不同抽采条件对采空区煤自燃“三带”的影响研究

文 虎，王 文，程小蛟，贾勇锋，程邦楷，程 明，胡 伟

(1.西安科技大学 安全科学与工程学院，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.淮南矿业(集团)有限责任公司，安徽 淮南 232001； 4.安徽省水利水电勘测设计院，安徽 合肥 230022)

矿井瓦斯灾害、煤自燃灾害均是煤矿主要灾害，其中，瓦斯常被称为矿井生产的“第一杀手”[1-3]。瓦斯抽采易增加采空区漏风进而引起浮煤自燃，煤自燃又给瓦斯爆炸提供火源，两者耦合致灾给矿井安全生产和井下人员生命安全造成严重威胁[4-5]。同时，瓦斯又是一种清洁、可利用的非常规资源。瓦斯预抽作为矿井瓦斯治理与综合利用的主要手段，对于实现煤与瓦斯安全高效共采、解决我国能源中长期发展需求问题均具有重大意义[6]。因此，针对瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾规律研究显得尤为重要。

针对在瓦斯抽采条件下的采空区浮煤自燃机理，国内学者已经做了大量研究工作。周福宝[7]通过研究瓦斯与煤自燃共存的内在关联性及致灾机理，提出瓦斯与煤自燃耦合致灾的主要机理是煤层中的裂隙场、瓦斯浓度场、氧气浓度场和温度场等“四场”的时空交汇；邓军[8]、张辛亥[9]等研究发现，瓦斯抽采条件下的采空区氧化带的范围随着抽采管道口向采空区深入而使氧化带向回风侧增大；陈明河[10]通过数值模拟对采空区内部的漏风流场、煤自燃危险区域进行研究及划分，提出瓦斯抽采虽能降低采空区瓦斯浓度及减少瓦斯涌出量，但增大了漏风流场向采空区深部的扩散范围，尤其使煤自燃危险区域的划分更具复杂性。上述研究为瓦斯抽采及煤自燃共存致灾机理提供了大量的理论基础，但针对不同抽采方式、抽采条件下的采空区煤自燃“三带”分布规律及其分布特征的研究较少。鉴于此，笔者以建北矿4204工作面为工程背景，通过FLUENT数值模拟采空区流场分布、现场观测采空区煤自燃“三带”分布情况，并对研究结果进行理论分析，对比不抽采条件下的采空区煤自燃“三带”的分布特征，讨论其对采空区煤自燃危险性的影响，最后提出针对性的防灭火措施，以期为制订不同瓦斯抽采条件下的采空区煤自燃防治技术方案提供科学依据。

1 瓦斯抽采漏风机理

采空区“三带”即为采空区散热带、氧化带、窒息带[11]。在抽采负压条件下管道内的静压比附近煤层的静压要小，从而在抽采管道与煤层之间形成压力梯度，促使游离态瓦斯更容易被抽出。但在抽采负压条件下，由于抽采使得煤层相对于外界处于负压状态，煤层与外界会再次形成压差，外部空气便会在大气压力梯度的作用下通过管道由局部煤体裂隙进入煤层，这些空气一部分会被再次抽出，另一部分会进入采空区形成漏风源。埋管抽采采空区局部漏风机理如图1所示。

图1 埋管抽采采空区漏风机理示意图

2 采空区氧浓度场数值模拟

2.1 工作面概况

建北矿4204工作面位于陕西省延安市，所采煤层属于黄陇煤田。矿井东西长约10.5 km，南北宽约6.4 km，井田面积约41.9 km2。4204工作面北界为4206工作面，南界为4208工作面，东界为42盘区边界，西界为42盘区辅运大巷保护煤柱。随着煤层及瓦斯赋存条件变化，4204工作面煤层瓦斯涌出量逐渐进入“相对瓦斯涌出量0.6 m3/t、最大相对瓦斯涌出量1.42 m3/t”区域，为确保该阶段工作面正常回采，需要对该工作面采空区进行瓦斯抽采。工作面具体参数见表1。

表1 建北矿4204工作面参数

2.2 采空区扩散数学模型

煤是一种天然的多孔介质[12]。影响采空区瓦斯浓度与煤自燃的因素较多，为了简化问题，找出主要研究的矛盾，可对采空区的渗流模型作出以下基本假设：①采空区的气体为不可压缩的理想气体，且其在采空区内的流动均符合渗流规律；②采空区堆积的煤体为非均匀多孔介质；③采空区的渗透率和孔隙率为空间函数，而不是时间函数；④采空区的耗氧速率与氧浓度(体积分数，下同)成正比；⑤由于采空区不同区域存在的气体浓度不均匀而导致了气体扩散，扩散过程符合Fick定律。

基于以上假设，在采空区流场数值模拟中，流场遵循质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程，以及组分运送方程。

1)质量守恒方程

气体在采空区的流动符合质量守恒定律，其稳态渗流质量守恒方程如下：

(1)

式中：φ为多孔介质的孔隙率，%；ρ为气体的密度，kg/m3；t为时间，s；u、v、w分别为x、y、z方向的速度，m/s；q为气体源(汇)的强度，s-1。

2)动量守恒方程

采空区流体流动遵守动量守恒定律：

(2)

式中：T为流体温度，K；v为速度矢量，m/s；p为气体静压力，Pa；τ为黏性应力张量；g为重力加速度，m/s2;S为动量源项。

采空区作为多孔介质体，其内充满煤和垮落的岩石，这些都是阻碍气体流动的重要因素，所以在动量方程中增加消耗源项，动量源项可表示为：

(3)

式中：μ为采空区气体的动力黏度，kg/(m·s)；KP为多孔介质渗透率，μm2；C2为惯性阻力因子。

式(3)中右侧第一项为在流体介质中产生的流体阻力，称为黏性损失项；右侧第二项为流体的形状效应产生的阻力，称为惯性损失项。联立式(2)和式(3)，可得气体在多孔介质中的动量守恒方程为：

(4)

3)能量守恒方程

采空区煤自燃过程也遵守能量守恒定律，因此能量守恒方程可表示如下：

(5)

式中：cp为比定压热容，J/(kg·K)；k为热传导系数，W/(m·K)；ST为黏性扩散项。

4)组分运送方程

采空区的混合气体包含氧气、氮气、一氧化碳、二氧化碳、瓦斯气体等，这些气体之间存在着质的交换。目前，标准的k-ε模型被广泛应用，其中的k方程可表示为：

(6)

标准的k-ε模型中的湍流耗散率ε方程可表示为：

(7)

式中：σk、σε分别为k、ε的对应Prandtl数值；Gk为平均速度引起的湍动能的k项；Gb为浮力引起湍流动能的产生项；Ym为可压湍流中脉动扩张的贡献；C1ε、C2ε为经验常数；C3ε为由浮力影响的常数；Sk、Sε为源项。

2.3 采空区数值模拟参数设定

2.3.1 物理模型

根据建北矿4204工作面参数建立物理模型，模型主体划分：工作面尺寸为200.0 m×5.0 m×3.5 m，采空区尺寸为200 m×150 m×50 m，进回风巷尺寸为5.2 m×15.0 m×3.5 m，中部煤层厚1.5 m，工作面两巷煤厚为6 m。x轴为工作面方向，z轴为底板向上的方向，y轴为采空区方向，物理模型图见图2。

图2 建北矿4204工作面物理模型图

2.3.2 边界条件

边界条件的设置是数值模拟求解的关键，只有设定合理的且与实际情况相似的条件，才能计算出精确的流场分布解。因此，本次模拟为了能够达到预期结果，设置的边界条件如表2所示。

表2 模拟过程中涉及到的参数设置

2.4 数值模拟

为研究不同抽采条件下采空区氧浓度场的分布规律，本次模拟分别设定埋管抽采、无抽采及抽采负压分别为20、30 kPa 4种模拟条件。

1)埋管抽采条件下采空区自燃“三带”模拟。根据建北矿4204工作面实际情况,建立高位钻孔与上隅角埋管抽采的物理模型，设定风速为1.2 m/s、钻场抽采负压为30 kPa、上隅角抽采负压为10 kPa。取y=0.5 m平面，模拟结果如图3所示。

(a)氧气体积分数分布云图

2)无抽采条件下采空区自燃“三带”模拟。根据建北矿4204工作面实际情况，建立无抽采条件下的物理模型，其初始条件、边界条件与有抽采条件下相同。设定风速为1.2 m/s，取y=0.5 m平面，模拟结果如图4 所示。

(a)氧气体积分数分布云图

3)抽采负压条件下采空区自燃“三带”模拟。根据建北矿4204工作面的钻孔实际布置参数，模拟钻孔在抽采负压20 kPa与30 kPa条件下采空区氧气流场的变化情况。取y=0.5 m平面，模拟结果如图5和图6所示。

(a)氧气体积分数分布云图

(a)氧气体积分数分布云图

2.5 模拟结果分析

选用氧浓度法[13](散热带：氧气体积分数φ(O2)≥18%；氧化带：8%≤φ(O2)<18%；窒息带：φ(O2)<8%)对采空区危险区域进行划分。将模拟结果用ANSYS Workbench 处理器CFD-post导出，模拟结果见表3。

表3 采空区自燃“三带”模拟结果

由表3可知，在不同钻孔抽采条件下采空区的自燃“三带”分布规律：

1)随着抽采负压增大，采空区进风侧、回风侧的氧化带宽度均呈增加趋势；进风侧散热带和氧化带的分界线由26 m逐渐增加到34 m，回风侧散热带和氧化带的分界线由24 m逐渐减小到20 m。

2)比较抽采负压为20 kPa与30 kPa两种条件下的模拟结果，回风侧氧化带分界线从27 m移至26 m，进风侧氧化带的宽度也随之从40 m增大到45 m。

3)随着抽采负压增大，进风侧散热带和氧化带的边界延伸到采空区内部，氧化带与窒息带的分界线延伸到深部，氧化带的宽度增大；回风侧散热带和氧化带的分界线向采空区前方移动，氧化带与窒息带之间的分界线前移，氧化带的宽度变小。

3 现场观测

3.1 采空区氧浓度观测

1)测点布置。在观测初期，于进风巷与回风巷分别布置3个测点(1#～3#，4#～6#)，在测点位置设置取样束管，两两间隔50 m，并在束管外部安装PVC保护套管与防尘网罩，如图7所示。随着工作面的推进，各测点依次进入采空区，每天定时采集采空区气样，并利用色谱仪进行气体成分分析，得出采空区内气体浓度的分布规律。

图7 采空区测点布置示意图

2)采空区氧浓度分布情况。采集进回风巷道两侧的气体，分析氧气体积分数随工作面推进距离的变化情况，绘制其变化曲线，如图8所示。

图8 进回风侧氧气体积分数变化曲线

由图8可以看出，进回风两侧的氧气体积分数随着工作面的不断推进将逐渐降低。进风侧氧气体积分数在距离工作面80 m处下降到8%，其中，在60 m后氧气体积分数下降得较快，当距离工作面85 m时氧气体积分数下降到7%左右。在回风侧距离工作面19 m处，氧气体积分数低于18%，之后随着工作面不断推进氧气体积分数也迅速下降。将进风侧、回风侧“三带”观测数据与模拟结果进行对比，结果显示现场数据与抽采负压条件下模拟结果相近，对比数据见表4。

表4 4204工作面采空区在抽采条件下自燃“三带”范围对比

3.2 工作面安全推进速度

工作面安全推进速度表达式[14]如下:

(8)

式中：vmin为工作面最小安全推进速度；k为安全系数，取1.2；Lmax为最大氧化带宽度；τmin为煤层最短自然发火期。

由3.1节分析结果可知，建北矿4204工作面进风侧是氧化带最宽的区域，宽度50 m，即Lmax=50 m；根据工作面实际情况，最短自然发火期为35 d。计算得到实际工作面安全推进速度为1.2 m/d。

综上可知：建北矿4204工作面推进速度若超过1.2 m/d时，则可使氧化带的浮煤在自然发火前就进入窒息带范围，从而能避免浮煤自燃灾害的发生；若平均推进速度小于1.2 m/d的同时，停采时间超过35 d，那么采空区遗煤将存在自燃危险。

4 采空区煤自燃防灭火技术

针对瓦斯抽采导致的采空区自燃“三带”迁移与进回风巷“两巷”后方的煤自燃防控重点区域，提出以下防灭火措施。

4.1 减少遗煤

采空区煤自燃必然存在遗煤，提高回采率可减小采空区的浮煤厚度，从而降低遗煤自燃的概率。根据煤自然发火实验[15]可知，当自燃煤层浮煤厚度小于0.7 m时采空区就不会发生自燃现象。针对上下端头不能采出的遗煤，可向其喷洒水或黄泥浆等，以阻隔煤与氧气的接触。

4.2 堵漏防火

通过分析建北矿4204工作面的布置可知，工作面上隅角为漏风汇，下隅角为漏风源。因此，必须要在上下隅角两端头处堆砌沙袋墙，沙袋墙必须与巷道的顶部重合。在工作面正常回采时，每当支架向前移动一排，就必须堆砌沙袋墙且厚度大于0.5 m。在堆砌的沙袋墙之间喷洒黄泥浆，以减少工作面向采空区的漏风。堆砌沙袋墙增加了采空区的通风阻力，从而减少了漏风，也防止了上隅角的瓦斯向工作面涌出。

4.3 “两巷”注氮注浆

4.3.1 进风侧注氮技术

采空区遗煤自燃的前提是需要氧气达到一定浓度，在进风侧注入氮气可以稀释采空区的氧浓度，从而达到控制煤自燃目的。其次，根据混合气体爆炸理论，当氧气体积分数小于12%时，爆炸的可能性减小；当氧气体积分数低于5%时，几乎可以预防所有的爆炸发生[16]。将氮气注入采空区可使氧气体积分数降低到10%以下，大大降低瓦斯爆炸的可能性。

注氮可分为连续注氮、间歇注氮。建北矿4204工作面注氮属间歇性注氮，是否开启注氮要根据采空区遗煤的氧化程度而定。分析建北矿每班采集到的工作面煤自燃预测指标气体，当CO体积分数达到2.4×10-5时开启注氮系统。氮气释放口应设在采空区的氧化带，使氧化带自始至终处在被压入氮气包围和惰化环境中，这样注入的氮气不仅用量少且能够达到最佳防灭火效果。进风侧注氮管路与注胶管路铺设情况如图9所示。

图9 注氮与注浆管路铺设示意图

4.3.2 回风侧注浆及注胶技术

采空区注氮可以有效地控制进风侧煤的自燃，但难以控制采空区回风侧煤的自燃，因此，可以在回风侧采空区埋设注胶管道，通过注胶防止回风侧煤自燃。胶中的黄泥具有较好的沾浮性，可较好地将煤体包裹并且能够吸热，也阻止了煤体与氧气接触发生氧化反应，同时水可以降低煤的温度，具有良好的防火效果。

在正常回采过程中，在回风侧注胶时可根据回风侧束管监测系统中的指标性气体浓度来确定何时注浆，当回风侧的CO体积分数超过2.4×10-5时，必须在回风侧注浆。在回风巷埋管注胶时，其埋管注胶口的位置应处于氧化带内。根据现场划分结果可知，回风侧19～50 m处于氧化带内，因此埋管注浆位置应设在采空区19～50 m区域内，当在进风侧观测到有黄泥浆、胶体流出时，则说明注入的胶已经进入到了煤体的裂隙中，可以停止注浆、注胶。回风侧注氮与注胶的管路铺设情况见图9。

5 结论

1)基于建北矿4204工作面采空区渗流模型，设定埋管抽采、无抽采及抽采负压为20、30 kPa 4种模拟条件进行数值模拟，结果表明：随着抽采负压增大，采空区进风侧与回风侧氧化带宽度均呈增加趋势；进风侧散热带和氧化带的分界线由26 m逐渐增加到34 m，回风侧散热带和氧化带的分界线由24 m逐渐减小到20 m。

2)利用现场实际观测的氧浓度数据对采空区自燃“三带”分布区域进行划分，观测结果显示与数值模拟在抽采过程中的自燃“三带”分布情况基本吻合，验证了数值模拟的准确性。

3)基于数值模拟与现场观测得到4204工作面采空区自燃“三带”分布与“两巷”后方重点防控区域，并提出减少采空区煤自燃物质、上下隅角封堵、进风侧埋管注氮、回风侧埋管注浆与注胶等防治技术措施。

4)对瓦斯抽采导致的漏风机理、氧浓度场数值模拟，以及现场预埋束管观测采空区自燃“三带”迁移规律进行了研究，并根据研究结果提出针对性的防灭火技术措施，可为瓦斯抽采与煤自燃耦合致灾规律研究提供借鉴。