煤矿瓦斯与煤自燃复合灾害危险区域判定

2019-09-10原丽俊

山西能源学院学报 2019年6期

原丽俊

【摘要】本文针对煤矿瓦斯与煤自燃复合灾害现象，对煤自燃以及瓦斯爆炸的条件进行了详细的讨论。研究表明：采空区因为通风的不足，容易聚集大量的瓦斯和氧气，加上遗煤的存在，是发生瓦斯与煤自燃复合灾害的危险区域。同时，利用FLUENT数值模拟软件对采空区流场进行数值模拟，在有高抽巷的地方，下部瓦斯浓度低于上部瓦斯浓度，下部氧气浓度高于上部瓦斯浓度，通过对复合灾害危险区域图的分析，得到最小复合灾害危险区为（35m，27m），矿井可根据本文模拟数据布置高抽巷。

【关键词】复合灾害;数值模拟;高抽巷;采空区

【中图分类号】 TD712 【文献标识码】 A

【文章编号】 2096-4102（2019）06-0004-03

煤矿瓦斯与煤自燃复合灾害严重威胁着生产的顺利进行，鹿存荣等通过建立采空区流场渗流模型，分析得到采空区内氧气及瓦斯气体的移动规律，针对模拟结果制定相应措施，消除了潜在的安全隐患。李树刚等研究了采空区内温度场、漏风强度场以及瓦斯运移等规律，得到煤自燃产生的热量可使周围气体膨胀，热量散发的同时，扩大可危险区域，同时利用流体力学模拟软件对采空区流场进行数值模拟，建立了采空区-工作面流场数学模型，对矿井内火灾的防治提供了指导。杨胜强等通过对采空区自燃“三带”现场温度和气样观测，得出最有利于采空区防灭火的供风量，有效抑制了煤炭自燃，消除了瓦斯与煤自燃共生致灾的可能性，保障了安全开采。杨国权和宋伟详细叙述了煤矿安全管理的重要性，科学规范性的管理能够有效抑制煤炭自燃，消除瓦斯与煤自燃共生致灾的可能性，保障安全开采。

目前的研究虽都对瓦斯与煤自燃的复合灾害进行了细致的研究，但都没有对瓦斯与煤自燃的复合灾害区域进行全面的分析，本文对瓦斯与煤自燃复合灾害发生条件进行了理论分析，同时利用FLUENT软件对采空区不同位置的氧气以及瓦斯浓度进行了模拟，通过理论分析和数值模拟得到了最小采空区危险区域，为实际工程布置高抽巷提供了参考。

1瓦斯与煤自燃复合灾害区域判定

采空区发生瓦斯与煤自燃复合灾害的条件是足夠的遗煤含量、充分的氧气含量和瓦斯含量，除此之外，只有温度到达煤的燃点之后，采空区才会发生自燃现象。随着工作面的不断推进，采空区的不断垮落，采空区应力会重新分布，靠近工作面的采空区因为有支架的作用，气体可随大裂隙流动，距离工作面较远区域内的气体含量相对稳定。瓦斯与煤的自燃复合需在特定条件下完成，足够遗煤必须达到燃点后才可以燃烧。其次，氧气浓度必须大于10%，足够的氧气浓度为煤自燃提供了必要条件，煤随着氧化作用的发生，温度升高达到燃点才可将遗煤点燃。此外，瓦斯含量介于5%-16%范围内，点燃的遗煤会诱发瓦斯爆炸，当两者同时发生时，称为复合灾害。

由此可见，采空区遗煤自燃与瓦斯爆炸发生的条件相互关联。在遗煤的氧化阶段，煤体会在氧化作用下产生CH4，CH4气体的析出又抑制煤的氧化作用，因为氧化作用消耗的氧气会在漏风带不断补充，因此遗煤不断氧化，CH4气体不断发生，热量不断聚集，从而加剧煤的氧化作用，当热量聚集到达一定程度后，煤体自燃，遗煤发生自燃后，瓦斯浓度因为低于5%或者高于16%，不会立即被点燃，只有瓦斯浓度介于5%-16%时，瓦斯才会爆炸，因此，自燃和爆炸相互影响，导致复合灾害的发生。

采用MATLAB软件对“U+高抽巷”型通风方式下不同层位的瓦斯和氧气浓度进行绘制，将两者的分布曲线等值线图叠合在一起，得到图1、图2所示的复合灾害区域划分图。

从图中可以看出，随着巷道水平方向的改变，复合灾害区域影响较小，灾害区域随着工作面推进的方向不断移动，当水平层位为20cm、25cm、40cm时，采空区复合灾害危险区域重新分布，且深度集中于40-70cm的位置范围，实际值相当于采空区深度为55-85m的位置。复合灾害发生最小的范围为（25cm，20cm），实际工程可以参考此数据。

2采空区流场数值模拟

本文采用FLUENT数值模拟软件对采空区流场进行数值模拟，共划分了1023256个网格单元结构（如图3）。

从图3中可以看出，模拟结果中的采空区瓦斯浓度从进风巷开始一直处于增长趋势，这与实际采空区瓦斯浓度一致，当采空区出现气体渗流通道时，瓦斯含量有所下降，在高抽巷的抽采作用下，瓦斯含量降低，距离高抽巷的瓦斯含量依旧呈现增加的趋势，在同一垂直面上，下部汇聚的瓦斯浓度要低于上部汇集的瓦斯浓度，一方面是因为漏入采空区的风量携带走一部分瓦斯，另一方面是因为瓦斯密度低于空气密度，不断的瓦斯聚集上浮于巷道上部，造成瓦斯含量升高。

从图4中可以看出，采空区内氧气从进风巷开始含量逐渐降低，这与实际情况也一致。当采空区孔隙中进入风量时，下部氧气含量增加，随着高抽巷的抽采，巷道底部瓦斯含量降低的同时，氧气相对含量就增加，当和高抽巷距离增大时，氧气浓度下降。同一垂直层面处上部氧气浓度要低于下部氧气浓度，一方面是因为采空区风量带走一部分氧气，此外，因为氧气密度大于空气密度，造成下部空间内氧气大量聚集，因此，下部氧气密度大于上部氧气密度。

将瓦斯分布云图和氧气分布云图进行叠加，得到图5所示的复合灾害危险区域图。

从图中可以看出，距离回风巷不同位置的水平层位，复合灾害危险区域危险变化较小，这主要是因为抽采作用的影响范围有限，一般为60m左右。煤自燃和瓦斯复合灾害危险区并不是一成不变的，随着工作面的推进，危险区域也在变化。本次模拟中的复合灾害危险区域贯穿整个采空区走向，回风侧一端复合灾害危险区距离工作面较近，进风侧复合灾害危险区随深度的增加而增大，观察不同层位的采空区复合灾害危险区，可以看出复合灾害危险区主要发生在采空区深度为55-85m的位置，而复合危险区域最小时高抽巷距离回风巷30m，垂直距离为27m，也就是说，（35，27）是最佳位置，这一位置的瓦斯和氧气含量较低，不构成煤自燃和瓦斯爆炸的条件。

3结论

大量遗煤存在于采空区，通风效果差导致采空区聚集瓦斯和氧气，当遗煤自燃与瓦斯爆炸共同发生时，发生复合灾害，采空区称为瓦斯与煤自燃复合灾害危险区域。

利用FLUENT数值模拟软件对采空区瓦斯浓度、空气浓度进行模拟，发现高抽巷垂直层位上，上部瓦斯含量高于下部瓦斯含量，下部氧气含量大于上部含量。

模拟得到了复合灾害区域图，距离工作面水平距离35m、垂直27m处为复合灾害危险最小的区域。

【参考文献】

[1]鹿存荣，杨胜强，郭晓宇，等.采空区渗流特性分析及其流场数值模拟预测[J].煤炭科学技术，2011，39（9）：55-59.

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[3]任伟，赵耀江，冯子芳，等.基于FLUENT的采空区流场数值模拟[J].煤矿安全，2013，44（6）：26-29.

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