基于多參量的采空區煤自燃危險區域劃分方法研究

岳寧芳，金 彥，陳桂林，孫明福，冉學超

(1.西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054； 2.靖遠煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅 白銀 730614；3.靖遠煤電股份有限公司紅會一礦，甘肅 白銀 730614)

我國目前處于能源消費結構轉型階段，但是短期內難以控制煤炭資源需求的增長趨勢[1]。伴隨綜放開采、孤島開采、高層注漿開采、長壁開采等[2]礦井開采技術的應用推廣，在煤炭資源開采效率提升的同時井下環境愈發的復雜、惡劣。井下災害時有發生，其中煤自燃火災事故占據礦井火災事故總數的70%[3]。因此，針對以采空區為主的煤自燃孕育危險區域進行劃分，能夠合理安排每日最小推進度、注惰管路預埋、日常監測等防滅火工作[4]。

近年來，眾多學者針對采空區危險區域劃分、判定理論進行了大量研究。徐精彩等[5]通過分析煤自然發火特性參數，提出了煤自燃危險區域的判定條件及劃分方法；張辛亥等[6]通過建立煤氧耦合數學模型，模擬了不同工況條件下的采空區溫度、氧氣場分布情況，補充了采空區危險區域劃分影響因素；完顏曉亮等[7]通過整理分析現場數據，總結了煤自燃“三帶”空間分布規律，為實際采空區煤自燃危險區域的判定提供了理論借鑒；常緒華等[8]通過理論與現場試驗相結合，將工作面自燃危險區域劃分為動、靜2種危險區域，研究結果充分表明了采空區“動態三帶”潛在的研究應用價值。

針對王家山煤礦采空區遺煤自燃隱患控制問題，通過公斤級煤自然發火試驗裝置測試、現場布點抽測和仿真模擬收集煤自燃特性參數，為現場煤自燃危險區域劃分提供基礎數據。現結合判定式歸納進行現場煤自燃隱患危險區域劃分，以指導現場開展煤自燃防控工作。

1 采空區危險區域判定方法

1)采空區出現危險區域的前提是滿足浮煤氧化反應放熱量大于散熱量，其必要條件通式如下[9]：

div[λmgradTc]+q0(Tc)-div(fρgcgvTc)≥0

(1)

式中:λm為現場浮煤的導熱系數，W/(m·K)；q0(Tc)為采空區內浮煤在溫度Tc、氧氣體積分數φ0條件下的放熱強度，J/(s·cm3)；f為浮煤孔隙率，%；ρg為采空區內氣流的密度，g/cm3；cg為測定現場環境中空氣的比熱容，J/(kg·K)；v為現場風機控制的正常空氣流速，m/s。

2)在假定推進速度和煤(巖)體初始溫度確定時，采空區內浮煤自燃的條件可以認定為：一定厚度的浮煤、合適的漏風強度及足夠的氧氣體積分數。在式(1)的基礎上確定關鍵參數計算式如下[10-11]：

①采空區最小浮煤厚度。在井下采空區實際環境中，漏風強度較小時，可以忽略風流所導致的煤體熱量流失，即采空區域的熱量傳遞可以被看作是一維的平面煤(巖)體傳導散熱問題。則可將式(1)簡化，進而推導得到煤體升溫所必要的下限浮煤厚度(hmin)計算式如下：

(2)

②采空區極限氧氣體積分數。將采空區簡化視作平面一維傳熱問題，則可由式(1)推導得到采空區內浮煤氧化升溫必要的極限氧氣體積分數(φmin)計算式如下：

(3)

(4)

表1 煤自燃“三帶”劃分條件

2 煤自燃關鍵數據測定試驗

2.1 試驗裝置

利用西安科技大學公斤級煤自然發火試驗裝置對王家山煤礦煤樣進行測試，獲取現場煤樣自然發火特性參數。煤自然發火試驗裝置由絕熱氧化裝置、供氣控制系統、溫度自動檢測系統構成,如圖1所示。該試驗裝置能夠模擬井下煤體實際自然發火過程所需要的氧化升溫條件。

圖1 公斤級煤自然發火試驗裝置示意圖

2.2 試驗條件及過程

從王家山煤礦工作面采集50 kg新鮮煤樣，使用破碎機進行煤樣破碎篩分，重新混合成試驗煤樣。

試驗過程中按照預設的間隔參數進行氣樣采集，通入氣相色譜儀進行分析，記錄試驗溫度變化條件下的氣體種類和濃度數據。具體試驗條件如表2 所示。

表2 煤樣試驗條件

2.3 試驗結果分析

煤自然發火試驗測試結果見圖2，當現場環境溫度為25 ℃ 時，現場遺煤最短自然發火期為48 d[15]。通過理論計算式可以確定現場遺煤在28.3 ℃時所對應的耗氧速率為4.732×10-11mol/(s·cm3)，危險區域關鍵參數對應關系如表3所示。另外，經過試驗研究發現，出氣口位置氧氣體積分數為5%～7%時，裝置出氣口溫度低于高溫點溫度，且溫差逐漸擴大，由此可以推斷當現場浮煤處于此氧氣體積分數區間內時不易因自然升溫而引發礦井火災。

表3 不同浮煤厚度時的下限氧氣體積分數和上限漏風強度

3 現場觀測與數據分析

3.1 現場觀測方法

王家山煤礦二層煤中二202綜放工作面采空區的氣體通過現場預埋束管抽氣(每50 m布置一測點)，利用氣相色譜儀分析方法進行觀測，最遠束管測點距離工作面 200 m，進、回風側各3個測點。

3.2 觀測數據處理分析

1)采空區浮煤厚度

中二202綜放工作面煤層平均厚度為11.15 m，平均采煤高度約為2.6 m，平均放煤高度約為7.7 m。工作面回采率約為88%。由于現場采空區中部綜合回采率為93%，因此采空區內部孔隙率按30%計算，則采空區內的平均浮煤厚度計算結果為1.9 m。

2)采空區氧氣體積分數

結合束管抽測數據與數值模擬數據，可以繪制出采空區內的氧氣體積分數波動曲線，如圖3所示。由圖3可知，進、回風側氧氣體積分數隨著工作面的推進呈線性遞減趨勢。在進風側距工作面41 m時氧氣體積分數降至18.5%左右，110 m后降至7.0%以下；在回風側距工作面25 m時氧氣體積分數降至18.0%以下，55 m后降至8.0%左右。

圖3 采空區內氧氣體積分數隨埋深的波動曲線

3)采空區漏風強度

當浮煤厚度小于0.6 m時，漏風強度上限為負值，無法滿足煤體蓄熱條件，可以認定此時煤體氧化反應所放出的熱量將通過風流全部散失[16]。假設漏風沿一維流動，且漏風強度不變，則可通過計算一段區域的兩邊界點氧量估算該位置的漏風強度。實際漏風強度計算式如下[17-18]：

(5)

結合采空區內氧氣體積分數分布規律，以及理論推導式，可以計算出采空區內漏風強度，具體計算數值將為采空區危險區域判定提供基礎數據。采空區內漏風強度計算結果如圖4所示。

圖4 采空區內漏風強度隨埋深的波動曲線

4 采空區流場分布規律數值模擬

為有效劃分采空區煤自燃危險區域，基于現場采空區模型進行三維場模擬，以便更為直觀地觀察采空區內的氧氣體積分數分布情況[19]。根據王家山煤礦中二202工作面實際情況，利用ANSYS軟件構建模型，如圖5所示。設定采空區長129 m、寬200 m、高27 m；浮煤厚度設定為1.9 m，兩側浮煤為7.7 m，放煤步距為2.6 m，浮煤上方為巖層；設定工作面長2.6 m、寬200 m、高4 m,進回風巷道長 50 m、寬5 m、高4 m。

圖5 采空區數值模擬模型

煤樣參數設定如下：密度為855.871 kg/m3，比熱容為 1 332.201 9 J/(kg·K)，熱擴散系數為0.085 6 W/(m·K)；巖體溫度為298.15 K；邊界條件進風巷(velocity-inlet)設定風速為0.55 m/s，回風巷(outlet)設定模式為自然出流(outflow)；浮煤區域自然瓦斯涌出量為2.3 m3/min。其他相應參數等通過UDF編譯函數，使用編譯器進行設定，而后進行相關計算[20]。通過Fluent軟件進行運算求解，得到采空區內部的氧氣體積分數分布規律，抽取運算步驟中的采空區內部氧氣體積分數分布范圍，模擬結果見圖6。

(a)初始供氣時氧氣分布

從圖6(b)可以看出,在采用最大驗證風速的參數條件下，采空區內進回風側的氧氣體積分數差別較大，但整體的氧氣體積分數分布規律與現場實測數據接近。因此，結合模擬結果，應重點加強對采空區進風側50～110 m及回風側20～60 m區域內的煤自燃防控工作，以確保工作面的安全回采。

5 基于多參量的煤自燃危險區域判定方法

依據計算得到的現場浮煤厚度、由試驗數據計算所得的危險區域影響參數閾值、現場束管觀測和Fluent模擬所得到的氧氣場和氣流場的分布規律，可以進行王家山煤礦采空區內的危險區域劃分[21-22]。

為避免模擬數據出現誤差，根據采空區漏風強度、氧氣體積分數和浮煤厚度分布情況，將上述參數繪制在同一個圖上(見圖7(a))，結合危險區域判定條件(見表1)及“三帶”區分閾值(見表3)，可以判斷出采空區煤自燃“三帶”分布范圍，具體劃分情況如圖7(b)所示。

圖7 采空區煤自燃危險區域劃分情況

根據圖7(b)的危險區域劃分情況，最終可以確定中二202工作面采空區散熱帶距工作面0～50 m，在進、回風兩側向前突出；窒息帶距工作面55～105 m；氧化升溫帶在進風側最寬約50 m，回風側寬約30 m。即重點防控區域應為進風側50～105 m，回風側25～50 m。

考慮到202工作面在回采過程中受到大傾角的影響導致推進速度較慢，因此在“三帶”劃分過程中以極值(向上取極大值，向下取極小值)作為劃分閾值，確保防患區域全覆蓋。采空區氧化升溫帶沿回采方向進風側最寬為60 m，即Lmax=60 m，且煤自燃試驗最短發火期為48 d，因此取安全系數1.3，則計算可得每日最小安全推進度為1.6 m。

6 結論

1)利用公斤級煤自然發火試驗裝置，確定現場煤體的最短自然發火期為48 d，確定了現場煤體的極限浮煤厚度、極限氧氣體積分數及極限漏風強度三者的對應關系。

2)采用現場觀測與數值模擬的方法，得到了王家山煤礦大傾角工作面采空區氧氣體積分數等多場的分布規律，模擬數據與現場觀測數據基本吻合。

3)根據整合的采空區危險區域劃分判定式進行了現場應用，結合束管監測數據與模擬數據劃分了現場采空區煤自燃“三帶”危險區域。確定了現場采空區煤自燃防控重點約在進風側50～105 m，回風側25～50 m，每日最小安全推進度為1.6 m。