高地溫礦井采空區(qū)煤自燃O2濃度場分布研究

劉軼康， 牛會(huì)永， 聶琦苗， 魯義， 李石林

(1.湖南科技大學(xué) 資源環(huán)境與安全工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201；2.湖南科技大學(xué) 煤礦安全開采技術(shù)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 湘潭 411201；3.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院，北京 100083)

0 引言

隨著礦井開采逐漸向深部發(fā)展，開采環(huán)境日趨惡化?！睹旱V安全規(guī)程》明確規(guī)定，采掘工作面空氣溫度不得超過26 ℃，硐室空氣溫度不得超過30 ℃。因此，作業(yè)溫度超過26 ℃的礦井可視為高地溫礦井[1]。隨著礦井開采深度增加，高溫?zé)岷ΦV井?dāng)?shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國國有煤礦中約有56%礦井存在煤層自然發(fā)火危險(xiǎn)，在已開采的220個(gè)綜放工作面中，由采空區(qū)遺煤自燃導(dǎo)致的火災(zāi)事故多達(dá)182起[2]。開采深度增加導(dǎo)致地溫梯度增高，使井下煤巖體溫度上升，長時(shí)間高溫環(huán)境在一定程度上會(huì)改變煤體蓄熱條件，增加煤自燃危險(xiǎn)性，嚴(yán)重威脅礦井安全開采作業(yè)。

許多學(xué)者對(duì)高地溫導(dǎo)致的煤自燃問題做了大量研究。鄧軍等[3]通過程序升溫試驗(yàn)裝置對(duì)煤樣預(yù)先40 ℃恒溫氧化后進(jìn)行程序升溫試驗(yàn)，得出高溫環(huán)境下煤體的氣體產(chǎn)生率、耗氧速率及放熱強(qiáng)度高于常溫下氧化煤體，煤自燃危險(xiǎn)性更大。文虎等[4]通過對(duì)深井綜放采空區(qū)數(shù)值模擬分析得出采空區(qū)O2濃度在進(jìn)風(fēng)側(cè)比較高且高地溫會(huì)導(dǎo)致綜放采空區(qū)浮煤自燃危險(xiǎn)性增大。馬礪等[5]研究了高地溫工作面煤層氧化放熱特性及預(yù)控方法，得出高地溫使氧化升溫帶范圍增大。張修峰等[6]進(jìn)行了不同初始氧化溫度的煤絕熱氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，隨著地溫升高，煤自燃傾向性增大，會(huì)由不易自燃煤變?yōu)樽匀济?。李文福等[7]針對(duì)井下高地溫環(huán)境對(duì)煤自燃的影響，利用煤自燃發(fā)火系統(tǒng)探究不同溫度下標(biāo)志性氣體產(chǎn)生規(guī)律及特征溫度變化規(guī)律，結(jié)果表明,高溫環(huán)境下煤體氧化產(chǎn)生氣體的速率高于常溫下氧化煤體。馬冬娟等[8]對(duì)高溫處理后煤樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明,地溫對(duì)不同變質(zhì)程度煤自燃特性的影響存在差異，且低階煤更易受高地溫環(huán)境的影響。石政鋒[9]對(duì)采空區(qū)自燃“三帶”立體分布規(guī)律進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，在進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷和工作面處O2體積分?jǐn)?shù)為20%左右，隨著向采空區(qū)內(nèi)部深入，O2體積分?jǐn)?shù)逐漸降低。

上述研究采用理論分析及實(shí)驗(yàn)研究的方法研究了高地溫對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響，取得了一定成果，但煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)復(fù)雜程度較高，理論分析與實(shí)驗(yàn)研究難以全面反映采空區(qū)煤自燃O2濃度場分布情況。為此，本文采用Fluent數(shù)值模擬軟件建立物理模型，對(duì)煤自燃傾向性進(jìn)行研究，分析了在地溫升高情況下，加大通風(fēng)量降溫后，采空區(qū)及進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)和采空區(qū)中段O2濃度場分布規(guī)律，結(jié)合“三帶”分布確定煤易自燃范圍和最大理論寬度。為避免因煤自燃引起的事故，可根據(jù)煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測得煤自然發(fā)火期，從而進(jìn)一步計(jì)算安全推進(jìn)速度，為煤礦開采提供理論依據(jù)。

1 高地溫對(duì)采空區(qū)煤自燃的影響

地溫隨深度增加呈線性或非線性增長趨勢[10]。采深增加，開采強(qiáng)度增大，加之深井下環(huán)境溫度升高，使得開采難度與危險(xiǎn)性進(jìn)一步增大。煤體自燃主要取決于煤體耗氧速率、蓄熱環(huán)境和供氧條件，高地溫對(duì)煤自燃影響主要集中在這3個(gè)方面。

(1)高地溫與耗氧速率的關(guān)系。隨地溫升高，煤體干裂，孔隙裂隙增大，導(dǎo)致煤體的表面活性增強(qiáng)，耗氧速率增大，煤體更容易氧化升溫[11]，導(dǎo)致煤體自燃。

(2)高地溫與蓄熱環(huán)境的關(guān)系。井下圍巖溫度增加，給采空區(qū)遺煤形成了一個(gè)良好的蓄熱環(huán)境，熱量積聚增大了采空區(qū)環(huán)境的濕度，熱輻射散熱速率減弱，所放熱量不能及時(shí)擴(kuò)散到周圍環(huán)境中，導(dǎo)致煤氧復(fù)合作用受到阻礙。當(dāng)煤體自燃蓄熱條件發(fā)生變化且采空區(qū)環(huán)境溫度升高時(shí)，易造成遺煤自燃。

(3)高地溫與供氧條件的關(guān)系。當(dāng)井下環(huán)境溫度隨開采深度增加而升高時(shí)，采用增加漏風(fēng)的方法降低井下環(huán)境溫度，大量風(fēng)流流經(jīng)工作面及采空區(qū)，與長時(shí)間工作的設(shè)備及高溫巖體所散發(fā)的熱量相互碰撞，形成熱力梯度，產(chǎn)生熱風(fēng)壓，導(dǎo)致煤體氧化放熱性能增強(qiáng)，最終增加了遺煤自燃的危險(xiǎn)性。同時(shí)，熱風(fēng)壓持續(xù)作用下采空區(qū)內(nèi)部高溫有害氣體會(huì)沿漏風(fēng)風(fēng)路從下隅角涌入工作面，導(dǎo)致熱害問題[12]。

2 數(shù)學(xué)模型

(1)滲流場控制方程。一般假設(shè)采空區(qū)內(nèi)部遺煤發(fā)生煤氧復(fù)合反應(yīng)緩慢，氣體流動(dòng)穩(wěn)定且滿足質(zhì)量守恒、能量守恒及動(dòng)量守恒方程[13]。

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；θ，w，ψ分別為速度矢量v在x，y，z方向上的分量，m/s；p為流體微元體所受壓力，Pa；τxx，τxy，τxz，τyx，τyy，τyz，τzx，τzy，τzz分別為流體微元體表面所受黏性應(yīng)力在各個(gè)不同面上的分量，Pa；Fx,Fy,Fz分別為流體微元體在x,y,z方向上的體積力，N。

(2)O2濃度控制方程。在一定條件下，放熱強(qiáng)度與氧濃度呈同步上升關(guān)系，氧供給越充分，煤與氧復(fù)合使用越快，放熱強(qiáng)度越大。采空區(qū)遺煤與擴(kuò)散O2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，其耗氧速率與氧濃度成正比[14]。

(5)

式中：n為孔隙率；ρf為混合氣體密度，kg/m3；Y為O2體積分?jǐn)?shù)；D為O2在煤體中的擴(kuò)散系數(shù)；W(O2)為煤體耗氧速率，kg/(m3·s)。

(3)采空區(qū)多孔介質(zhì)動(dòng)量損失模型。氣體在多孔介質(zhì)區(qū)域內(nèi)擴(kuò)散滲流所受到的阻力可通過定義黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù)[15]來實(shí)現(xiàn)。

(6)

式中：S為采空區(qū)多孔介質(zhì)的動(dòng)量損失項(xiàng)；Bj和Cj分別為j向流體的黏性阻力系數(shù)矩陣和慣性阻力系數(shù)矩陣；μ為流體的動(dòng)力黏度，Pa·s；vj為j向流體的滲透速度，m/s。

采空區(qū)內(nèi)部空間各個(gè)方向上的黏性阻力系數(shù)k和慣性阻力系數(shù)c分別為

(7)

(8)

式中dp為平均粒徑，m。

3 采空區(qū)流場數(shù)值模擬

3.1 采空區(qū)物理模型

采用Fluent數(shù)值模擬軟件建立采空區(qū)物理模型，該采空區(qū)物理模型由進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、工作面、液壓支架和采空區(qū)(斷裂帶、垮落帶)5個(gè)部分組成，如圖1所示。其中進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷長度為40 m，寬度為 3 m，高度為5 m；工作面長度為200 m，寬度為10 m，高度為6 m; 采空區(qū)長度為 300 m，寬度為200 m，高度為30 m；液壓支架在工作面區(qū)域內(nèi)長度為193 m。

圖1 采空區(qū)物理模型

3.2 采空區(qū)數(shù)值模擬參數(shù)

根據(jù)井下流場實(shí)際情況，將進(jìn)風(fēng)巷設(shè)為速度入口邊界，回風(fēng)巷設(shè)為自由流出口邊界，各多孔介質(zhì)區(qū)交界面設(shè)為流體內(nèi)部邊界，其他邊界均設(shè)為絕熱邊界。多孔介質(zhì)阻力參數(shù)見表1。為了提高模擬的計(jì)算精度，采用六面體網(wǎng)格方法對(duì)數(shù)值模擬網(wǎng)格進(jìn)行劃分，進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷網(wǎng)格半徑為1.25 m，支架網(wǎng)格間距為1.5 m，采空區(qū)網(wǎng)格間距為1.75 m。常規(guī)地溫(24.8 ℃)下進(jìn)風(fēng)速度設(shè)置為2 m/s，通風(fēng)量設(shè)置為1 800 m3/min，高地溫(40 ℃)進(jìn)風(fēng)速度增大為3 m/s，其通風(fēng)量相應(yīng)增大到2 700 m3/min，根據(jù)程序升溫實(shí)驗(yàn)和工作面現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)，選擇常規(guī)地溫24.8 ℃和高地溫40 ℃的耗氧速率[16]，將采空區(qū)各相關(guān)參數(shù)及邊界條件輸入Fluent軟件中，對(duì)采空區(qū)O2濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬。采空區(qū)模擬參數(shù)見表2。

表1 多孔介質(zhì)阻力參數(shù)

表2 采空區(qū)模擬參數(shù)

4 數(shù)值模擬分析

4.1 采空區(qū)O2濃度場分布

采空區(qū)煤自燃災(zāi)害與漏風(fēng)強(qiáng)度有密切關(guān)系，漏風(fēng)強(qiáng)度隨著采空區(qū)距工作面距離的增加而減小。在采空區(qū)內(nèi)部，一方面，漏風(fēng)為煤自燃提供了充足O2，另一方面，風(fēng)流會(huì)帶走煤氧反應(yīng)所需要的O2，導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)部O2濃度場分布復(fù)雜。通風(fēng)量分別為1 800，2 700 m3/min時(shí)的采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)分布如圖2所示。在通風(fēng)量相同的情況下，溫度從24.8 ℃升高到40 ℃時(shí)，O2隨著風(fēng)流向整個(gè)采空區(qū)滲入，O2濃度隨采空區(qū)深度增加而減??；在溫度相同的情況下，通風(fēng)量從1 800 m3/min增大到2 700 m3/min時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)范圍大幅度提升，采空區(qū)O2濃度變化明顯，O2幾乎充滿整個(gè)采空區(qū)，并且高濃度O2存在范圍增大，此時(shí)由于熱量積聚導(dǎo)致采空區(qū)溫度升高，采空區(qū)內(nèi)部遺煤溫度也持續(xù)增加，煤氧復(fù)合作用和耗氧速率加快，分子運(yùn)動(dòng)和擴(kuò)散作用變快，在高濃度O2存在范圍增大的情況下，遺煤自燃的可能性增大。

(a)通風(fēng)量1 800 m3/min，溫度24.8 ℃

為更好地分析O2濃度場變化情況，取距離工作面80，160，240，300 m的切片進(jìn)行分析，得出O2體積分?jǐn)?shù)立體分布，如圖3所示，其中a為采空區(qū)長度，b為采空區(qū)寬度，f為采空區(qū)高度?？煽闯鲞M(jìn)風(fēng)側(cè)O2濃度大于回風(fēng)側(cè)O2濃度，表明進(jìn)風(fēng)側(cè)煤自燃危險(xiǎn)性大于回風(fēng)側(cè)；隨著采空區(qū)距工作面距離的增大，O2濃度隨之減小。

(a)通風(fēng)量1 800 m3/min，溫度24.8 ℃

在通風(fēng)量相同的情況下，溫度從24.8 ℃升高到40 ℃時(shí)，O2濃度隨采空區(qū)深度增加而減小，采空區(qū)在高溫情況下風(fēng)流不穩(wěn)定，溫度的不均勻分配導(dǎo)致熱風(fēng)壓存在于局部位置，O2在熱風(fēng)壓作用下會(huì)向上覆采空區(qū)運(yùn)移和積聚，致使上覆采空區(qū)O2濃度變大，此時(shí)在耗氧速率增大的情況下，上覆采空區(qū)的煤體更易氧化升溫，即上覆采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)性更大。

在溫度相同情況下，風(fēng)量從1 800 m3/min增大到2 700 m3/min時(shí)，O2隨風(fēng)流向采空區(qū)深部滲入，致使采空區(qū)深部存在高濃度O2，在a=240 m和a=300 m切片位置可明顯看到風(fēng)量增大后O2濃度增大，表明深部采空區(qū)煤自燃傾向性增大；通風(fēng)量增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)到回風(fēng)側(cè)O2從高濃度逐漸降低為低濃度，但有大量O2從進(jìn)風(fēng)側(cè)向回風(fēng)側(cè)運(yùn)移，導(dǎo)致回風(fēng)側(cè)O2濃度呈不斷增大趨勢，該位置煤自燃危險(xiǎn)性隨之增大。

4.2 進(jìn)風(fēng)側(cè)、采空區(qū)中段與回風(fēng)側(cè)O2濃度分析

采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)大于18%時(shí)為散熱帶；采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)在8%～18%時(shí)為氧化帶；采空區(qū)O2體積分?jǐn)?shù)小于8%時(shí)為窒息帶[17]。風(fēng)流從工作面下隅角漏入采空區(qū)，在一定程度上導(dǎo)致采空區(qū)內(nèi)不同高度的O2濃度分布各不相同，選擇工作面高度對(duì)O2濃度進(jìn)行分析。由于采空區(qū)物理模型工作面高度為6 m，所以選定工作面中間高度為3 m，沿采空區(qū)深度方向建立監(jiān)測線，監(jiān)測氣體運(yùn)移情況，在f=3 m時(shí)，對(duì)進(jìn)風(fēng)側(cè)、采空區(qū)中段與回風(fēng)側(cè)的O2濃度進(jìn)行分析，如圖4所示。

(a)通風(fēng)量1 800 m3/min，溫度24.8 ℃

由圖4可知，隨采空區(qū)深度增加，進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段O2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)減小，曲線斜率呈先增大后減小的趨勢；回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加呈減小趨勢，但其曲線斜率變化不明顯。在采空區(qū)深度小于150 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段位置O2體積分?jǐn)?shù)較高且均在20%以上，而回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)下降。在采空區(qū)深度大于150 m時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段O2體積分?jǐn)?shù)均明顯下降。當(dāng)通風(fēng)量為1 800 m3/min、溫度為24.8 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分別在采空區(qū)深度為216，97 m時(shí)達(dá)8%，在采空區(qū)深度為173，33 m時(shí)達(dá)18%。當(dāng)通風(fēng)量為1 800 m3/min、溫度為40 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分別在采空區(qū)深度為213，98 m時(shí)達(dá)8%，在采空區(qū)深度為179，33 m時(shí)達(dá)18%。當(dāng)通風(fēng)量為2 700 m3/min、溫度為24.8 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分別在采空區(qū)深度為271，158 m時(shí)達(dá)8%，在采空區(qū)深度為235，54 m時(shí)達(dá)18%。當(dāng)通風(fēng)量為2 700 m3/min、溫度為40 ℃時(shí)，進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)分別在采空區(qū)深度為288，185 m時(shí)達(dá)8%，在采空區(qū)深度為213，54 m時(shí)達(dá)18%。根據(jù)分析可知，大量高濃度O2存在于采空區(qū)150 m之前，整個(gè)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段的煤自燃危險(xiǎn)性均大于回風(fēng)側(cè)。

4.3 安全推進(jìn)速度推算

結(jié)合“三帶”分布確定煤易自燃范圍和最大理論寬度，繼而推算安全推進(jìn)速度。

地溫增高的同時(shí)增大通風(fēng)量，在一定程度上加大了煤自燃危險(xiǎn)性，因此，對(duì)溫度為40 ℃、通風(fēng)量為2 700 m3/min時(shí)煤自燃情況進(jìn)行分析。對(duì)采空區(qū)煤自燃“三帶”分布范圍進(jìn)行劃分，得到進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)、采空區(qū)中段“三帶”分布情況，見表3。

表3 采空區(qū)煤自燃“三帶”分布

由表3可知，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶寬度為75 m，采空區(qū)中段氧化帶寬度為78 m，回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度為131 m，因此氧化帶最大寬度L為131 m。在該范圍內(nèi)O2供應(yīng)充足，蓄熱環(huán)境適宜，漏風(fēng)量大，為煤自燃提供了有利條件，因此將氧化帶最大寬度視為開采最大理論寬度。

在礦井開采過程中，根據(jù)煤自然發(fā)火實(shí)驗(yàn)測得煤自然發(fā)火期h，進(jìn)一步計(jì)算安全推進(jìn)速度v0，在礦井開采不穩(wěn)定時(shí)可根據(jù)情況提高推進(jìn)速度以保證開采安全并提高開采效率。

v0=L/h

(9)

5 結(jié)論

(1)在通風(fēng)量相同情況下，溫度從24.8 ℃升高到40 ℃時(shí)，O2隨著風(fēng)流向整個(gè)采空區(qū)滲入，O2濃度隨采空區(qū)深度增加而減?。辉跍囟认嗤闆r下，當(dāng)風(fēng)量從1 800 m3/min增大到2 700 m3/min時(shí)，采空區(qū)漏風(fēng)范圍大幅度提升，采空區(qū)O2濃度場變化明顯，O2幾乎充滿整個(gè)采空區(qū)，并且高濃度O2存在范圍增大，此時(shí)由于熱量積聚導(dǎo)致采空區(qū)溫度升高，采空區(qū)內(nèi)部遺煤溫度也持續(xù)增加，煤氧復(fù)合作用加快，遺煤自燃的可能性增大。

(2)隨著采空區(qū)距工作面距離增大，O2濃度減小，進(jìn)風(fēng)側(cè)O2濃度大于回風(fēng)側(cè)O2濃度，表明進(jìn)風(fēng)側(cè)煤自燃危險(xiǎn)性大于回風(fēng)側(cè)。

(3)隨著采空區(qū)深度增加，進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段O2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)減小，曲線斜率呈先增大后減小趨勢；回風(fēng)側(cè)O2體積分?jǐn)?shù)隨采空區(qū)深度增加呈減小趨勢；大量高濃度O2存在于采空區(qū)150 m之前，整個(gè)采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與采空區(qū)中段煤自燃危險(xiǎn)性均大于回風(fēng)側(cè)。

(4)當(dāng)溫度為40 ℃、通風(fēng)量為2 700 m3/min時(shí)，氧化帶最大寬度為131 m，將該寬度視為開采最大理論寬度，進(jìn)一步計(jì)算安全推進(jìn)速度，為煤礦開采提供了理論依據(jù)。