淺埋厚煤層地表漏風對采空區(qū)煤自燃影響數(shù)值模擬研究

邢震

(1.中煤科工集團常州研究院有限公司, 江蘇 常州 213015;2.天地(常州)自動化股份有限公司, 江蘇 常州 213015)

0 引言

目前中國煤炭產(chǎn)量大部分集中在西部礦區(qū)，特別是內(nèi)蒙古、陜西、山西、新疆等地的淺埋深礦井。伴隨開采技術(shù)的迅速提升、開采強度日益增大，工作面開采高度以及長度逐漸增大,推進速度逐漸增快，從而導致地表裂隙逐漸增多。與此同時，西部礦區(qū)淺埋厚煤層的自燃傾向性多為易自燃或自燃，通常采用抽出式通風的方式，空氣在負壓作用下由地表裂隙直通采空區(qū)，并最終由回風隅角進入回風巷道，地表漏風不僅使風流紊亂，而且其中的O2貫穿采空區(qū)，與采空區(qū)遺煤共同作用使其氧化，從而發(fā)生煤自燃，產(chǎn)生的CO等有害氣體超標，嚴重影響礦井的正常開采[1-3]。

淺埋厚煤層抽出式通風導致的采空區(qū)煤自然發(fā)火問題已成為煤礦企業(yè)的一大頑疾，國內(nèi)外學者對此做了一系列研究。李建偉[4]以串草圪旦煤礦淺埋厚煤層開采工程地質(zhì)條件為背景，現(xiàn)場實測了不同埋深條件下地表裂隙分布規(guī)律及漏風強度、采空區(qū)內(nèi)火災關(guān)鍵氣體參數(shù)分布規(guī)律與關(guān)系，通過數(shù)值模擬方法研究了地表漏風情況下采空區(qū)流場分布。Zhuo Hui等[5]通過建立三維數(shù)值模型,研究了地表漏風對采空區(qū)溫度場、CO濃度場等分布的影響，但是建立的溫度場模型未采用現(xiàn)場監(jiān)測方法驗證。Zhang Jian等[6]以煤自然發(fā)火實驗測試關(guān)鍵參數(shù)作為輸入條件，開展數(shù)值試驗，研究了注惰性氣體條件對采空區(qū)CO、O2濃度場時空演化規(guī)律的影響。葉慶樹等[7]通過地表釋放SF6示蹤氣體的方法研究了神東礦區(qū)不同層間距綜采工作面地面漏風規(guī)律。賀飛等[8]研究了酸刺溝煤礦6上109工作面煤層內(nèi)錯布置開采下部煤層時地表漏風對復合采空區(qū)自燃危險區(qū)域的影響。鄭忠亞等[9]以檸條塔煤礦N1201綜采工作面為研究對象，采用相似模擬實驗、數(shù)值模擬、現(xiàn)場SF6示蹤氣體檢測等方法相結(jié)合，研究了地表漏風對采空區(qū)煤自燃的影響。王建文等[10]理論計算了檸條塔煤礦N1201工作面的地表漏風速度以及地表裂隙的等效水力寬度。余聰[11]研究了壓入式通風條件下地表裂縫封堵以及氣能位差對工作面采空區(qū)漏風的影響。劉雷政[12]研究了二次擾動開采對補連塔礦上覆采空區(qū)煤自燃的影響，通過UDEC數(shù)值模擬分析了應力特征。趙啟峰等[13]對平朔礦區(qū)9203工作面地表漏風采用測量壓差、風量差結(jié)合的方法，提出地表堵漏風及注氮結(jié)合的防治手段。吳奉亮等[14]從網(wǎng)絡解算角度分析地表漏風對采空區(qū)“三帶”的影響，得到防止煤自燃的最大漏風量為5 m3/s。

以上研究成果采用現(xiàn)場實測、理論分析及實驗研究的方法對地面漏風引起的采空區(qū)內(nèi)氣體濃度場和溫度場等進行了研究，現(xiàn)有數(shù)值模擬方法未針對地表裂隙條件下的采空區(qū)流場進行模擬，側(cè)重于注惰性氣體條件下的流場分析。然而地表裂隙漏風自然發(fā)火實驗復雜程度較高，理論分析及實驗研究方法難以從三維角度認識地表漏風對采空區(qū)內(nèi)煤自燃的影響規(guī)律，為此，本文采用數(shù)值模擬方法研究不同工況下采空區(qū)O2濃度場、CO濃度場、溫度場、壓力場等的分布規(guī)律，并采用自主研發(fā)的ZD5煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置進行現(xiàn)場驗證，以使建立的模型更加符合現(xiàn)場情況、模擬結(jié)果更準確可靠，為現(xiàn)場制定防滅火措施提供理論依據(jù)。

1 淺埋厚煤層裂隙漏風機理

煤層開采過程中，上覆巖層失去支撐發(fā)生不可逆轉(zhuǎn)形變導致向下垮落，采空區(qū)上部巖層自下而上依次為垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶?？迓鋷侵赣捎谥苯禹斚虏棵簩踊夭珊笫苌喜繋r層壓力影響而向采空區(qū)下沉的巖層；斷裂帶是垮落帶的延續(xù)，該范圍的巖層同樣受到上覆巖層的壓力作用產(chǎn)生裂隙，但仍能保持其層狀結(jié)構(gòu)；彎曲下沉帶是斷裂帶的繼續(xù)發(fā)育，其巖層發(fā)生整體輕微下沉。

淺埋厚煤層通常埋深小于200 m，與普通埋厚煤層礦壓顯現(xiàn)規(guī)律不同，淺埋厚煤層開采過程中典型的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律是基巖層上覆起載重作用的核心層斷裂以及穩(wěn)定性缺失直接影響工作面液壓支架阻力增加、結(jié)構(gòu)破壞、煤壁片幫以及覆巖下沉，從而使地表整體下沉，淺埋厚煤層斷裂帶直通地表，缺失最上部的彎曲下沉帶。在淺埋厚煤層開采過程中，上覆巖層中底部巖層出現(xiàn)不均勻垮落現(xiàn)象，當上覆巖層形變超過其臨界形變時，便形成地表裂隙。地表空氣在負壓通風作用下隨地表裂隙進入采空區(qū)內(nèi)部。采空區(qū)地表裂隙漏風如圖1所示。

圖1 采空區(qū)地表裂隙漏風Fig.1 Surface fissure air leakage in goaf

2 數(shù)值模型建立

采空區(qū)物理及數(shù)學模型的建立對于采空區(qū)風流場數(shù)值模擬有著至關(guān)重要的意義，其準確性直接影響模擬結(jié)果的合理性。為研究地表漏風對采空區(qū)煤自燃的影響，建立煤自燃關(guān)鍵表征參數(shù)O2、CO以及溫度場控制方程。

2.1 O2濃度控制方程

多孔介質(zhì)中O2移動過程包括擴散和滲流，O2的質(zhì)量平衡方程為

(1)

2.2 CO濃度控制方程

多孔介質(zhì)中CO運移過程包括擴散及滲流傳質(zhì)，松散煤體內(nèi)CO的質(zhì)量平衡方程為[12]

(2)

式中：CCO為CO體積分數(shù)，%；Dx,Dy,Dz分別為x,y,z方向上的CO在煤體中的擴散系數(shù)；VCO(T)為煤在O2體積分數(shù)為CO2時的CO產(chǎn)生速率，煤體CO產(chǎn)生速率與耗氧速率成正比，且耗氧速率與O2體積分數(shù)成正比。

2.3 溫度場數(shù)學模型

采空區(qū)松散煤體能量守恒方程為

(3)

λeff=ελg+(1-ε)λc

(4)

式中λg，λc分別為空氣和實體煤的導熱系數(shù),W/(m·K)。

2.4 幾何模型建立及網(wǎng)格劃分

設采空區(qū)走向長度為300 m，傾向長度為200 m，采空區(qū)自下而上分別設置為遺煤區(qū)、垮落區(qū)、斷裂區(qū)3個區(qū)，建立采空區(qū)地表裂隙幾何模型，如圖2所示。模型基本參數(shù)見表1。

圖2 采空區(qū)地表裂隙幾何模型Fig.2 Geometric model of surface fracture in goaf

表1 模型尺寸及參數(shù)Table 1 Dimensions and parameters of model m

幾何模型中，采空區(qū)上方間隔60 m分別設置4個寬度為20 cm的地表裂隙，進風巷、回風巷及工作面組成的區(qū)域網(wǎng)格尺寸設置為0.5 m，采空區(qū)網(wǎng)格尺寸設置為1 m，4個地表裂隙網(wǎng)格尺寸設置為0.2 m，進風巷設置為速度入口(velocity-inlet)邊界，速度設置為2 m/s，回風巷設置為自由出口(outflow)邊界，地表裂隙設置為速度入口(velocity-inlet)邊界，速度設置為0.2 m/s，工作面和導氣裂隙與采空區(qū)接觸面設置為內(nèi)部面(Internal)，工作面的斷面面積基本恒定不變，它屬于暴露面。風流在邊界層外的流動狀態(tài)屬于紊流狀態(tài)。其余邊界均定義為壁面(Wall)，壁面處風流滲透的體積流量為0。采空區(qū)設置為空氣流體多孔介質(zhì)區(qū)域，其中孔隙率、黏性阻力系數(shù)、慣性阻力系數(shù)以及耗氧速率采用UDF編程的方式編譯至解算程序進行解算[10]。模型解算設置中，開啟能量方程、組分運輸模型，組分設置為O2，N2及CO的混合物。

2.5 模型驗證

2.5.1 ZD5煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置

采用ZD5煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置對上述所建立的模型進行驗證。ZD5煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置集光纖測溫及束管監(jiān)測系統(tǒng)優(yōu)勢于一體，不僅可實現(xiàn)溫度的分布式測量，還可實現(xiàn)井下CO，CO2，CH4，O2的24 h實時在線監(jiān)測，采用負壓抽氣泵在井下將氣體直接傳到監(jiān)測裝置進行分析，每個管路測點的抽氣時間不超過15 min。

2.5.2 測點布置

試驗工作面采用一次性采全高開采方式，受開采工藝限制，在工作面進、回風巷等處不可避免會遺留大量浮煤，屬于重點監(jiān)控區(qū)域，因此，在采空區(qū)進、回風巷各布置1條測溫光纜，在進風側(cè)通過聯(lián)絡巷布置束管氣體測點。分別對光纜和束管氣體測點進行有效防護,以防止測點被砸斷或堵塞。溫度及氣體測點布置如圖3所示。

圖3 溫度及氣體測點布置Fig.3 Arrangement of temperature and gas measuring points

2.5.3 監(jiān)測結(jié)果分析

以回風側(cè)布置的測溫光纜為例。圖4為光纜某一時刻不同位置的溫度實時曲線。從圖4可看出：隨著與工作面距離的增大，溫度呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，在約180 m處溫度達到最大值，約為26.3 ℃，隨后溫度逐漸降低，這與采空區(qū)內(nèi)自燃規(guī)律一致，可以推斷在采空區(qū)內(nèi)部由于蓄熱環(huán)境良好且有足夠的O2，容易發(fā)生煤的氧化反應，從而產(chǎn)生更多的熱量，數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場實測值基本吻合。經(jīng)過計算得到數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實測值的相關(guān)系數(shù)為0.989 572 737，證明以該溫度場為模型的數(shù)值模擬結(jié)果可信。

圖4 回風巷溫度監(jiān)測曲線Fig.4 Temperature monitoring curves of return air roadway

根據(jù)現(xiàn)場實時觀測數(shù)據(jù)擬合出采空區(qū)O2體積分數(shù)分布情況，如圖5所示。從圖5可看出，隨著氣體測點深入到采空區(qū)深處，O2體積分數(shù)呈現(xiàn)明顯下降趨勢，在距離工作面240 m處O2體積分數(shù)降到7%左右且保持不變。對比模擬數(shù)據(jù)可以看到，二者曲線趨勢基本吻合。經(jīng)過計算得到數(shù)值模擬值與現(xiàn)場實測值的相關(guān)系數(shù)為0.965 966 444，證明以該O2控制方程為模型的數(shù)值模擬結(jié)果可信。

圖5 采空區(qū)O2分布曲線Fig.5 Oxygen distribution curves in goaf

3 數(shù)值模擬分析

3.1 采空區(qū)自燃“三帶”分布規(guī)律

采空區(qū)煤自燃“三帶”分布如圖6所示。氧氣體積分數(shù)為8%～18%為氧氣升溫帶，小于8%為窒息帶，大于18%為散熱帶。從圖6(a)可看出，采空區(qū)內(nèi)工作面一側(cè)由于通風充分被劃分為散熱帶，同時受地表漏風影響，地面的新鮮空氣通過地表裂隙形成漏風通道進入到采空區(qū)頂部，熱量很容易散失，并且由于頂部以散落巖層為主，遺煤很少，不容易形成自燃。從圖6(d)也可看出，z=20 m平面上散熱帶范圍達到280 m，氧化升溫帶及窒息帶寬度均為10 m；自上而下，如圖6(c)所示，z=10 m平面上，“三帶”分布同樣呈規(guī)整的條狀分布，氧化升溫帶范圍為70～220 m，盡管寬度較寬，但是同樣由于該水平區(qū)域內(nèi)遺煤較少，所以，發(fā)生煤自燃的可能性不大；如圖6(b)所示，在z=2 m平面上，“三帶”分布受采空區(qū)進風漏風影響較大，進風側(cè)散熱帶寬度約為0～110 m，沿傾向(y+)散熱帶逐漸減小，到回風隅角處，散熱帶寬度接近于0，氧化升溫帶呈現(xiàn)狹長帶狀分布，寬度約為10 m，可以看出采空區(qū)內(nèi)煤自燃危險性不大。

(a) 采空區(qū)立體“三帶”分布

3.2 采空區(qū)壓力場分布規(guī)律

采空區(qū)壓力場分布如圖7所示。由圖7(a)可看出，工作面回風側(cè)壓力最小，為-15 Pa，在負壓通風作用下，工作面進風巷的風流主要通過工作面進入到回風巷，部分風流通過進風隅角流入采空區(qū)。由圖7(b)可看出，采空區(qū)底部壓力較小，沿z+方向越往上壓力越大，沿y+方向，壓力隨著深入采空區(qū)的距離增大而增大。從圖7(c)可看出，沿傾向壓力變化不大。從圖7(d)可看出，回風隅角處采空區(qū)壓力最小為-10 Pa，回風口壓力最低，進風口壓力最大，沿x+及y+方向壓力均逐漸增大。由圖7(e)可看出，在z=10 m平面，依然是回風隅角方向壓力最小，有所不同的是，沿y+方向壓力梯度要大于z=2 m平面。從圖7(f)可看出，在z=20 m平面，采空區(qū)內(nèi)壓力受回風負壓作用影響相對較小，沿x方向壓力基本無變化，沿y+方向，壓力隨著采空區(qū)深度的增加而增大。

3.3 采空區(qū)O2濃度場分布規(guī)律

采空區(qū)O2體積分數(shù)分布如圖8所示，由圖8(a)可看出，采空區(qū)內(nèi)O2主要匯集在2個部分：工作面上部的斷裂帶漏風和采空區(qū)進風隅角的漏風，其中在工作面區(qū)域兩者的漏風疊加在一起，導致工作面頂部O2體積分數(shù)高，特別是距離工作面0～50 m內(nèi)采空區(qū)幾乎被O2充滿，該區(qū)域自然發(fā)火危險性較大；從采空區(qū)中部50 m處向深部延伸，底部O2體積分數(shù)逐漸減小，頂部O2層厚度逐漸減小，至采空區(qū)深部約280 m位置時O2體積分數(shù)逐步下降到5%以內(nèi)，沒有自燃危險；豎直方向，在z=2 m平面上(圖8(b)、(c)、(d))進風側(cè)O2體積分數(shù)較大，延伸至進風側(cè)約100 m位置，滲流到采空區(qū)的高體積分數(shù)O2受回風隅角負壓作用逐步注入回風側(cè)，高體積分數(shù)O2寬度逐漸收窄，到達回風隅角時，O2隨著漏風通道流向回風巷；采空區(qū)深部，隨著與工作面距離的增大，O2體積分數(shù)逐漸減小;從圖8(e)可看出，在z=10 m平面，O2體積分數(shù)受井下工作面漏風影響很小，主要受地表漏風影響，O2體積分數(shù)呈現(xiàn)明顯的條帶狀分布，即沿y軸方向O2體積分數(shù)基本保持一致，而沿x軸方向，從工作面區(qū)域向采空區(qū)深部O2體積分數(shù)逐漸降低，分析是由于受采空區(qū)氣壓影響，O2從采空區(qū)頂部地表漏風進入采空區(qū)后，逐步向工作面方向運移導致；從圖8(f)可看出，在z=20 m平面，采空區(qū)頂部幾乎充滿O2，至工作面深部270 m后O2體積分數(shù)才逐步降低。

(a) 采空區(qū)壓力場三維分布規(guī)律

(a) 采空區(qū)O2三維分布

3.4 采空區(qū)CO濃度場分布規(guī)律

采空區(qū)CO濃度分布如圖9所示。從圖9(a)、(b)可看出，采空區(qū)內(nèi)CO與O2分布呈現(xiàn)基本相反的規(guī)律，CO主要聚集在采空區(qū)底部、中部，采空區(qū)進風側(cè)由于漏風通道的存在及工作面兩端口壓力的影響，將大量的CO帶離出采空區(qū)，采空區(qū)頂部同樣由于地表裂隙漏風通道的存在將采空區(qū)上部CO稀釋。從圖9(c)可看出，隨著與工作面距離的增大，CO聚集的梯度逐漸減少，結(jié)合O2體積分數(shù)分布規(guī)律可以知道，其原因是采空區(qū)內(nèi)部O2體積分數(shù)減小使CO體積分數(shù)減小。從圖9(d)可看出，沿工作面方向在同一水平面上，CO最高體積分數(shù)達到了1.1×10-4，在工作面漏風通道及工作面兩端頭壓差的作用下，CO明顯向回風側(cè)聚集，進風側(cè)聚集濃度較小，當CO體積分數(shù)增大到一定程度后，向回風隅角涌出。從圖9(e)可看出，在z=10 m平面，CO聚集于采空區(qū)中部，形成“O”形圈，即采空區(qū)中部CO體積分數(shù)最高，周邊CO體積分數(shù)逐步減小。從圖9(f)可看出，在z=20 m平面，CO體積分數(shù)受地表裂隙影響較大，裂隙與采空區(qū)連接處CO體積分數(shù)最高，隨著向采空區(qū)的深入，CO體積分數(shù)逐漸增大，在采空區(qū)深部的裂隙處CO體積分數(shù)最高達到3.2×10-5。

(a) 采空區(qū)CO三維分布

3.5 采空區(qū)溫度場分布規(guī)律

采空區(qū)內(nèi)溫度分布規(guī)律與CO分布規(guī)律類似，采空區(qū)溫度場分布如圖10所示。從圖10(a)、(b)可看出，采空區(qū)溫度受漏風影響最大，測溫區(qū)域主要集中于采空區(qū)中下部。從圖10(c)可看出，沿工作面方向在同一水平面上，采空區(qū)最高溫度達到385 K(112 ℃)，在工作面漏風通道作用下，該區(qū)域處于散熱帶，產(chǎn)生的熱量被大量帶出采空區(qū)，向回風隅角處溫度逐漸降低；從圖10(d)可看出，隨著與工作面距離的增大，溫度梯度逐漸減少，結(jié)合O2體積分數(shù)分布規(guī)律及“三帶”分布情況可以知道，其原因是采空區(qū)內(nèi)部O2體積分數(shù)減小,進入窒息帶，缺少煤自燃的必要條件。在z=10 m平面(圖(10(e))溫度在采空區(qū)中部聚集形成“O”形圈，最高溫度達到355 K(82℃)。在z=20 m平面(圖(10(f))溫度受地表裂隙影響較大，裂隙與采空區(qū)連接處溫度最高，隨著向采空區(qū)的深入，溫度逐漸增大，在采空區(qū)深部的裂隙處CO最高溫度達到332 K(59 ℃)。

(a) 采空區(qū)溫度場三維分布

4 結(jié)論

以西北淺埋厚煤層工作面為背景，采用數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測相結(jié)合的研究方法，研究了地表裂隙對采空區(qū)“三帶”、壓力場、O2濃度場、CO濃度場、溫度場等火災關(guān)鍵參數(shù)動態(tài)發(fā)展變化規(guī)律。

(1) 建立O2濃度控制方程、CO濃度控制方程、溫度場控制方程，并通過UDF編程的方式導入到數(shù)值計算軟件中，采用ZD5煤礦火災多參數(shù)監(jiān)測裝置現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進行驗證，驗證結(jié)果可靠，模型可應用于采空區(qū)地表漏風數(shù)值計算及西部淺埋厚煤層地質(zhì)條件的礦井火災分析。

(2) 采空區(qū)內(nèi)壓力分布規(guī)律為回風隅角處壓力最小,達到-10 Pa，回風口壓力最低，進風口壓力最大，沿傾向、沿豎直方向及走向壓力均逐漸增大；采空區(qū)內(nèi)“三帶”分布規(guī)律和O2濃度場分布受地表漏風影響明顯，采空區(qū)頂部O2容易聚集，改變了采空區(qū)內(nèi)氣體流場分布規(guī)律，采空區(qū)內(nèi)高體積分數(shù)O2(體積分數(shù)18%～23%)聚集范圍為沿采空區(qū)走向0～270 m、沿采空區(qū)豎直方向3～20 m，特別是在沿采空區(qū)走向0～80 m、沿采空區(qū)豎直方向3～8 m空間O2充足、有一定遺煤且熱量不容易散失，該區(qū)域自然發(fā)火危險程度較高。

(3) 采空區(qū)內(nèi)溫度和CO分布規(guī)律類似，在采空區(qū)底部受頂部漏風影響很小，主要受工作面進風隅角影響，熱量積聚和CO聚集規(guī)律與不漏風時基本一致，而從采空區(qū)中部開始，溫度和CO主要受頂部漏風影響，在中部區(qū)域溫度和CO均呈現(xiàn)“O”形圈分布，采空區(qū)頂部，溫度和CO在每個斷裂帶與采空區(qū)交接處達到極大值，并向兩側(cè)遞減，在最深部的斷裂帶與采空區(qū)交接處出現(xiàn)最大值。