特厚煤层自燃关键参数现场观测及动态数值模拟研究

邢 震

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司，江苏 常州 213015；2.天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

采空区自然发火是煤矿的常见灾害，由于其致灾范围广、灾害后果严重、持续时间长、施救成本高、难以处理等特点长期困扰着煤矿技术人员，特别是特厚煤层放顶煤开采更是容易发生自然发火灾害，因此有必要深入研究其规律，为防灭火做出理论依据。矿井生产过程中，采空区内部无法采取有效的监测手段，采用实验室试验的方法又会受限于试验模型及设备，难以进行有效的试验，而计算机数值模拟由于具有低成本、高效率、可模拟任何工况的优点，可有效的应用于煤矿防灭火研究领域，协助研究人员充分的掌握煤自然发火规律，研究自燃关键参数变化情况，为自然发火预测及防治提供重要保障[1-3]。

1 现场概况

试验工作面沿走向长度约为1850m，沿倾向长度约为210m，煤层最大厚度达23m，平均厚度为19.2m，近水平分布，自然发火期约27d，极易自然发火，采用综采放顶煤开采方式，全部垮落法管理顶板，采用“U”型通风方式，配风量1280m3/min。试验工作面煤层属于特厚煤层分层开采，自然发火期较短，反复揭煤的待采区域的遗煤频繁接触O2，热量容易积聚，成为煤自煤的危险区域。自煤矿开始投产起，反复出现自然发火及征兆，严重威胁矿井的安全生产，影响矿井开采进度。据矿方统计数据，采空区自然发火是导致矿井停产的主要事故，约占90%。采空区煤自燃的监测及治理成为该矿以及大部分自然发火矿井的重点工作。

2 综放采空区现场观测及分析

2.1 测点布置

通过在采空区内布置束管监测测点的方法研究采空区内气体分布规律，工作面掘进至约1000m的位置沿工作面方向在后中部槽后方布置束管气体监测测点，两列束管测点相距约60m，沿工作面方向的每列气体监测区域中相邻两传感器的间隔为30m。埋设的束管需要用钢管防护。气体监测测点布置如图1所示，从1#到8#束管每两个点之间的距离大约是30m。其中分布在上隅角为7#点，1#以及9#这两个点的进气端点相同。为防止采空区内粉尘堵塞束管导致无法正常抽气从而影响监测结果，设计了束管测点布置专用的支架，将测点高度沿底板抬高至1.15～1.35m左右，1#、9#和10#这三点的束管进气口与底板之间不应小于1.35m。

图1 气体监测测点布置图

2.2 采空区气体浓度分布规律

现场累计观测时间为2个月，观测过程中，气体束管测点保持不动，而工作面的推进速度远大于最小推进速度，因此可以该观测过程可以视为同时刻不同位置的气体浓度分布情况。通过Sufer绘图工具反映出采空区O2浓度分布等值线如图2所示。

图2 O2浓度分布规律

由图2可以看出随着测点与工作面距离加大，采空区内O2浓度不断变小。由于进风巷道顶板未垮落，形成了工作面漏风通道，整个观测过程中进风隅角一侧的O2浓度未出现明显的波动。

3 计算模型及边界条件

采空区内松散煤体整体自下而上承现空隙密度由大而小的趋势，但同一水平面分布却不规律，并且内部漏风通道非常复杂，矿井漏风的源与汇不容易确定，所以，只分析漏风强度的平均值，也就是通过单位面积松散煤体的漏风量。通常情况下风流在采空区内部的密度假定保持固定值，在常温常压状态下松散煤体对空气的吸附状态达到平衡，因此有：

松散煤体的空隙通道非常不规律，气体在其中的流动状态异常复杂。蒋曙光分析了采空区冒落带煤岩碎胀系数并分析了内部气体运移规律，理论计算了不同区域的气体流动状态。冒落带内松散煤体上部受压较小，经过计算内部气体承紊流状态分布；松散煤体底部由于受上部煤体压实，经过计算内部气体承层流状态分布；而居于压实层与无压层之间的中间层，内部气体承过渡流与紊流状态分布。虽然在采空区松散煤体不同位置气体的渗流状态不同，但是由于其速率降低很快，其气体的渗流状态依然以层流状态为主。其运量方程服从Darcy定律，用下式表示：

由式(1)、式(2)得：

松散煤体内气体运移过程要考虑扩散渗流传质。由于渗流通常在空隙大的情况下发生，而此时速度不大，一般处于层流状态。根据相关理论，多孔介质内气体的质量平衡方程表示为：

上述式中，D表示为O2在多孔介质中的扩散系数，D=2.88×10-5m2/s；V(T)表示煤体的耗氧速率，其中可以通过实验测得煤样在空气中的耗氧速率，表示为：

根据综放面实际情况，工作面两个巷道两侧各10m范围内存在较严重的漏风，有煤层自燃危险。煤层顶板以上16m以内仍然存在裂隙，可以认为是渗流区域。

根据矿井实测参数情况，数值模拟时通过Gambit建立几何模型，设置风流温度为26℃，巷道围岩温度设置为27℃，进风巷道口设置为速度入口(velocity-inlet)，回风巷道口设置为自由出流(outflow)，其他边界设置为壁面(wall)，计算区域如图3所示。数值模拟可以通过任意设置不同工况交叉试验，成本最低，且只要边界条件设置得当，模拟结果可趋近于现场情况。网络划分直接影响计算结果，如何合理、高效的划分网格并进行科学验证，是数值模拟成功的关键一步。采用Cooper网格化算法来自动生成非结构化的六面体网格，由于计算区域大，如果都采用精细划分，则计算时间显然过长，因此对需要精细计算的区域进行网格加密，在工作面区域网格步长设置为0.2m，而对其他区域网格步长设置为1m[6-8]。

图3 计算区域

将上述设置好边界条件并进行网格划分的模型导入至FLUENT模拟器进行计算。设置求解参数及模型，计算过程从进风侧开始，迭代误差与次数的关系如图4所示，由图4可以得到迭代约40次之后，计算所得的速度和O2浓度残差均小于10-4，在以后的迭代过程中，残差基本趋于稳定，在可接受范围内，后续计算结果可信[9-11]。

图4 迭代过程的残差变化

根据测算得知工作面的上端和下端之间的压差是21Pa，正式开采时工作面每分钟所需要的空气的流通量是615m3，采空区内各个区域的O2浓能够通过在其内部配置束管检测点来获得。

4 数值模拟结果分析

将上面的数值模型结果离散处理，定解的过程可用差分方法。工作面不断推动的过程可利用坐标轴移动法，坐标轴移动与工作面移动的速度应该相匹配。进行模拟时设定的初始温度为27℃，随着工作面的移动迭代40次时温度呈现出收敛状态[12，13]。

4.1 采空区O2浓度场及渗流场模拟结果

经过模拟和计算后，得到浓度场和渗流场的结果如图5所示。

图5 距离煤层底板0.4m高处O2浓度

由图5能够得出，与进风侧比，采空区回风侧的O2浓度呈现下降的趋势。可以看出在进风侧距离工作面的区域O2浓度接近20%，随着与工作面距离的增大，也就是随着深入采空区内部的距离变大，O2浓度逐渐变小，并且O2浓度递减幅度逐渐减缓，其中距离工作面115m的位置O2浓度达到4%，处于窒息带范围，而同样在回风侧，O2浓度同样展现出类似规律，也就是随着距离工作面的距离的增大，O2浓度处于递减的趋势，与进风侧所不同的是，回风侧O2浓度递减幅度相对较大且均匀。采空区两道的漏风程度相对高，中部的漏风程度低一些。与工作面相距25m的地方，两道处的渗流的速度值为0.0024m/s；与工作面相距36m的地方渗流的速度值为0.0023m/s。

4.2 采空区温度场发展规律

采空区温度场数值模拟结果如图6所示，由图6可以看出工作面推进过程中采空区内温度变化规律。当工作面的推进速度不是特别快时，高温火源点首先出现在采空区的进风侧区域，但是整体来讲回风侧温度要高于进风侧的温度。不同回采速度下最高温变化情况如图7所示，当回采速度为每天0.5m时约30d后，或当回采速度为每天2m时约3个月后，采空区内出现高温点约180℃，可以判断为明显的自然发火现象；回采速度为每天3m时，100d后采空区温度升高到约80℃并维持稳定，回采速度小于每天3m时，高温点朝工作面方向移动，并且温度有升高的趋势。因此为避免采空区内出现高温点发生自然发火灾害，务必保证回采速度要高于每天3m。该数值模拟的结果与多年现场观测的结果是一致的[14，15]。

图6 采空区温度场数值模拟结果

图7 不同回采速度下最高温变化情况

5 结 语

通过现场观测分析了试验工作面采空区内O2浓度分布规律，根据模型的计算数据找出在各种采情况下，随着时间的推进采空区的气体浓度分布规律、温度分布规律以及速度分布规律，以及工作面的回采速度必须大于每天3m才能保障工作面不会发生煤层的自燃现象。综上所述，采用动态数值模型的方法对于研究特厚煤层采空区的自燃规律效果显著。