采空区热环境对深部倾斜厚煤层自燃区域影响研究*

2021-10-12赵文彬石新岩张培伟李振武张延松刘方顺

中国安全生产科学技术 2021年9期

赵文彬，石新岩，张培伟，李振武，张延松，刘方顺

(1.山东科技大学安全与环境工程学院，山东青岛 266590;2.山东济宁运河煤矿有限责任公司，山东济宁 272000)

0 引言

随煤矿开采深度增加，受地应力、地温、热环境及采空区空隙率结构变化等因素影响，采空区自燃带范围及遗煤自燃规律发生变化。

学者针对采空区自燃区域划分展开研究：徐精彩等[1]通过测定采空区氧浓度分布状况，提出采空区遗煤自燃极限参数计算方法，构建自燃危险区域判定充分条件；李宗翔等[2]利用模拟软件分析漏风对采空区温度场影响，指出自燃“三带”呈非对称性分布；李树刚等[3]得出采空区上覆岩层空隙结构变化规律理论公式；司俊鸿等[4]建立采空区空隙率及渗透率三维分布模型，提出采空区空隙结构在立体空间服从线性规律；王少锋等[5]研究采空区及覆岩空隙率三维分布特点，提出考虑煤层倾角的空隙率变化公式。

学者一般采用数值模拟与现场实测结合的方法，研究采空区自燃区域划分影响因素：车强[6]利用CFD模拟得出遗煤自燃前后采空区气体组分三维渗流场、浓度场和温度场多场耦合变化规律；李宗翔等[7]采用煤样封闭耗氧实验得到煤样随时间变化耗氧速率，基于Fluent模拟软件研究晓南矿通风方式对采空区自燃发火的影响。

煤层自燃受多种因素影响，煤层深部受地温、压力、空隙结构及煤氧结合能力影响，采空区自燃带分布发生改变。本文结合鲁西南千米深井、厚煤层、倾斜工作面采空区特点，基于采空区空间空隙结构、温度场及耗氧速率变化规律，在理论分析基础上利用Fluent软件重点模拟不同通风方式下采空区热环境及耗氧速率对工作面流场及煤自燃区域分布的影响，并结合现场实测结果对模拟数据进行对比分析。

1 倾斜工作面采空区空隙率分布规律

角度及空隙结构影响采空区风流扩散，进而影响采空区自燃区域划分。

受地应力影响，采空区上部围岩垮落,破碎岩体散落到采空区形成冒落松散结构[8-10]。岩石间裂隙分布在整个采空区，采空区空隙结构变化如图1所示。随工作面推进，采空区上覆围岩形成裂隙带、弯曲变形带；冒落带自然垮落，在采空区形成c-自然堆积区、b-载荷影响区、a-压实区。沿工作面推进方向，采空区受垮落影响，工作面附近空隙结构较大；随采空区距离增加，采空区上覆岩层冒落压实，空隙结构变小，并在后部a区逐渐稳定。

图1 采空区空隙结构变化Fig.1 Change of void structure in goaf

据调研可知,采空区倾角空隙率可基本反映现场实际，结合采空区冒落带空隙率连续变化方程，得到采空区空隙率如式(1)所示：

(1)

式中：φG为采空区底部走向中轴线的空隙率；hd为直接顶高度，m；H为采高，m；kpb为岩体碎胀系数；l为基本顶岩块长度，m；x为采空区深部走向长度，m。

受回采工艺影响，倾斜煤层采空区上下巷端头空隙高于中间位置，采空区漏风“O”形圈结构愈发明显。由“O”形圈理论可知，进回风巷附近采空区空隙率大于中部，空隙结构如式(2)所示：

(2)

式中：φG,y为工作面倾向(y轴方向)上偏移坐标原点的空隙结构变化系数；Y为沿工作面走向与模型坐标原点偏移距离，m。

沿垂直方向，受重力场作用采空区空隙率随冒落高度增加而增大[11-13]。采空区破碎岩体重力作用示意如图2所示。由图2可知，当工作面存在倾角时，采空区内煤矸石受重力作用，底部压实上部松散，根据破碎岩体空隙率轴向应力变化规律及煤岩体自身重力[14]，得到空隙结构如式(3)所示：

图2 采空区破碎岩体重力作用示意Fig.2 Schematic diagram for gravity action of broken rock mass in goaf

(3)

式中：φγ为破碎岩体受轴向应力后的空隙率；β0为破碎岩体受轴向应力前的空隙率；βi为相关系数；γ为垮落岩石容重，N/m3；α为工作面倾角,(°)；Y为沿工作面走向与模型坐标原点偏移距离，m；ly为工作面长度，m。

模拟参数设置见表1。根据式(1)～(3)以及表1，利用Python软件选取距底板高度Z=1，5，7 m时，各区域立体空间采空区空隙率变化如图3所示。

表1 模拟参数Table 1 Simulation parameters

图3 立体空间采空区空隙率变化Fig.3 Change of porosity in three-dimensional goaf

由图3可知，空隙结构沿工作面及采深方向呈“凹”形分布，靠近工作面和进回风巷两侧空隙结构较大，中部及采空区深部空隙结构较小。受重力影响，随采空区高度Z增加，空隙结构变大；受工作面倾角影响，上巷空隙结构大于下巷。

2 采空区温度场对耗氧速率影响

基于阿伦尼乌斯定律，温度对氧气消耗速率影响如式(4)所示：

Vo2=ACnexp(-E/RT)

(4)

式中：A为指前因子，也称阿伦尼乌斯常数；E为活化能，kJ/mol；T为绝对温度，K；R为气体常数，kJ/(mol·K)；C为氧气体积分数,%；n为常数,取0.5～1。

气体在采空区流动时，氧气与遗煤发生化学反应，导致氧气浓度降低。煤样封闭耗氧实验得到不同氧浓度下煤的耗氧速率，如式(5)所示：

V=-λc(cτ-cb)

(5)

式中：cb为下限氧浓度，mol/m3；λc为氧气浓度衰减率；τ为氧化时间，s；cτ为空气氧化后的氧浓度，mol·m-3。

深部煤层因采空区暴露遗煤、围岩温度高，使煤氧结合能力增大，耗氧量增加。模拟过程中，基于式(4)～(5)，重点考虑采空区热环境条件下，煤耗氧速率对采空区自燃区域影响。

3 矿井及模型概况

兖州矿区某矿工作面位于31采区东北方向，煤层埋深1 050 m，原岩温度37 ℃，煤层厚度8.6 m。工作面采取U型通风方式，走向长度150 m,设计采高3.5 m，工作面风量1 200 m3/min。该矿井属于低瓦斯矿井，有自燃发火倾向性，属自燃煤层，自燃发火期52 d；工作面倾角较大，地温梯度3.2 ℃/100 m。

深部倾斜采空区模型如图4所示。其中，x轴方向为采空区走向、y轴方向为工作面走向、z轴与采空区底部垂直布局建立坐标系。模拟主要参数见表2。

表2 模拟参数设置Table 2 Setting of simulation parameters

图4 兖州矿区某矿工作面采空区模型Fig.4 Goaf model of working face in a certain mine of Yanzhou mining area

4 工作面风流温度对采空区热场分布影响分析

根据兖州矿区实测数据，工作面夏季进风巷风温18 ℃，回风巷风温29 ℃。结合表1～2设置模拟参数，利用Fluent软件用户自定义(UDF)功能编写空隙率变化方程。模拟不同通风方式下工作面风流温度对采空区热场影响范围，如图5～6所示。

对比图5与图6可知，倾斜工作面上巷采空区空隙结构较大，下巷空隙结构小，导致下行风进风侧冷风扩散范围大于上行风进风侧。

图5 下行风风温对采空区热场影响Fig.5 Influence of downward wind temperature on thermal field of goaf

图6 上行风风温对采空区热场影响Fig.6 Influence of upward wind temperature on thermal field of goaf

对比工作面中下部温度场变化可知，受采空区内部地温温差(根据煤层倾角和地温梯度计算，上下巷原岩温差2.5 ℃)引起的浮升力影响，下行风时，进风侧新鲜冷空气与采空区内部浮升气流相互影响，内部热风与工作面冷风交汇后导致采空区热风涌向工作面。由于浮升力较小，2者在工作面中下部产生压力平衡区，热风涌出造成工作面中下部温度升高；上行风风流方向与采空区浮升力方向一致，采空区热风涌向工作面现象不明显。

上行风回风侧由于采空区空间空隙结构较大，利于气体流动，导致回风侧温度升高；下行风回风侧空隙结构小，风流受采空区风流影响较小，风流温度较低。

5 采空区热环境对煤自燃区域影响模拟分析

基于设定采空区初始温度条件，结合前期热重实验结果，考虑煤低温氧化在该温度条件下耗氧速率，通过UDF编程模拟该温度条件对煤自燃区域影响。模拟中以O2体积分数的5%、15%作为自燃带范围划分依据。

5.1 采空区热环境对自燃带范围影响模拟

为观察多条件采空区热环境对O2浓度扩散影响，各取上下行风采空区O2浓度变化截面，得到不同条件下上行风、下行风自燃带范围模拟结果如图7～8所示。受地温梯度影响，由于工作面倾角为30°，上下巷高差为75 m，需将地温梯度变化方程编写进采空区温度计算区域，温差取2.5 ℃。

由图7可知，随采空区热场条件增加，上行风时采空区自燃带范围整体扩大，回风侧变化大于进风侧。对比图7(a)和图7(b)可知，由进风侧散热带明显突出、工作面中下部及回风侧氧化带后移5～10 m。

图7 不同条件下上行风自燃带模拟对比Fig.7 Simulation contrast of spontaneous combustion zone with upward wind under different conditions

由图8可知，随采空区热场条件叠加增加，采空区自燃带范围整体缩小，回风侧变化小于进风侧；对比图8(a)和图8(b)可知，进风侧氧化带范围继续缩小，“前凸”现象明显、靠近工作面散热带范围明显扩大。

图8 不同条件下下行风自燃带模拟对比Fig.8 Simulation contrast of spontaneous combustion zone with downward wind under different conditions

5.2 现象分析

由模拟结果可知，深部倾斜厚煤层受工作面冷风流、采空区内部围岩散热及浮升力等综合影响，导致温度场发生改变，进而影响各区域煤的氧化活性(耗氧量)，使采空区自燃区域范围发生改变。主要规律概括为以下2点：

1)受深部矿井倾斜采空区空隙结构影响，上巷空隙结构大，漏风多，使上行风进风侧自燃带变化范围小于回风侧，下行风进风侧自燃带变化范围大于回风侧。

2)受深部矿井采空区内部热源影响，采空区热向工作面涌出，高温影响耗氧速率的变化。

上行风时，浮升力与风流方向相同，有利于新鲜风流在采空区扩散，采空区自燃带范围扩大、工作面中部及下巷附近“前凸”现象明显。下行风时，浮升力与风流方向相反，抑制工作面风流流向采空区，使采空区内部流场紊乱，导致采空区自燃带范围缩小。

5.3 浮升力对采空区立体自燃带影响研究

为观察该区域氧气浓度变化，沿采空区深部走向，在距进回风巷道5 m处各取1个截面，得到不同通风条件下进回风侧O2体积分数变化，如图9所示。沿截面各取3条监测直线，得到不同通风条件下氧气浓度变化如图10～11所示。

图9 不同通风方式下进回风侧O2体积分数变化Fig.9 Change of O2 volume fraction in inlet and outlet sides under different ventilation modes

图10 上行风进回风巷道采空区O2体积分数变化折线Fig.10 Variation broken line of O2 volume fraction in goaf at inlet and return air duct with upward wind

由图9(a)监测面1、2可知，进风下巷周围O2浓度较低，采空区自燃带靠近工作面且范围较小；回风侧自燃带范围后移且区域增大；工作面附近O2浓度较大。O2浓度变化边界线呈“椭圆状”，采空区O2浓度分布呈中间低，顶部及底部O2浓度高的趋势；远离工作面方向，O2浓度较低，且剖面变化弧度方向相反。

由图9(b)监测面1、2可知，进风上巷O2分布范围大于回风侧，回风下巷O2分布范围前移；进风侧前部O2浓度值小于回风侧前部。下行风进风侧空隙结构大，氧气扩散范围大；受耗氧速率影响，氧气浓度值较低。回风侧空隙结构小，氧气扩散范围小；受内部浮升力作用，回风侧氧气浓度值升高。

由图10可知，受工作面风流影响，进风侧在18 m处进入氧化带，回风侧在23 m处进入氧化带；回风侧空隙结构较大，O2消耗速率较快，自燃带处于35～55 m范围；进风侧空隙结构较小，气体不易流动，O2消耗速率缓慢，自燃带处于25～80 m。

由图11可知，进回风侧均在18 m处进入氧化带；进风侧空隙结构较大，自燃带处于18～45 m；由于回风侧空隙结构较小，且受浮升力作用，自燃带范围缩小为18～40 m。

图11 下行风进回风巷道采空区O2体积分数变化折线Fig.11 Variation broken line of O2 volume fraction in goaf at inlet and return air duct with downward wind

由图10～11可知，当处于采空区同一位置时，中部监测直线O2体积分数变化值大于其他监测直线，表明受温度影响下采空区浮升力及耗氧速率影响，采空区湿热气流升腾作用使自燃带范围在垂直方向产生差异。

6 现场实测对比

兖州矿区某矿工作面采用上行通风方式已推进一段距离。为了解工作面正常推进过程中自燃发火区域基本状况，分别在工作面进回风巷道布置A，B2个测点，如图12所示。由于安设在工作面轨道巷测点无法正常保护，主要观测回风巷道指标参数。束管监测系统观测时间从2019年7月24日至2019年9月17日，时间为56 d。获取井下同一时期内日推进距离及采空区内不同监测日期O2浓度值，如图13所示。