工作面回撤期间煤自燃高温区域演化规律模拟*

于志金，翟小伟，马灵军，董　伟，4，景巨栋，4 ，马　腾

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏 银川 750002；4.神华宁夏煤业集团有限责任公司 羊场湾煤矿，宁夏 银川 750002)



工作面回撤期间煤自燃高温区域演化规律模拟*

于志金1，2，翟小伟1，2，马灵军3，董伟3，4，景巨栋3，4，马腾1，2

(1.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；2.教育部 西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054；3.神华宁夏煤业集团有限责任公司，宁夏 银川 750002；4.神华宁夏煤业集团有限责任公司 羊场湾煤矿，宁夏 银川 750002)

为掌握综放工作面停采回撤期间由于煤氧化升温而产生的温度异常区域的动态演化规律，进而科学地指导防灭火措施的高效应用。以典型工作面为背景，基于煤自燃过程的耦合原理与实验得出的数据参数，利用COMSOL软件对采空区遗煤的氧化升温过程进行了数值模拟。结果表明：工作面回撤时期，在漏风较为稳定的条件下，煤体持续氧化升温采空区内的高温区域会逐渐形成于靠近漏风源的进、回风两侧距工作面3～10 m范围内，并随着时间推移，温度呈非线性升高的特征。如不采取有效的防治措施，燃烧则会在进风一侧距工作面3～5 m区域内率先发生。通过现场实践，利用模拟得出规律成功地指导了现场工作面的回撤，证明了模拟结果能够正确地反应采空区温度分布的变化趋势。

耦合原理；数值模拟；采空区；燃烧；回撤

0　引　言

自燃是煤的本质属性，而自燃的发生需要稳定的氧化蓄热环境。工作面停采回撤时期，静态的工作面条件导致遗煤处于持续的氧化状态中，随着时间推移，煤氧化产生的热量不断积聚致使温度上升，如不采取有效的控制措施，极易发生煤自燃火灾。在中国，各大煤炭主要产区均存在工作面回撤期间煤自然发火问题[1-2]。对此，许多研究者针对回撤期间煤自然发火的特点，应用了多种防灭火技术来确保工作面顺利回收[3-4]。但防治技术实施往往滞后于煤自燃的发展状态，造成预防工作较为被动，一旦火灾发生，工作面只能被迫封闭[5]。因此，为实现对煤自燃状态超前预测，高温位置准确判断。文中利用数值方法，模拟工作面回撤期间采空区内温度随时间的瞬态分布特征，而从能够超前预测煤自燃高温区域，为现场的煤自燃防治工作提供指导。

1　工程背景与模拟过程

1.1工程背景

某矿2#煤层为Ⅰ级易自燃煤层，自然发火期为23 d，着火点为305 ℃.由于综放开采、回撤周期长等原因导致该煤层内布置的大部分工作面回撤期间遗煤自燃现象严重。往往回撤一段时间后，部分工作面支架后尾梁处率先出现较高浓度的CO，其位置分布极不规律且发展十分迅速，随即很快能够检测出C2H4，C2H6等高温裂解气体，发火预兆明显。使得工作面被迫封闭，造成了严重的经济损失。

II020210综放工作面位于2#煤层东南部，西部与II020208综放工作面采空区相邻，中间留设35 m煤柱，东部为原始煤层，无采掘活动。采用“U”通风方式，走向长为1 008 m，倾斜长为245 m，煤层平均厚度为9.3 m，回采时割煤高度为3.2 m，放煤高度为6.1 m，采放比为N=1∶1.9，停采回撤时期配风量为836 m3/min.

1.2模拟过程

依据II020210综放工作面回撤期间遗煤所处的外部环境，结合煤氧化升温过程“三传一反(传质、传热、传功、反应)”的特点，考虑多物理场的耦合过程。借助已有研究建立的控制方程[6-7]，建立了适用于描述工作面回撤期间的遗煤自燃数值模型。经过对众多煤自燃模型的解算发现，在求解方程中的一些重要参数(表1)和模型的边界条件，特别是传热模型的边界条件设定是影响模拟结果能否准确反映问题变化趋势的关键因素。

表1　煤自燃模型求解关键参数

注：煤自燃过程中，上述参数多为变量，随反应进行其值不断变化。

以II020210综放工作面为背景建立几何模型，假设工作面回撤期间风量和采空区内地漏风规律保持不变。考虑采空区遗煤分布呈两端多、中间少的特点，在模型中通过设定不均匀耗氧速率来描述遗煤的氧化升温特征。模型中的主要求解参数来源于自然发火实验测试数据，并结合相关文献的计算方法得到[8-9]。依据现场环境设定的边界条件见表2.

表2　模型的边界条件

其中：U为速度矢量；C为氧气浓度；T为温度；Ta为壁面的温度；h为换热系数；λeq为等效导热系数[10]。

选用基于有限元算法的多物理场耦合软件COMSOL进行求解，由瞬态的求解方法得到工作面停采后采空区内温度随时间的变化特征。

2　模拟结果

2.1采空区温度场分布

几何模型中，右侧为进风巷。采空区的初始温度为20 ℃，通过模拟得到工作面停采后采空区温度场分布如图1所示。

图1　采空区温度场随停采时间的分布特征Fig.1　Temperature distribution characteristics of mined-out area with stopping mining time(a) 13 d　(b) 17 d　(c) 22 d

停采后，采空区内影响煤自燃的因素保持相对稳定的状态，煤随时间推移不断氧化升温。由图1可知，背景工作面在停采13 d后采空区内逐渐形成具有明显温差的区域，其中升温区域主要集中于采空区内距工作面3～20 m范围。由图1(a)和图1(b)可知，在煤的升温过程中，沿整个工作面方向上均分布着不同程度的高温点。但由于供氧条件相对充足，煤氧化进入加速升温阶段后，进、回风两侧温度将会快速上升，在模拟条件下，第22天进风侧最高温度点达到166 ℃.整个采空区最高温度点温度随时间变化规律如图2所示。

图2　最高温度点温度随停采时间变化Fig.2　Temperature of the highest temperature point changing with stopping mining time

由图2可知，采空区煤的升温具有明显的非线性特征，停采初期至第17天时煤温最高点仍低于55 ℃，说明长时间的低温氧化过程中煤的温度升高并不明显，但随着热量的不断积聚，煤温由55 ℃到220 ℃仅需6 d，特别是突破临界温度后，煤温将迅速上升，并很快发生燃烧。上述原因导致了采空区中的煤自燃往往早期不易发觉，一旦发现高温出现，则自燃极难控制。因此，准确掌握高温范围随时间的发展规律，在早期及时的进行治理是防治煤自燃的根本思路。

2.2高温区域的形成特点

结合图1中采空区内主要的升温区域，分别沿工作面方向绘制了采空区内距工作面3，5，10 m位置处的温度随时间变化曲线，如图3所示。

图3　采空区3，5，10 m处温度随时间变化特征Fig.3　Temperature variation characteristics with time in mined-out area 3，5，10 m deep

坐标轴左侧为进风位置。由图3可知，随着煤温不断升高，相同时间下，采空区内不同深度的温度分布差异明显，温度越高，温差越大。不同时间段内采空区5 m处的煤温明显高于其他位置，而3和10 m处在整个升温过程中各点的温度差异较小。温度未达到临界温度时，沿工作面方向上的各点温度呈现整体升高的特征，并未形成明显的高温区。但温度升高后，随着煤耗氧能力的迅速加大，高温区域将于采空区两侧3～10 m的范围内逐渐形成，并呈现两端高，中间低的特点。最终，燃烧大致会发生位于采空区内3～5 m深并距进风位置20～25 m处。

上述现象说明：在准备回撤时，为了防止煤自燃发生，应首先对采空区两巷位置实施有效的堵漏风措施，减少采空区漏风。同时沿工作面方向对整个工作面实施防灭火钻孔，其终孔位置应位于支架后3～5 m的范围内，在靠近进、回风巷位置的重点防范区域内，应加大钻孔布置强度，同时施工高、低位钻孔。回撤时，依据钻孔内气体或温度的监测结果，及时地采取防灭火措施，从而抑制煤自燃现象的发生。

3　现场实践

II020210工作面回撤期间曾多次发生严重的CO气体超限，上隅角和回风流中CO均达到100 ppm以上，并急剧升高，导致工作面被迫封闭。为了实现工作面成功启封和回撤，首先，在距工作面前方20 m处施工防灭火措施巷并由措施巷向采空区方向施工钻孔，终孔位于支架后尾梁3～5 m处。在回撤过程中，由于采用局部通风的方式向扇形带供风，依据两端升温较快，特别是自燃位置与进风侧具有明显的一致性特点的模拟结论。随着支架回撤，应依次通过措施巷钻孔对进风位置附近实施灌注高分子胶体、水等材料抑制煤自燃。同时对其余钻孔内检测到高浓度的CO处灌注高分子胶体。依据上述的治理思路，II020210工作面实施启封后直至工作面回撤完毕，上隅角和回风流中CO浓度均维持在10 ppm以下。部分出现高浓度CO钻孔内气体变化趋势如图4所示。

图4　钻孔内CO浓度变化Fig.4　CO concentration variation in drill(a) 100-145#支架　(b) 60-100#支架

启封后，随着供氧条件的恢复，煤体容易再次氧化进而发生复燃。由图4可知，在个别位置钻孔内出现了高浓度的CO后，针对该钻孔实施的防灭火技术有效地抑制了煤的复燃，并且能够确保这一区域长时间内CO气体浓度维持稳定，说明依据模拟结果设计的终孔位置能够有效地覆盖煤自燃重点区域，使防灭火材料作用于正确的位置，因此效果显著。同时，整个回撤期间，通过在进风位置附近对应的措施巷钻孔持续地灌注防灭火材料，有效地对易自燃区域的煤体进行了包裹，成功地消除了煤自燃隐患。

4　结　论

1)煤自燃模型的正确求解关键在于重要参数的选取和边界条件的设定。在模拟条件下，背景工作面在停采18 d后最高温度突破临界温度，随后温度快速升高，第22天最高温度达到166 ℃，整个过程煤温呈非线性升高的特点；

2)工作面回撤期间，煤自然高温区域主要集中于采空区两侧距工作面3～10 m范围内，并随着温度的不断上升，沿工作面方向上煤温呈现两端高、中间低的分布特征，最终，燃烧会率先在靠近进风侧采空区内3～5 m处发生；

3)依据模拟确定的防灭火重点区域，将措施巷钻孔的终孔位置设于采空区3～5 m范围内，在回撤期间，通过钻孔对进风位置附近和出现自燃隐患地点进行灌注高分子胶体和注水的方法，成功实现了工作面启封和回撤。

References

[1]丁永禄，董伟，郝军.工作面回撤期间封闭和注液氮防灭火技术[J]．煤炭科学技术，2013，41(2)：49-51，55．

DING Yong-lu，DONG Wei，HAO Jun.Fire prevention and control technology with sealing and liquid nitrogen injection during withdrawing period of coal mining face[J].Coal Science and Technology，2013，41(2)：49-51，55．

[2]陈跟马，张进军，昝军才，等.大佛寺煤矿40104综放工作面火区启封安全回撤技术实践[J]．矿业安全与环保，2012，39(4)：55-58．

CHEN Gen-ma，ZHANG Jin-jun，JI Jun-cai，et al.Practice on fire area reopening and safety retreating in 40104 fully-mechanized face of Dafosi coal mine[J].Mining Safety & Environment Protection，2012，39(4)：55-58．

[3]鲍永生.高瓦斯易燃厚煤层采空区自燃灭火与启封技术[J]．煤炭科学技术，2013，41(1)：70-73．

BAO Yong-sheng.Fire extinguishing and unsealing technology of spontaneous combustion in goaf of high gassy and easy combusted thick seam[J].Coal Science and Technology，2013，41(1)：70-73．

[4]周立春.封闭综放工作面启封时期的防灭火技术[J]．中国煤炭，2011，37(9)：92-93，97.

ZHOU Li-chun.Technology of fire prevention and extinguishment on fully mechanized working face during unsealing period[J].China Coal，2011，37(9)：92-93，97.

[5]梁运涛，罗海珠.中国煤矿火灾防治技术现状与趋势[J].煤炭学报，2008，33(2)： 126-130.

LIANG Yun-tao，LUO Hai-zhu.Current situation and development trend for coal mine fire prevention & extinguishing techniques in China[J].Journal of China Coal Society，2008，33(2)： 126-130.

[6]XIA Tong-qiang，ZHOU Fu-bao，LIU Ji-shan，et al.A fully coupled hydro-thermo-mechanical model for the spontaneous combustion of underground coal seams[J].Fuel，2014，125：106-115.

[7]朱建芳，蔡卫，秦跃平.基于移动坐标的采空区自然发火模型研究[J]．煤炭学报，2009，34(8)：1 095-1 100．

ZHU Jian-fang，CAI Wei，QIN Yue-ping.Mathematical model for spontaneous combustion in goaf in the moving coordinates[J]．Journal of China Coal Society，2009，34(8)：1 095-1 100．

[8]文虎.煤自燃过程的实验及数值模拟研究[D]．西安：西安科技大学，2003.

WEN Hu.Study on experimental and numerical simulation of coal self-ignition process[D].Xi’an:Xi’an University of Science & Technology，2003.

[9]文虎，徐精彩.煤自燃过程的动态数学模型和数值分析[J]．北京科技大学学报，2003，25(5)： 387-390.

WEN Hu，XU Jing-cai.Dynamic mathematical model and numerical analysis of coal spontaneous combustion process[J]．Journal of University of Science and Technology Beijing，2003，25(5)： 387-390.

[10]李宗翔．自燃采空区耗氧-升温的区域分布特征[J]．煤炭学报，2009，34(5)：667-672．

LI Zong-xiang.Study on distribution characteristic of remaining coal oxygen consumption and spontaneous combustion heating-up in goaf[J]．Journal of China Coal Society，2009，34(5)：667-672.

Evolutional law simulation of high temperature zone of coal spontaneous combustion during retreating period of mining face

YU Zhi-jin1，2，ZHAI Xiao-wei1，2，MA Ling-jun3，DONG Wei3，4，JING Ju-dong3，4，MA Teng1，2

(1.CollegeofEnergyScienceandEngineering,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an710054,China；2.KeyLaboratoryofWesternMineExplorationandHazardPrevention，MinistryofEducation，Xi’an710054，China；3.ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCorporationLtd，Yinchuan750002，China；4.YangchangwanMine，ShenhuaNingxiaCoalMiningGroupCo.,Ltd.，Yinchuan750002，China)

Grasping the evolutional law of temperature abnormal region due to the self-heating of coal during retreating period of full-mechanized mining face，is a scientific guidance for effective application of fire prevention measures.Taking the typical working face as the background，based on the coupling principle of coal spontaneous combustion and data from experiment，numerical simulation is carried out by COMSOL software.The results show that during retreating period of face，on the conditions of the stability of air leakage，coal will be oxidized with the temperature rising constantly.High temperature zone will be formed gradually on both sides of air intake and return where close to air leakage source and 3～10 m from the face in mining-out area，and with time goes，temperature rises constantly.If not to take effective measures to control，burning will first happy in the side of air intake from working face 3～5 m.The conclusions have been drawn from simulated results to guide the mining face retreat successfully，and the simulated results are validated it，which can correctly reflect the variation tendency of temperature distribution in mining-out area.

coupling principle；numerical simulation；mining-out area；burning；retreating

10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2016.0504

1672-9315(2016)05-0628-05

2016-05-20责任编辑：刘洁

国家自然科学基金青年基金(51404195)；陕西省重点科技创新团队计划(2012KCT-09)

于志金(1989-)，男，汉，黑龙江双鸭山人，博士研究生，E-mail：yuzhijin0927@126.com

X 936

A