基于多參量的采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分方法研究

岳寧芳，金 彥，陳桂林，孫明福，冉學(xué)超

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司王家山煤礦，甘肅 白銀 730614；3.靖遠(yuǎn)煤電股份有限公司紅會(huì)一礦，甘肅 白銀 730614)

我國目前處于能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型階段，但是短期內(nèi)難以控制煤炭資源需求的增長趨勢[1]。伴隨綜放開采、孤島開采、高層注漿開采、長壁開采等[2]礦井開采技術(shù)的應(yīng)用推廣，在煤炭資源開采效率提升的同時(shí)井下環(huán)境愈發(fā)的復(fù)雜、惡劣。井下災(zāi)害時(shí)有發(fā)生，其中煤自燃火災(zāi)事故占據(jù)礦井火災(zāi)事故總數(shù)的70%[3]。因此，針對以采空區(qū)為主的煤自燃孕育危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分，能夠合理安排每日最小推進(jìn)度、注惰管路預(yù)埋、日常監(jiān)測等防滅火工作[4]。

近年來，眾多學(xué)者針對采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域劃分、判定理論進(jìn)行了大量研究。徐精彩等[5]通過分析煤自然發(fā)火特性參數(shù)，提出了煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的判定條件及劃分方法；張辛亥等[6]通過建立煤氧耦合數(shù)學(xué)模型，模擬了不同工況條件下的采空區(qū)溫度、氧氣場分布情況，補(bǔ)充了采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域劃分影響因素；完顏曉亮等[7]通過整理分析現(xiàn)場數(shù)據(jù)，總結(jié)了煤自燃“三帶”空間分布規(guī)律，為實(shí)際采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域的判定提供了理論借鑒；常緒華等[8]通過理論與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，將工作面自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分為動(dòng)、靜2種危險(xiǎn)區(qū)域，研究結(jié)果充分表明了采空區(qū)“動(dòng)態(tài)三帶”潛在的研究應(yīng)用價(jià)值。

針對王家山煤礦采空區(qū)遺煤自燃隱患控制問題，通過公斤級煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置測試、現(xiàn)場布點(diǎn)抽測和仿真模擬收集煤自燃特性參數(shù)，為現(xiàn)場煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)結(jié)合判定式歸納進(jìn)行現(xiàn)場煤自燃隱患危險(xiǎn)區(qū)域劃分，以指導(dǎo)現(xiàn)場開展煤自燃防控工作。

1 采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域判定方法

1)采空區(qū)出現(xiàn)危險(xiǎn)區(qū)域的前提是滿足浮煤氧化反應(yīng)放熱量大于散熱量，其必要條件通式如下[9]：

div[λmgradTc]+q0(Tc)-div(fρgcgvTc)≥0

(1)

式中:λm為現(xiàn)場浮煤的導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·K)；q0(Tc)為采空區(qū)內(nèi)浮煤在溫度Tc、氧氣體積分?jǐn)?shù)φ0條件下的放熱強(qiáng)度，J/(s·cm3)；f為浮煤孔隙率，%；ρg為采空區(qū)內(nèi)氣流的密度，g/cm3；cg為測定現(xiàn)場環(huán)境中空氣的比熱容，J/(kg·K)；v為現(xiàn)場風(fēng)機(jī)控制的正?？諝饬魉?，m/s。

2)在假定推進(jìn)速度和煤(巖)體初始溫度確定時(shí)，采空區(qū)內(nèi)浮煤自燃的條件可以認(rèn)定為：一定厚度的浮煤、合適的漏風(fēng)強(qiáng)度及足夠的氧氣體積分?jǐn)?shù)。在式(1)的基礎(chǔ)上確定關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算式如下[10-11]：

①采空區(qū)最小浮煤厚度。在井下采空區(qū)實(shí)際環(huán)境中，漏風(fēng)強(qiáng)度較小時(shí)，可以忽略風(fēng)流所導(dǎo)致的煤體熱量流失，即采空區(qū)域的熱量傳遞可以被看作是一維的平面煤(巖)體傳導(dǎo)散熱問題。則可將式(1)簡化，進(jìn)而推導(dǎo)得到煤體升溫所必要的下限浮煤厚度(hmin)計(jì)算式如下：

(2)

②采空區(qū)極限氧氣體積分?jǐn)?shù)。將采空區(qū)簡化視作平面一維傳熱問題，則可由式(1)推導(dǎo)得到采空區(qū)內(nèi)浮煤氧化升溫必要的極限氧氣體積分?jǐn)?shù)(φmin)計(jì)算式如下：

(3)

(4)

表1 煤自燃“三帶”劃分條件

2 煤自燃關(guān)鍵數(shù)據(jù)測定試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)裝置

利用西安科技大學(xué)公斤級煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置對王家山煤礦煤樣進(jìn)行測試，獲取現(xiàn)場煤樣自然發(fā)火特性參數(shù)。煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置由絕熱氧化裝置、供氣控制系統(tǒng)、溫度自動(dòng)檢測系統(tǒng)構(gòu)成,如圖1所示。該試驗(yàn)裝置能夠模擬井下煤體實(shí)際自然發(fā)火過程所需要的氧化升溫條件。

圖1 公斤級煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置示意圖

2.2 試驗(yàn)條件及過程

從王家山煤礦工作面采集50 kg新鮮煤樣，使用破碎機(jī)進(jìn)行煤樣破碎篩分，重新混合成試驗(yàn)煤樣。

試驗(yàn)過程中按照預(yù)設(shè)的間隔參數(shù)進(jìn)行氣樣采集，通入氣相色譜儀進(jìn)行分析，記錄試驗(yàn)溫度變化條件下的氣體種類和濃度數(shù)據(jù)。具體試驗(yàn)條件如表2 所示。

表2 煤樣試驗(yàn)條件

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

煤自然發(fā)火試驗(yàn)測試結(jié)果見圖2，當(dāng)現(xiàn)場環(huán)境溫度為25 ℃ 時(shí)，現(xiàn)場遺煤最短自然發(fā)火期為48 d[15]。通過理論計(jì)算式可以確定現(xiàn)場遺煤在28.3 ℃時(shí)所對應(yīng)的耗氧速率為4.732×10-11mol/(s·cm3)，危險(xiǎn)區(qū)域關(guān)鍵參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表3所示。另外，經(jīng)過試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，出氣口位置氧氣體積分?jǐn)?shù)為5%～7%時(shí)，裝置出氣口溫度低于高溫點(diǎn)溫度，且溫差逐漸擴(kuò)大，由此可以推斷當(dāng)現(xiàn)場浮煤處于此氧氣體積分?jǐn)?shù)區(qū)間內(nèi)時(shí)不易因自然升溫而引發(fā)礦井火災(zāi)。

表3 不同浮煤厚度時(shí)的下限氧氣體積分?jǐn)?shù)和上限漏風(fēng)強(qiáng)度

3 現(xiàn)場觀測與數(shù)據(jù)分析

3.1 現(xiàn)場觀測方法

王家山煤礦二層煤中二202綜放工作面采空區(qū)的氣體通過現(xiàn)場預(yù)埋束管抽氣(每50 m布置一測點(diǎn))，利用氣相色譜儀分析方法進(jìn)行觀測，最遠(yuǎn)束管測點(diǎn)距離工作面 200 m，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)各3個(gè)測點(diǎn)。

3.2 觀測數(shù)據(jù)處理分析

1)采空區(qū)浮煤厚度

中二202綜放工作面煤層平均厚度為11.15 m，平均采煤高度約為2.6 m，平均放煤高度約為7.7 m。工作面回采率約為88%。由于現(xiàn)場采空區(qū)中部綜合回采率為93%，因此采空區(qū)內(nèi)部孔隙率按30%計(jì)算，則采空區(qū)內(nèi)的平均浮煤厚度計(jì)算結(jié)果為1.9 m。

2)采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)

結(jié)合束管抽測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)，可以繪制出采空區(qū)內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)波動(dòng)曲線，如圖3所示。由圖3可知，進(jìn)、回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著工作面的推進(jìn)呈線性遞減趨勢。在進(jìn)風(fēng)側(cè)距工作面41 m時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至18.5%左右，110 m后降至7.0%以下；在回風(fēng)側(cè)距工作面25 m時(shí)氧氣體積分?jǐn)?shù)降至18.0%以下，55 m后降至8.0%左右。

圖3 采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)隨埋深的波動(dòng)曲線

3)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度

當(dāng)浮煤厚度小于0.6 m時(shí)，漏風(fēng)強(qiáng)度上限為負(fù)值，無法滿足煤體蓄熱條件，可以認(rèn)定此時(shí)煤體氧化反應(yīng)所放出的熱量將通過風(fēng)流全部散失[16]。假設(shè)漏風(fēng)沿一維流動(dòng)，且漏風(fēng)強(qiáng)度不變，則可通過計(jì)算一段區(qū)域的兩邊界點(diǎn)氧量估算該位置的漏風(fēng)強(qiáng)度。實(shí)際漏風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算式如下[17-18]：

(5)

結(jié)合采空區(qū)內(nèi)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，以及理論推導(dǎo)式，可以計(jì)算出采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度，具體計(jì)算數(shù)值將為采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域判定提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果如圖4所示。

圖4 采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)強(qiáng)度隨埋深的波動(dòng)曲線

4 采空區(qū)流場分布規(guī)律數(shù)值模擬

為有效劃分采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域，基于現(xiàn)場采空區(qū)模型進(jìn)行三維場模擬，以便更為直觀地觀察采空區(qū)內(nèi)的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布情況[19]。根據(jù)王家山煤礦中二202工作面實(shí)際情況，利用ANSYS軟件構(gòu)建模型，如圖5所示。設(shè)定采空區(qū)長129 m、寬200 m、高27 m；浮煤厚度設(shè)定為1.9 m，兩側(cè)浮煤為7.7 m，放煤步距為2.6 m，浮煤上方為巖層；設(shè)定工作面長2.6 m、寬200 m、高4 m,進(jìn)回風(fēng)巷道長 50 m、寬5 m、高4 m。

圖5 采空區(qū)數(shù)值模擬模型

煤樣參數(shù)設(shè)定如下：密度為855.871 kg/m3，比熱容為 1 332.201 9 J/(kg·K)，熱擴(kuò)散系數(shù)為0.085 6 W/(m·K)；巖體溫度為298.15 K；邊界條件進(jìn)風(fēng)巷(velocity-inlet)設(shè)定風(fēng)速為0.55 m/s，回風(fēng)巷(outlet)設(shè)定模式為自然出流(outflow)；浮煤區(qū)域自然瓦斯涌出量為2.3 m3/min。其他相應(yīng)參數(shù)等通過UDF編譯函數(shù)，使用編譯器進(jìn)行設(shè)定，而后進(jìn)行相關(guān)計(jì)算[20]。通過Fluent軟件進(jìn)行運(yùn)算求解，得到采空區(qū)內(nèi)部的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律，抽取運(yùn)算步驟中的采空區(qū)內(nèi)部氧氣體積分?jǐn)?shù)分布范圍，模擬結(jié)果見圖6。

(a)初始供氣時(shí)氧氣分布

從圖6(b)可以看出,在采用最大驗(yàn)證風(fēng)速的參數(shù)條件下，采空區(qū)內(nèi)進(jìn)回風(fēng)側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)差別較大，但整體的氧氣體積分?jǐn)?shù)分布規(guī)律與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)接近。因此，結(jié)合模擬結(jié)果，應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)對采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)50～110 m及回風(fēng)側(cè)20～60 m區(qū)域內(nèi)的煤自燃防控工作，以確保工作面的安全回采。

5 基于多參量的煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域判定方法

依據(jù)計(jì)算得到的現(xiàn)場浮煤厚度、由試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算所得的危險(xiǎn)區(qū)域影響參數(shù)閾值、現(xiàn)場束管觀測和Fluent模擬所得到的氧氣場和氣流場的分布規(guī)律，可以進(jìn)行王家山煤礦采空區(qū)內(nèi)的危險(xiǎn)區(qū)域劃分[21-22]。

為避免模擬數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差，根據(jù)采空區(qū)漏風(fēng)強(qiáng)度、氧氣體積分?jǐn)?shù)和浮煤厚度分布情況，將上述參數(shù)繪制在同一個(gè)圖上(見圖7(a))，結(jié)合危險(xiǎn)區(qū)域判定條件(見表1)及“三帶”區(qū)分閾值(見表3)，可以判斷出采空區(qū)煤自燃“三帶”分布范圍，具體劃分情況如圖7(b)所示。

圖7 采空區(qū)煤自燃危險(xiǎn)區(qū)域劃分情況

根據(jù)圖7(b)的危險(xiǎn)區(qū)域劃分情況，最終可以確定中二202工作面采空區(qū)散熱帶距工作面0～50 m，在進(jìn)、回風(fēng)兩側(cè)向前突出；窒息帶距工作面55～105 m；氧化升溫帶在進(jìn)風(fēng)側(cè)最寬約50 m，回風(fēng)側(cè)寬約30 m。即重點(diǎn)防控區(qū)域應(yīng)為進(jìn)風(fēng)側(cè)50～105 m，回風(fēng)側(cè)25～50 m。

考慮到202工作面在回采過程中受到大傾角的影響導(dǎo)致推進(jìn)速度較慢，因此在“三帶”劃分過程中以極值(向上取極大值，向下取極小值)作為劃分閾值，確保防患區(qū)域全覆蓋。采空區(qū)氧化升溫帶沿回采方向進(jìn)風(fēng)側(cè)最寬為60 m，即Lmax=60 m，且煤自燃試驗(yàn)最短發(fā)火期為48 d，因此取安全系數(shù)1.3，則計(jì)算可得每日最小安全推進(jìn)度為1.6 m。

6 結(jié)論

1)利用公斤級煤自然發(fā)火試驗(yàn)裝置，確定現(xiàn)場煤體的最短自然發(fā)火期為48 d，確定了現(xiàn)場煤體的極限浮煤厚度、極限氧氣體積分?jǐn)?shù)及極限漏風(fēng)強(qiáng)度三者的對應(yīng)關(guān)系。

2)采用現(xiàn)場觀測與數(shù)值模擬的方法，得到了王家山煤礦大傾角工作面采空區(qū)氧氣體積分?jǐn)?shù)等多場的分布規(guī)律，模擬數(shù)據(jù)與現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)基本吻合。

3)根據(jù)整合的采空區(qū)危險(xiǎn)區(qū)域劃分判定式進(jìn)行了現(xiàn)場應(yīng)用，結(jié)合束管監(jiān)測數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)劃分了現(xiàn)場采空區(qū)煤自燃“三帶”危險(xiǎn)區(qū)域。確定了現(xiàn)場采空區(qū)煤自燃防控重點(diǎn)約在進(jìn)風(fēng)側(cè)50～105 m，回風(fēng)側(cè)25～50 m，每日最小安全推進(jìn)度為1.6 m。