瓦斯抽采條件下綜采面采空區(qū)自燃三帶數(shù)值模擬研究

許楊

摘 要：采空區(qū)漏風(fēng)引起的采空區(qū)遺煤自燃是煤礦的一大主要災(zāi)害，嚴(yán)重影響和制約井下安全生產(chǎn)及人員健康。本文采用流體力學(xué)模擬軟件fluent對斜溝礦18103工作面采空區(qū)漏風(fēng)進行了數(shù)值模擬，結(jié)合該工作面實際開采條件，反演得到采空區(qū)平均顆粒粒徑，并對工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布進行分析，并提出有效的放漏風(fēng)治理措施。

關(guān)鍵詞：采空區(qū)漏風(fēng);數(shù)值模擬;采空區(qū)平均顆粒粒徑;自燃“三帶”

0 前言

綜采工作面采空區(qū)瓦斯抽采及漏風(fēng)治理是保證礦井安全生產(chǎn)的重要通風(fēng)技術(shù)手段之一，采空區(qū)在瓦斯抽采負(fù)壓情況下會增加遺煤自燃的危險，影響礦井的安全生產(chǎn)。為此，研究瓦斯抽采條件下綜采工作面采空區(qū)煤自燃三帶的模擬研究非常重要。受采空區(qū)的影響，在煤炭開采時不得不面臨很大的安全隱患。隨著礦山機械化水平的快速發(fā)展，效率高、成本低且效益好的綜合機械化采煤工藝逐漸普及。與此同時，推進速度快所產(chǎn)生大量采空區(qū)也增加了工作面的安全隱患。經(jīng)過研究分析，因采空區(qū)存在疏松多孔的特點，風(fēng)流可在采空區(qū)內(nèi)流動（圖1），再加上采空區(qū)內(nèi)有遺煤存在，導(dǎo)致因采空區(qū)漏風(fēng)造成的的采空區(qū)遺煤自燃災(zāi)害時有發(fā)生，對礦井工作面安全回采和職工安全造成嚴(yán)重威脅，開展對采空區(qū)漏風(fēng)及煤自燃危險區(qū)域的數(shù)值模擬研究，可保證礦井的安全生產(chǎn)。

采空區(qū)遺煤的自燃嚴(yán)重影響到安全生產(chǎn)的順利進行，遺煤自燃必須具有充足的氧氣，因此根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律進行采空區(qū)的防治是最為有效的方法[1]。為研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，本文采用專業(yè)的流體力學(xué)模擬軟件Fluent對斜溝礦18103工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場進行了數(shù)值模擬，結(jié)合該工作面實際開采條件，對工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布進行分析，以便制定相應(yīng)措施減少事故發(fā)生和生命財產(chǎn)損失。

1 采空區(qū)平均顆粒粒徑模擬研究

1.1 模擬方案

根據(jù)礦井實際條件進行數(shù)值模擬研究，為了模擬計算結(jié)果的準(zhǔn)確性，對18103工作面內(nèi)顆粒直徑進行測量計算，作為數(shù)值模擬的基礎(chǔ)，以此得到模擬的最佳模型。模擬將采空區(qū)平均粒徑作為變量（0.05m，0.2m，0.4m）建立3個模型進行模擬，采空區(qū)不同平均粒徑模擬結(jié)果中與實測數(shù)據(jù)最為接近的模擬數(shù)據(jù)所對應(yīng)的即采空區(qū)平均顆粒粒徑。

1.2 模擬結(jié)果及分析

在采空區(qū)模型的建立下，通過分析不同粒徑下采空區(qū)壓力場的分布研究采空區(qū)漏風(fēng)規(guī)律，以z=2m和y=265m兩個平面為例進行展示，采空區(qū)不同平均粒徑下流場分布如圖2所示。

根據(jù)圖2可得到如下規(guī)律：①隨采空區(qū)平均粒徑的不同，采空區(qū)內(nèi)壓力分布也有較大變化，但工作面壓力分布變化不大，相同X位置壓力隨著接近回風(fēng)巷而越小;②采空區(qū)平均顆粒粒徑與采空區(qū)的壓力值成反比例關(guān)系，平均顆粒粒徑越小則采空區(qū)內(nèi)壓力值越大;③高抽巷抽采負(fù)壓值受18103工作面采空區(qū)顆粒粒徑的影響，發(fā)生變化成反比例關(guān)系，當(dāng)采空區(qū)的顆粒徑越小時抽采負(fù)壓值越大。

通過建立數(shù)值模擬，得出18103工作面不同粒徑下的抽采負(fù)壓，現(xiàn)場實測值和模擬得到的抽采負(fù)壓對比分析，得到模擬最佳采空區(qū)平均粒徑取值。隨著平均粒徑取值變化，高抽巷負(fù)壓有明顯不同。采空區(qū)平均顆粒粒徑與通風(fēng)阻力成反比例關(guān)系，當(dāng)采空區(qū)顆粒直徑、顆粒間的滲透孔隙值較小時，大密度的顆粒使得工作面通風(fēng)阻力增大，因此造成通風(fēng)負(fù)壓增加。當(dāng)顆粒密度從0.05m增加到0.5m時，通風(fēng)阻力減小，從65708Pa下降到-6568Pa。通過模擬得出，當(dāng)顆粒直徑為0.1m時，工作面實際負(fù)壓值與模擬負(fù)壓值相近。

2 采空區(qū)自燃“三帶”分布分析

采空區(qū)遺煤根據(jù)區(qū)域可以劃分為散熱帶、氧化自燃帶和窒息帶三個區(qū)域，根據(jù)不同區(qū)域煤通風(fēng)狀況的差異進行改進是保證18103工作面高效回采的基礎(chǔ)。

窒息帶內(nèi)風(fēng)流速度最小，一般不具備煤體自燃的條件，散熱帶內(nèi)雖然有充足的氧氣但是較大風(fēng)流的作用下，煤體氧化散發(fā)的熱量會被風(fēng)流帶走，很難達(dá)到煤體燃燒的溫度值，因此也煤體自燃傾向性較小。自燃帶內(nèi)的煤體有充足的氧氣，在煤體氧化過程中，熱能不斷積聚，最終會發(fā)生自燃現(xiàn)象，因此，自燃區(qū)內(nèi)煤體自燃是最危險的。

在大量學(xué)者對工作面采空區(qū)漏風(fēng)防治的研究基礎(chǔ)上，根據(jù)礦井工作面實際的通風(fēng)速率、氧氣濃度以及溫度值等作為劃分采空區(qū)的自燃“三帶”的指標(biāo)。本文結(jié)合《煤炭自燃理論與防治實踐》規(guī)程，以采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速0.00083～0.0017m/s為自燃帶的判定標(biāo)準(zhǔn)，采空區(qū)漏風(fēng)風(fēng)速小于0.00083m/s為窒息帶，大于0.0017m/s為散熱帶。采空區(qū)氧氣濃度分布圖如圖3所示。

圖3中，紅色區(qū)域為散熱帶，綠色區(qū)域為自燃危險區(qū)域，藍(lán)色區(qū)域為室息帶。由此可得，散熱帶分布在工作面附近，窒息帶分布在采空區(qū)深部及中部。而自燃危險區(qū)域也即自燃帶位于采空區(qū)進風(fēng)側(cè)走向25～95m和回風(fēng)側(cè)走向15～120m范圍內(nèi)，屬于重點監(jiān)測治理區(qū)域。

3 防漏風(fēng)措施

針對模擬所得工作面采空區(qū)漏風(fēng)情況與自燃危險區(qū)域分布，提出如下防漏風(fēng)措施：①通過風(fēng)壓的調(diào)節(jié)改變風(fēng)流速度，從而降低降低漏風(fēng)源和漏風(fēng)匯二者間的壓力差值，減少煤體自燃的所需的氧氣;②通過設(shè)置防漏風(fēng)擋風(fēng)墻增大漏風(fēng)風(fēng)路的風(fēng)阻來減小采空區(qū)漏風(fēng)最大處的漏風(fēng)量;③通風(fēng)的調(diào)節(jié)需滿足工作面的安全生產(chǎn)，因此，在通風(fēng)調(diào)節(jié)的過程中，降低溫度、瓦斯?jié)舛鹊耐瑫r需保證工作面的合理供風(fēng)量;④為了充分減少采空區(qū)漏風(fēng)現(xiàn)象，通過高水材料進行裂隙的填充，達(dá)到減少漏風(fēng)量的目的。

4 結(jié)論

本文通過采用流體力學(xué)模擬軟件Fluent對斜溝礦18103工作面采空區(qū)漏風(fēng)流場進行了數(shù)值模擬，主要得到以下結(jié)論：①礦井采空區(qū)內(nèi)冒落壓實的發(fā)生與工作面的地質(zhì)條件、巷道圍巖受力特征有關(guān)，根據(jù)現(xiàn)場實測和數(shù)值模擬結(jié)果，得到當(dāng)顆粒直徑為0.1m時，工作面實際負(fù)壓值與模擬負(fù)壓值相近;②根據(jù)極限風(fēng)速法將采空區(qū)自燃分為散熱帶、氧化自燃帶和窒息帶三個區(qū)域，在采空區(qū)進風(fēng)側(cè)25～95m和回風(fēng)側(cè)15～120是煤體自燃的危險區(qū)域;③根據(jù)斜溝礦18103工作面實際通風(fēng)狀況，從通風(fēng)方法和防滅火技術(shù)方面對采空區(qū)煤體自燃進行了有效防治，保障了工作面的順利回采。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊子祥，劉玉斌.星村煤礦深井綜放開采綜合防滅火研究[J].煤炭科技，2014（3）：11-14.

[2]李崇茂，李永元，王海文.特厚煤層綜放工作面自燃危險區(qū)域分布規(guī)律研究[J].煤礦安全，2013，044（009）：34-37.