深部鄰近采空區多漏風條件下自燃“三帶”分布規律研究

張九零, 白 陽, 范酒源, 李江濤, 陳建廣

(1.華北理工大學應急管理與安全工程學院,河北 唐山 063210;2.河北省礦山開發與安全技術重點實驗室,河北 唐山 063210)

0 引言

深部煤層工作面采空區與鄰近采空區間的隔離煤柱在高應力以及復雜的地質條件影響下被壓裂,在煤柱兩側壓差的作用下形成漏風通道,導致煤柱及遺煤發生自燃[1]。因此,研究深部鄰近采空區漏風對煤炭自燃規律的影響,可為深部采空區煤自然發火治理提供理論指導。

近年來,國內外眾多學者通過理論分析、實驗研究結合數值模擬等手段對漏風條件下煤的自燃規律進行研究,其成果促進采空區火災防治領域的快速發展[2]。Zhang等[3]發現,風流攜帶氧氣進入采空區會加快遺煤氧化自燃進程;趙文彬等[4]得出工作面漏風增大采空區自然發火風險;劉昆輪等[5]通過工程現場實測發現進風巷風量與工作面漏風呈正相關,加大遺煤與氧氣的接觸面積,采空區煤自燃危險性增加;邢震[6]用數值模擬與現場實測相結合的方法得出漏風造成采空區自燃帶寬度增加且向深部運移;黃帆等[7]發現在實際漏風條件下,風流通過漏風通道進入采空區,氧化帶分布范圍與漏風量成正比。

上述研究表明,采空區漏風與遺煤自燃存在著直接關聯。但對于深部鄰近采空區多漏風通道條件下遺煤自燃規律的研究相對較少,為明確其自燃的分布規律,以唐山礦0291綜放工作面為工程背景,采用數值模擬與工程現場實測相結合的方式判定鄰近采空區多漏風通道條件下采空區的自燃危險區域,研究成果可為深部開采礦井鄰近采空區漏風條件下遺煤自燃災害防治提供現場指導。

1 工程背景

開灤集團唐山礦0291綜放工作面開采位于南五采區,工作面為8、9煤層分合區,煤層為自燃傾向煤層,自然發火期8—12個月;9煤層上覆5煤層為0250、0251已回采工作面,2煤層間距40～60m,頂板受0291工作面采動影響會產生大量裂隙并與上覆0250、0251采空區聯通,形成多條漏風通道,使0291工作面采空區存在遺煤自燃的危險。0291工作面工程現場實測地點,如圖1;煤層賦存地質分布,見表1。

表1 煤層賦存地質情況

圖1 工程現場實測地點

2 自燃“三帶”數值模擬

以唐山礦0291工作面為工程背景構建多漏風條件下采空區自燃“三帶”物理模型,通過FLUENT軟件模擬深部鄰近采空區多漏風條件下自燃“三帶”的分布規律。

2.1 物理模型

以回風巷與工作面的交界點為坐標原點,采空區走向方向為X軸,工作面傾向方向為Y軸,采空區豎直方向為Z軸,建立深部鄰近采空區漏風條件下的采空區物理模型。物理模型尺寸如下:采空區傾向、走向長分別為142與280m,高度為50m,工作面寬、高均為4m,進、回風巷斷面尺寸為3m×4m。0291工作面上覆0250、0251工作面采空區,隨0291工作面推進,0291工作面采空區與0250、0251工作面鄰近采空區連通,導致形成多條漏風通道,增加了0291工作面采空區遺煤氧化自燃的潛在危險。當工作面推進至132m時,0291工作面采空區上覆0250工作面采空區,其相鄰區域存在2條漏風通道;推進至165m時,0291工作面采空區與0250工作面采空區接觸面積增大,導致原有漏風通道增大,并與回風巷側尾巷接口處存在漏風;推進至280m時,0291工作面采空區同時上覆0250、0251工作面采空區,與0250、0251工作面采空區相鄰區域共存在5條漏風通道,回風側尾巷接口處漏風通道依然存在。因此,模擬4種漏風條件下的采空區內氧氣濃度分布規律,0291工作面推進至280m時的物理模型,如圖2。

圖2 物理模型

2.2 數學模型

模擬深部鄰近采空區多漏風條件下采空區自燃“三帶”分布規律的數學模型,如式(1)-(3)。

質量守恒方程:

(1)

式中:

t—氣體流動時間,s;

i—矢量方向;

xi—i方向采空區的距離分量,m;

ρf—混合氣體密度,kg/m3;

ui—i方向上采空區的平均速度分量,m/s;

sm—采空區內氣體質量增加量,kg/(m3·s)。

動量守恒方程:

(2)

式中:

uj—j方向上采空區的平均速度分量,m/s;

j—矢量方向;

p—氣體微元上的壓強,Pa;

μ—氣體動力黏度,Pa·s;

xj—j方向采空區的距離分量,m;

g—重力加速度,9.18m/s2;

si—i方向上氣體在采空區多孔介質運移過程中附加的動量損失源項,N/m3。

si的計算如式(3)。

si=-(μ/k)ui

(3)

式中:

k—滲透率,m2。

組分輸運方程:

(4)

式中:

Yn—采空區混合氣體中組分n的質量分數,%;

Rn—采空區混合氣體中組分n的化學反應生成量,kg/(m3·s);

Sn—采空區混合氣體中組分n的源相,kg/(m3·s)。

(5)

式中:

Dn—組分n的質量擴散系數,m2/s;

ΔYn—采空區混合氣體中組分n的質量分數變化量,%。

2.3 邊界條件設定

邊界條件設定如下。

入口條件:進風巷入口處設置為速度入口條件,進風風速為2m/s;混合氣體的組分設為氧氣和氮氣,其中,氧氣濃度為21%。

出口條件:回風巷出風口設為自由出口。

界面條件:區域之間交界面設為內界面,壁面邊界設為無滑移靜態壁面。

采空區設置:將采空區設置為多孔介質區域,黏性阻力系數、冒落帶和裂隙帶的孔隙率和滲透率、采空區的耗氧速率等參數根據相關公式編寫對應的UDF函數。

漏風通道設置:漏風通道風速通過實測為0.1m/s,設定寬度為0.8m,長度根據0291工作面采空區與鄰近采空區的相對位置確定。

2.4 采空區自燃“三帶”數值模擬結果與分析

2.4.1 工作面隅角存在漏風條件下采空區數值模擬結果與分析

0291工作面推進至76m時,工作面上下隅角處存在漏風,在漏風的影響下,采空區氧氣濃度場分布,如圖3。

圖3 工作面采空區隅角存在漏風時氧氣濃度場分布

由圖3可知,由于工作面上下隅角存在漏風,風流由下隅角進入采空區內部并提供充足氧氣,但受到采空區內遺煤的耗氧和擴散運移阻力的影響,氧氣濃度從進風側到回風側逐漸降低,在距離工作面同一距離,進風側的氧氣濃度要大于回風側氧氣濃度。沿采空區頂板方向氧氣濃度快速下降,原因在于氧氣的密度大于空氣密度,氧氣主要集中在采空區下部,從采空區底部向上擴散的速率較慢,大于30m高度氧氣濃度小于8%。

工作面推進至76m時進、回風巷側氧氣濃度分布特征,如圖4。

圖4 工作面推進至76m時進、回風巷側氧氣濃度分布特征

由圖4可知,工作面推進至76m,進風巷側距離工作面29.5m時氧氣濃度降至18%,29.5～64m范圍內氧氣濃度下降至8%;回風巷側氧氣濃度隨采空區深入而降低,距離工作面10.5m時氧氣濃度達到18%,距離工作面40m時降至8%。綜上所述,進風巷側的散熱帶、氧化帶寬度分別為29.5、34.5m,回風巷側的散熱帶、氧化帶寬度分別為10.5、29.5m,受工作面上下隅角漏風影響,采空區回風巷側的散熱帶、氧化帶寬度均小于進風巷側。

2.4.2 鄰近采空區形成多條漏風通道條件下采空區數值模擬結果與分析

隨0291工作面推進,其采空區與上覆的0250、0251工作面采空區相互連通,形成漏風通道,漏風條件隨工作面推進而變化。此時0291工作面與上覆0250、0251工作面采空區形成多條漏風通道條件下采空區氧濃度場分布,如圖5-7。

圖5 工作面與上覆采空區形成多條漏風通道條件下推進至132m時采空區氧氣濃度場

隨工作面不斷推進,采空區散熱帶和氧化帶向深部運移。因0291工作面在推進過程中與上覆0250、0251工作面采空區連通并在采空區頂部形成多條漏風通道,漏風通道隨工作面推進增加,受頂部漏風通道影響,采空區內氧氣濃度大于8%范圍增大。由圖5可知,工作面推進至132m,漏風從頂部滲流到底板處,使回風側氧氣濃度增大;由圖6可知,工作面推進至165m,回風側頂板處漏風通道向采空區深處延伸,使采空區散熱帶寬度整體增大,進風側及中部氧化帶寬度增大。由于回風側距工作面23m處存在尾巷接口漏風,漏風處氧氣濃度經實測大于18%,加大回風側散熱帶寬度,使得回風側氧化帶寬度減小;由圖7可知,工作面推進至280m,氧化帶寬度增加明顯,是因為工作面推進導致采空區頂部漏風通道增加。尾巷接口處存在漏風,所以在回風巷側150m左右位置有一小塊區域氧氣濃度大于8%,采空區深部氧氣濃度極低,所以該漏風通道不會影響采空區自燃危險區域。

圖6 工作面與上覆采空區形成多條漏風通道條件下推進至165m時采空區氧氣濃度場

圖7 工作面與上覆采空區形成多條漏風通道條件下推進至280m時采空區氧氣濃度場

受漏風通道滲流影響,在漏風通道附近出現小范圍氧氣濃度大于10%的區域,且漏風通道下方采空區頂板方向上的氧氣濃度大幅提高。

工作面上覆0250、0251采空區形成多條漏風通道條件下采空區進、回風巷側氧氣濃度變化情況,如圖8。

圖8 工作面與上覆采空區形成多條漏風通道條件下進、回風巷側氧氣濃度變化情況

由圖8(a)、(b)分析可知,采空區進、回風巷側氧氣濃度隨采空區深入降低,工作面推進至132m,進、回風巷側的氧氣濃度隨采空區深入由23%下降至2%;工作面推進至165與280m,進、回風巷側的氧氣濃度由最初的23%逐漸降至0,因此隨0219工作面推進,進、回風巷側氧氣濃度呈下降趨勢。采空區頂部出現多條漏風通道時,進風巷側散熱帶寬度變化不大,氧化帶寬度由37增大至66m;回風巷側散熱帶與氧化帶受頂部漏風通道影響較大,分別由10.5、29.5m擴大至32、48.2m。綜上所述,隨工作面推進,0291工作面采空區與上覆的0250、0251工作面采空區連通形成多條漏風通道,且工作面采空區與上覆的0250、0251工作面采空區的接觸面積不斷增大,導致漏風通道數量與漏風量增加,受鄰近采空區間形成的漏風通道影響,工作面采空區氧化帶范圍逐漸向采空區深部運移并逐漸變寬。

3 工程現場

3.1 現場測點布置方案

根據唐山礦0291工作面現場實際情況設計井下束管監測,如圖9。一共敷設2路束管,1號束管自回風巷向上隅角敷設,2號束管自回風巷沿工作面傾向方向敷設;共布置2個監測點,1號監測點布置在上隅角位置,2號監測點布置在距上隅角30m的工作面支架后部位置。

圖9 0291工作面測點示意圖

3.2 監測結果分析

將采空區束管監測氧氣濃度數據與數值模擬結果進行對比,如圖10。

圖10 自燃“三帶”實測與數值模擬結果對比

隨著工作面的推進,1號和2號監測點不斷被埋入采空區,氧氣濃度逐漸降低,由圖10(a)可知,1號監測點在工作面推進26m時氧氣濃度降至18%,推進至144.5m時氧氣濃度下降至8%。圖10(b)可知,2號監測點在工作面推進27m時氧氣濃度下降至18%,推進至142.5m時氧氣濃度下降至8%。通過數值模擬獲得1、2號監測點相同位置氧氣濃度降至18%時距工作面27、29m,氧氣濃度降至8%時分別距離工作面140、139m。對比可知,現場監測值與模擬值氧氣濃度相差小于5%,因此,數值模擬結果可以真實反映深部鄰近采空區不同漏風條件下采空區自燃“三帶”的分布規律。

4 結論

(1)通過分析4種不同漏風條件下采空區氧氣濃度分布規律,得出:鄰近采空區漏風會加大采空區散熱帶和氧化帶范圍;隨工作面推進,進風巷側氧氣濃度大于8%的范圍分別為64、65、84、101m;回風巷側氧氣濃度大于8%的范圍分別為40、62、59、80.2m。

(2)漏風通道影響下,隨工作面推進氧化帶范圍向采空區深部運移且變寬。僅上下隅角存在漏風時,進、回風巷側氧化帶寬度為34.5與29.5m,進風側的氧化帶寬度大于回風側。隨工作面推進,采空區與其上覆的0250、0251鄰近采空區相連通并形成多條漏風通道,其進、回風巷側氧化帶寬度由37、50m變化至66、48.2m。受漏風通道滲流影響,采空區頂部漏風通道顯著增大采空區頂板方向上氧氣濃度。

(3)現場實測0291工作面推進至210m時,1號監測點測得氧氣濃度為18%時距離工作面煤壁26m左右,2號監測點測得氧氣濃度為18%時距離工作面煤壁27m左右。當2號監測點被埋入采空區142.5m時,所測氧氣濃度為8%,當1號監測點被埋入采空區144.5m時,所測氧氣濃度為8%。經對比分析,現場監測值與模擬值氧氣濃度誤差低于5%,為煤礦深部開采過程中采空區遺煤自燃防治提供科學依據與理論基礎。