永智煤礦5101工作面采空區自燃“三帶”范圍研究

王競楷,呂 猛,張博威

(準格爾旗永智煤炭有限公司,內蒙古 鄂爾多斯 017100)

采空區遺煤自然發火是我國大多數礦井普遍存在的問題,嚴重制約安全生產。當前,確定采空區自燃“三帶”的分布范圍是防治自然發火的首要任務,對于指導防滅火工作具有重要意義[1]。

目前,邸志乾等[2]以風速為劃分標準,得到放頂煤綜采采空區“三帶”分布的形態及范圍;徐國華[3]利用數值模擬軟件研究了公烏素礦1604工作面采空區自燃“三帶”的分布范圍,并分析了工作面風量對推進速度的影響。劉俊等[4]采用采空區預埋束管的方法分析采空區O2體積分數,進而確定采空區自燃“三帶”寬度;李宗翔等[5]利用高O2體積分數區域和高溫度區域疊加的方法確定了采空區內氧化帶的范圍;王毅等[6]通過對工作面現場氧氣和溫度監測,并利用Fluent模擬采空區風流速度,對工作面“三帶”進行了劃分;尚瑋煒等[7]通過現場實測和結合Matlab軟件分析處理得到了采空區自燃“三帶”的分布特征;李作泉等[8]利用COMSOL數值模擬軟件計算了工作面推進不同階段采空區“三帶”范圍及漏風情況。

本文以永智煤礦5101工作面為背景,通過現場實測O2體積分數和Fluent數值模擬的方法,對永智煤礦5101工作面采空區自燃“三帶”分布范圍進行了研究,得出利于防治遺煤自燃的最小推進速度,以指導永智煤礦實際生產。

1 工程概況

永智煤礦位于鄂爾多斯市準格爾旗境內,礦區海拔標高1 400 m,該礦井屬低瓦斯礦井,礦井地溫無異常。3-1煤、4-2煤已回采完畢,現主采5-1煤。5101工作面位于二水平5-1盤區,是5-1盤區的首采工作面,5101工作面可采走向長約為2 497 m,傾斜寬約為224.85 m,工作面凈煤厚約為3.1～4.98 m,平均厚度約為3.88 m,煤層平均傾角為1°～3°,采用一次采全高工藝、全部垮落法處理頂板,工作面的通風方式為“U”型通風,工作面配風量為1 470 m3/min.經鑒定,5-1煤屬容易自燃煤層,煤塵具有爆炸性。

2 現場實測

2.1 采空區“三帶”劃分依據

采空區遺煤自燃可劃分為三個帶:即散熱帶、氧化升溫和窒息帶,如圖1所示。常用的“三帶”劃分方法主要有3種:O2體積分數劃分法、溫度法、漏風強度法,考慮現場實際和各方法的優缺點[6],本次監測主要采用O2體積分數劃分法為依據。根據礦區實際情況以及周圍礦井的調研,將試驗工作面“三帶”劃分的氧含量指標定為:通風散熱帶O2含量不小于18.0%,氧化帶O2含量為8%～18.0%,窒息帶O2含量不大于8%[9].

圖1 采空區自燃“三帶”分布示意

2.2 觀測方案

5101綜采工作面采空區自燃“三帶”觀測管路鋪設均采用進、回風巷預埋管路的鋪設方法。如圖2所示,在工作面兩回采巷道各布置2個測點,1個監測1個備用,兩測點間距為50 m,取樣管路采用束管,束管全段采用鋼管進行保護,束管前端取樣頭為65 mm保護圓柱形鋼管,鋼管上有小孔,以便氣體進入取樣頭,束管單管伸入取樣頭并用封泥將進口封嚴。

圖2 測點示意

沿回風巷布置的管路直接接入井下束管監測系統,進行實時取樣自動分析;沿進風巷布置的束管長度共計150 m,采用人工取氣分析[10-12]。隨著工作面的推進,當取樣頭進入采空區內,記錄下取樣頭的初始位置,每天固定時間采樣分析一次,并記錄工作面每日推進度。

2.3 實測數據分析

5101綜采工作面進風巷(輔運)監測自2023年4月13日至4月28日共監測16 d,有效監測采空區深度72.6 m;回風巷(膠運)監測自2023年4月13日至4月28日共監測16 d,有效監測采空區深度68.2 m.整個觀測過程中,5101工作面上下隅角吊掛擋風簾,擋風簾嚴密;上下出口斷面合理,采面風流暢通;工作面兩端頭三角區頂板垮落及時,沒有形成懸頂。

圖3為進風巷人工采樣分析所得出的O2體積分數隨采空區深度增加而變化的曲線,由圖可見,采空區O2體積分數隨采空區深度增加而減少。當采空區深度達到19.6 m時,O2含量為18.098 2%;當采空區深度達到68.2 m時,O2含量為8.198 5%.

圖3 進風巷(輔運)測點O2體積分數隨采空區深度變化圖

圖4為束管系統自動采樣分析所得出的O2體積分數隨采空區深度增加而變化的曲線,當采空區深度達到10.1 m時,O2含量為18.396%;當采空區深度達到15.4 m時,O2含量為17.190 3%;當采空區深度達到35.6 m時,O2含量為9.586 9%;當采空區深度達到43.2 m時,O2含量為7.535 3%.經數值插入處理可得:當采空區深度達到10.3 m時,O2含量為18%;當采空區深度達到36.3 m時,O2含量為8%.

圖4 回風巷(膠運)測點O2體積分數隨采空區深度變化圖

由此得出該采空區遺煤自燃“三帶”范圍見表1.由觀測數據可以看出,回風巷側的采空區散熱帶和氧化帶寬度明顯窄于進風巷,而窒息帶要寬于進風巷。

表1 5101工作面采空區實測自燃“三帶”范圍

2.4 采空區O2體積分數分布函數及應用

根據圖3和圖4所示兩回采巷道側束管監測的O2體積分數分布特征,采用線性函數、二次函數和指數函數對監測數據進行擬合[13],擬合結果見表2.

表2 采空區O2體積分數分布擬合結果

由表2可以看出,采空區O2體積分數分布采用二次函數效果最佳,O2體積分數分布規律可以用二次函數進行表達,具體表達式如下:

y=Ax2-Bx+C

(1)

式中:y為采空區O2體積分數,%;A、B、C均為擬合參數;x為采空區深度,m.

根據二次函數擬合結果,分別計算采空區O2體積分數8%和18%對應采空區深度,進而獲得自燃“三帶”分布范圍,結果見表3.對比表1和表3可以看出,采用二次函數擬合計算得到的采空區自燃“三帶”范圍與現場實測的采空區自燃“三帶”范圍基本相符。可見,采用二次函數對實測O2體積分數分布數據進行精確擬合,能夠較好地反映采空區兩回采巷道O2體積分數分布規律。

表3 二次函數計算自燃“三帶”范圍

3 數值模擬

3.1 數值模型建立

選用Fluent軟件對采空區內氣體流動規律進行數值模擬,以永智煤礦5101綜采工作面與采空區實際尺寸為基礎進行建模選取工作面、進風巷與采空區的交點作為坐標原點,沿工作面傾向為X軸,工作面長度為224.85 m,采空區深度方向為Y軸,采空區深度為300 m,向上為Z軸,模擬上覆巖層25 m工作面進風巷和回風巷斷面積分別為17.5 m2、16.8 m2.

模型被劃分為2 400 000個網格,將進風口定義為速度入口(velocity-inlet),回風口定義為自由流出口(outflow),工作面運輸巷、工作面、采空區、工作面回風巷均定義為三維空間多孔介質區域。進風巷設置為速度入口,選擇組分運輸模型,混合物選擇methane-air并選擇能量方程,采空區中設置為多孔介質,孔隙率和粘性阻力系數為UDF函數,導入到FLUENT中求解運算[14]。

3.2 流速劃分下采空區自燃氧化帶

U型通風下工作面風速分布如圖5所示。由圖5可得,供風風流在流經工作面時,仍保持著較高的流速,但在進回風隅角,由于風流變向和漏風的影響,風速略有減小。

圖5 U型通風工作面及采空區風速分布

為了進一步分析采空區自燃氧化帶的位置,根據0.004 m/s(0.24 m/min)和0.001 m/s(0.1 m/min)對采空區的“三帶”進行劃分[15]。圖6是以漏風風速為指標劃分的自燃氧化帶的分布范圍。由圖6可得,采空區自燃氧化帶分布在采空區后方20 ～70 m范圍內。由于采空區兩巷與中部滲流環境的差異性,兩巷附近的漏風流速等值線較中部更加深入,氧化深度更大。在進風側,0.004 m/s的等值線可深入到采空區走向70 m左右位置。

圖6 采空區的氧化帶分布(風速劃分)

3.3 O2體積分數劃分下采空區自燃氧化帶

分別提取采空區中間及進回“兩道”測點O2體積分數進行分析,如圖7所示。進風側在進入采空區20 m左右后,O2體積分數下降至18%,在70 m左右位置,氧氣濃度為8%;回風側的O2體積分數在進入采空區后便急速下降,當深入采空區10 m左右位置時,O2體積分數為18%;在35 m左右位置時,O2體積分數為8%.采空區的O2體積分數分布具有不均勻性,進風側的采空區O2體積分數明顯高于回風側。

圖7 采空區O2體積分數分布

圖8表示進、回風側及采空區中部O2體積分數變化規律,分別以O2體積分數18%、8%為界劃分“三帶”,根據圖8分析可得,氧化帶由采空區進風側向采空區回風側延伸時,寬度逐漸減小,回風側氧化帶寬度與采空區中部及進風側相比較窄,在進風巷一側氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風巷一側氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m.

圖8 進風側、回風側及采空區中部O2體積分數變化規律

4 工作面最小安全推進度

采空區遺煤要自燃,不僅需要具備一定厚度的遺煤,還需要維持該區域的O2條件不變的時間足夠長,即維持時間t必須達到:

t>tmin

(2)

式中:tmin為煤的最短發火期,d.

理論研究和生產實踐表明,加快工作面推進速度是預防采空區自然發火的有效技術措施。根據工作面的具體開采狀況,設采空區自燃氧化帶最大深度為Lmax,則設計推進速度v應滿足下式:

(3)

因此,工作面最小推進速度為[16]:

(4)

式中:t為采空區遺煤氧化時間,d;Lmax為采空區自燃氧化帶最大寬度,m;v為工作面推進速度,m/d;tmin為煤的最短發火期,d.

永智煤礦5-1號煤層采空區最短發火期為33 d,自燃氧化帶最大寬度為進風巷側48.6 m.將相關參數代入式(4)中,計算得到5101綜采工作面最小推進速度為1.47 m/d.采空區自燃“三帶”測定期間,5101工作面平均推進速度為4.4 m/d,遠大于發生自燃的極限推進速度1.47 m/d.因此,按照當前的推進速度,5101工作面采空區出現自然發火危險的概率較低。

5 結 語

1) 現場實測表明,進風巷側采空區散熱帶范圍為0～19.6 m,氧化帶為19.6～68.2 m,窒息帶在68.2 m之后。回風巷側采空區側散熱帶范圍為0～10.3 m,氧化帶為10.3～36.3 m,窒息帶在36.3 m之后;二次函數可對O2體積分數與采空區深度進行較好的擬合,以反映采空區兩回采巷道O2體積分數分布規律。

2) 利用Fluent軟件進行模擬,以漏風風速為指標,氧化帶范圍為20 ～70 m;以O2體積分數為指標,進風巷一側氧化帶范圍為20～70 m,自燃氧化帶寬度為50 m,采空區中部氧化帶范圍為16～55 m,氧化帶寬度約為40 m,回風巷一側氧化帶范圍為10～36 m,氧化帶寬度約為26 m,進風側的采空區氧化體積分數明顯高于回風側,數值模擬結果和現場實測結果大致相同。

3) 依據所劃分的“三帶”范圍,計算出5101工作面發生自燃的極限推進速度為1.47 m/d,按照永智煤礦當前工作面推進速度,出現自然發火危險的概率較低,該結論為永智煤礦防滅火工作提供了科學指導。