2)=0；漏風源氧氣體積分數：C2(O2)=21%；回采率0.87；工作面風阻0.019 3 N·S2/m8.

采空區內冒落煤體在采空區內部形成非均勻多孔介質，氣體運移情況滿足達西定律，氣體流動以及遺煤氧化過程遵守質量守恒、動量守恒以及能量守恒三大守恒定律。遺煤氧化控制方程以及采空區滲透率方程參考文獻[6,7].

創建好采空區遺煤氧化模擬模型[8，9]后，通過編寫UDF導入，可得到采空區滲透率的動態演變規律，并在此基礎上完成對采空區氣體流動以及熱傳遞的模擬，得到采空區溫度、氧氣分布規律。

3.2 結果分析

3.2.1 不同推進距離采空區氧氣與溫度分布規律

采空區氧氣濃度分布對自然發火具有重要的影響，可根據采空區氧氣濃度將采空區劃分為散熱帶(氧氣濃度>16%)，自燃帶(6%≤氧氣濃度≤16%)和窒息帶(氧氣濃度<6%)[10,11]. 同時，采空區溫度也是重要影響因素。工作面推進50 m、100 m、200 m時采空區氧氣與溫度分布情況分別見圖8，9.

圖8 氧氣分布情況圖

圖9 溫度分布情況圖

工作面推進初期，氧氣濃度在采空區12605副巷進風段較高并沿12605工作面傾向遞減；由于采空區高氧區域距進風段近，散熱快而且在低氧區域遺煤無法充足氧化，故整個采空區溫度較低；隨著工作面不斷推進，采空區沿工作面傾向及走向氧氣濃度降低，基本達到穩定狀態；采空區溫度分布在工作面走向出現差異，工作面推進到200 m，采空區溫度分布達到穩定狀態。

為驗證模擬結果的有效性，收集官地煤礦12605工作面推進100 m后切頂成巷采空區光纖測溫與束管監測的氧氣體積分數數據，光纖與束管布置方式分別見圖10，圖11. 將收集數據匯總分析，結果分別見圖12，13.

圖10 光纖布置示意圖

圖11 束管布置示意圖

圖12 光纖測溫數據圖

圖13 束管監測數據圖

2號、3號光纖數據對應采空區進風側，7號、8號光纖對應采空區留巷側以及12605留巷；將束管監測的氧氣體積分數匯總，得出采空區進風側與留巷側氧氣體積分數。分析得出,模擬切頂沿空留巷采空區進風側與留巷側溫度及氧氣變化趨勢與現場實測是相同的，模擬結果與現場實測結果基本吻合，但也存在一定差異，因為模擬忽略了影響較小的散熱，使模擬溫度結果普遍高于實測結果；模擬時認為進風風壓、漏風量一定，而實際情況較為復雜，實際漏風量稍大于模擬設定漏風量，模擬氧氣濃度結果普遍低于實測結果。綜上所述，證明基于FLUENT模擬分析官地煤礦切頂沿空留巷采空區自然發火規律是有效的。

3.2.2 不同推進速度采空區氧氣與溫度分布規律

模擬分析推進速度為3.2 m/d、4.8 m/d、6.4 m/d時切頂沿空留巷采空區溫度-氧氣分布規律，見圖14. 在溫度分布云圖上以氧氣濃度為6%～16%等值線標注為采空區遺煤氧化帶。

圖14 溫度-氧氣分布規律圖

在不同推進速度下沿空留巷采空區升溫區域皆分布于進風側。隨著推進速度的增加，采空區內部升溫區域范圍縮小。主要由于推進速度越快，采空區遺煤處于氧化升溫帶的時間越短，降溫速度快。隨著推進速度的加快，留巷側升溫區域隨推進速度加快而逐漸縮小。

隨著推進速度的變化，沿空留巷采空區升溫區域與氧化帶分布位置不斷發生改變。氧氣體積分數等值線向采空區深部移動，由于升溫區域受推進速度影響較小，故后移現象不明顯。

通過進一步對工作面中部模擬監測點及留巷側模擬監測點數據分析，得到不同推進速度下工作面中部以及留巷側溫度-氧氣變化情況，分別見圖15，16.

圖16 留巷側監測點溫度-氧氣變化關系圖

工作面中部監測點和留巷側監測點最高溫度隨著推進速度的增加，都呈下降趨勢；以24.85 ℃為觀察點，隨推進速度的增加中部監測點和留巷側監測點高溫區域走向寬度變窄，且中部監測點高溫區域向采空區深處移動，留巷側高溫區域在175～185 m，變化不明顯；推進速度加快時，采空區未壓實漏風比較嚴重，整個采空區的氧氣濃度都在上升。當推進速度為3.2 m/d時，工作面中部監測點高溫點氧氣體積分數為10.51%，留巷側為12.21%；當推進速度為4.8 m/d時，工作面中部監測點高溫點氧氣體積分數為13.12%，留巷側為14.23%；當推進速度為6.4 m/d時，工作面中部監測點高溫點氧氣體積分數為13.01%，留巷側為14.01%. 推進速度越慢，最高溫度區域氧氣體積分數越低，但最高溫度區域氧氣體積分數隨推進速度的加快，氧氣體積分數增長趨勢減緩。 在相同推進速度下留巷側高溫點氧氣體積分數較高，容易加大遺煤氧化程度，需加強留巷側管理。綜上分析，提出官地煤礦最佳推進速度為4.8 m/d.

4 結 論

1) 通過實驗研究，掌握了官地煤礦12605工作面煤樣升溫氧化過程中氣體產生規律。結果表明，當溫度低于105 ℃時煤樣緩慢氧化，當溫度在105 ℃～165 ℃加速氧化，當溫度超過165 ℃劇烈氧化。結合官地煤礦實際，提出以CO、C2H4作為判定氧化程度的主要指標。

2) 基于FLUENT模擬軟件，分析了官地煤礦不同推進距離、不同推進速度下切頂沿空留巷采空區自然發火規律得出，隨著推進速度的加快，采空區內部升溫區域沿工作面傾向的范圍逐漸縮小；沿空留巷側升溫區域沿工作面走向的范圍逐漸縮小。推進速度越快，采空區最高溫度區域對應的氧氣體積分數越高，且隨著推進速度加快，最高溫度區域氧氣體積分數增加趨勢減緩。提出官地煤礦最佳推進速度為4.8 m/d. 對于切頂沿空留巷采空區，管理重點應放在進風側以及留巷側尾部。