火成岩侵入易自燃煤层超长俯采工作面采空区自燃“三带”分布范围研究

柳东明

(1.中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122；2.煤矿安全技术国家重点实验室，辽宁 抚顺 113122)

为了减少巷道开拓量，节约成本、缓解采掘接续紧张的问题，越来越多的煤矿开始采用超长开切眼布置的方式进行采煤[1-2]。在易自燃煤层超长俯采工作面开采过程中，受布置方式与煤层产状等客观因素制约，其推进度较普通规模工作面有所降低，煤自燃灾害问题会严重威胁工作面的安全生产[3]。为使防灭火工作具有针对性，彻底杜绝采空区自然发火事故，对采空区自燃“三带”进行研究极为重要[4]。

国内外相关学者对工作面采空区自燃“三带”开展了大量的研究工作。其中，李鑫等[5]采用束管监测系统对突出煤层瓦斯抽采影响下采空区自燃“三带”进行了现场实测，发现受瓦斯抽采影响，氧化带宽度远远超出普通工作面采空区氧化带宽度，自然发火威胁大大增高；柳东明[6]对浅埋藏特厚自燃煤层综放工作面采空区自燃立体“三带”进行了研究，得出综放工作面不仅存在传统水平方向的自燃“三带”，也存在垂直方向上的自燃“三带”，并对采空区自燃立体“三带”分布范围进行了现场观测；王帅[7]针对连续开区注氮对采空区自燃“三带”分布特征的影响进行了深入研究，通过现场实测得出注氮量与氧化带宽度呈负相关关系，且注氮量不影响散热带范围。目前，大多数学者通常采用在进、回风巷道预埋束管取气化验的方式对传统规模采空区(开切眼长度小于250 m)自燃“三带”进行现场实测，此种方法只能测得进、回风巷道侧采空区气体体积分数变化情况，无法真实掌握进、回风巷道间采空区流场分布特征，通常是依靠经验粗略描绘进、回风巷道间采空区自燃“三带”分布范围，测定结果往往与现场实际情况存在较大偏差。

大兴煤矿北一202工作面采用超长开切眼布置开采易自燃煤层，受火成岩侵入影响煤层倾角加大，且工作面全程俯采，顶板存在复合煤岩层，采空区遗煤量较大，导致其自然发火威胁大幅提高。笔者通过研究易自燃煤层超长俯采工作面采空区自燃“三带”范围和流场分布规律，旨在为制订科学合理的工作面防灭火技术方案提供理论依据。

1 工作面概况

大兴煤矿北一202工作面位于北一采区中部南翼，可采走向长621 m，倾斜宽361.5 m，为大兴煤矿首个超长开切眼布置工作面，采用单一走向长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法。工作面所采2-3煤层厚度在1.00～2.75 m，平均厚度为1.88 m，倾角为7°～26°，平均11°，全程为大俯采状态，其中回风巷平均俯采角度为7°，进风巷平均俯采角度为14°。2-3煤层直接顶岩性以泥岩、薄煤层和粉砂岩为主，平均厚度为4.16 m。煤层为Ⅰ类易自燃煤层，最短自然发火期为40 d。工作面回采期间的配风量为800 m3/min，通风方式为“U”型通风。工作面平面布置如图1所示。

图1 北一202工作面巷道布置平面图

2 超长俯采工作面采空区自燃“三带”多点位观测

2.1 采空区多点位气体监测点布置

超长开切眼布置工作面由于采场范围广、采空区空间大，造成工作面漏风情况、采空区气体运移规律均与常规工作面不尽相同。因此，对于北一202超长俯采工作面采空区自燃“三带”范围的测定不能单纯在进、回风巷道采空区各布置1个测点，而是应该在工作面中部采空区适当地点增加气体监测点，采取多点位观测的方法，以保证“三带”观测的准确性。

在工作面下隅角及下隅角向工作面70 m处分别预埋1#、2#两个束管测点，束管由进风巷引出，利用两测点对进风巷侧采空区及工作面中部采空区的O2体积分数进行监测；在上隅角及上隅角向工作面70 m处分别预埋3#、4#两个束管测点，束管由回风巷引出，利用两测点对回风巷侧采空区及工作面中部采空区的O2体积分数进行监测。

1#和3#测点束管外套内径15 mm钢管加以保护，束管末端应距离地面一定的高度，倾斜倚靠巷帮(内径15 mm钢管与硬帮用铁丝加以固定)，避免高处坠落岩石砸坏套管；2#和4#束管测点由于管路沿着工作面布置，为防止影响采煤设备的正常运行，应在预埋管路前，分别在上、下隅角向工作面方向沿底板挖出2条70 m×10 cm×10 cm的管路槽，然后将2#和4#束管外套内径50 mm无缝钢管埋入槽内，在束管末端最后一节钢管上提前加工好适量的花眼，便于取气。2#、4#束管测点工作面铺设示意图如图2所示。

图2 2#、4#束管测点工作面铺设示意图

2.2 采空区气体观测结果分析

随着工作面推进，将4个测点埋入采空区，随即每天对其进行取样化验观测。1#、2#、3#及4#束管测点O2和CO体积分数随测点埋入深度的变化趋势如图3所示。

(a)1#束管测点

分析图3,以O2体积分数φ(O2)作为划分采空区自燃“三带”依据，具体为：当φ(O2)≥18%时，为“散热带”；当7%≤φ(O2)<18%时，为“氧化带”；当φ(O2)<7%时，为“窒息带”[8-10]。按照此标准，对北一202采空区自燃“三带”进行划分，结果如图4所示。

图4 超长工作面采空区自燃“三带”分布示意图

3 超长俯采工作面采空区自燃“三带”分布规律数值模拟研究

利用前述的采空区多点位气体观测方法，可监测超长工作面进、回风巷道侧采空区及上、下隅角向工作面70 m架后采空区气体变化规律，但若要完全掌握采空区流场、自燃“三带”分布规律，仅通过预埋束管显然是无法实现的，这就需要采用数值模拟的方法开展进一步的研究[11-13]。

3.1 模型建立

将采空区内部看作多孔介质，气体假设为理想气体，其在采空区内的流动遵守质量、动量及能量守恒定律[14-15]。以北一202超长俯采工作面为基本模型，对采空区的尺寸、采煤方式等基础情况进行适当的简化，应用Fluent模拟软件中的Geometry功能建立采空区几何模型[16-17]，模型参数见表1。

表1 数值模拟模型参数

对建立的北一202采空区三维模型进行网格划分，共得到214 480个网格(如图5所示)，网格质量为0.97，证明建立的网格质量较好。

图5 北一202采空区自燃“三带”模拟几何示意图

本次模拟采用速度入口边界，工作面进风量为800 m3/min，通风断面积为16 m2，故将进风口风速设为0.83 m/s，回风口设为自由流出；将进风口处O2的质量组分设为23%，其他气体设为0[18-19]；将下隅角与底板相交的位置作为原点，工作面推进方向的反方向作为x轴正方向，工作面风流由原点流向y轴正方向，重力的反方向为z轴正方向[20]。

3.2 采空区流场分布模拟研究

为了进一步了解超长俯采工作面采空区自燃“三带”的成因，分析了北一202采空区内气体流场的分布，绘制得到回采期间采空区风速流场分布图，如图6所示。

图6 回采期间采空区风速流场分布图

从图6可以发现，在初采期间，风流进入采空区后，进风巷与回风巷流场呈现拱形结构，在下隅角处，由于巷道外形尺寸结构的突变，产生了涡流，并在向回风侧的传递过程中能量逐渐减弱，直至与回风流汇合。随着工作面的不断推进，采空区顶板煤岩体逐渐垮落并压实，采空区漏风流逐渐变小，且逐步呈现无规律分布状态。在采空区的深部区域，气体流速明显小于工作面处，且差别很大。此刻无规律分布出现的地点集中在散热带与氧化带的交界处，窒息带内没有流场分布。随着工作面继续推进，采空区内风速流场分布呈现先增加后减少的变化规律，分析其原因是由于采空区内顶板受周期来压影响，煤岩体垮落并逐渐压实，这就导致采空区内的流场分布也呈现周期交替变化规律，在部分区域出现流场波动起伏式变化分布。

3.3 采空区自燃“三带”分布模拟研究

根据北一202工作面实际情况，模拟了在正常配风情况下(800 m3/min)，从开切眼开始回采500 m时，采空区O2体积分数的分布情况，模拟结果见图7。

图7 北一202采空区O2体积分数分布图

由图7可知，采空区内越靠近工作面，O2体积分数越大；由于在上、下隅角处每天砌筑临时封堵墙、吊挂挡风帘等，有效降低了进、回风巷道侧采空区漏风强度，而在工作面中部由于未采取任何堵漏措施，必然存在一定的漏风，导致进、回风巷道侧采空区漏风强度弱于工作面中部采空区，造成了采空区O2体积分数从进、回风巷道侧向工作面中部逐渐升高，形成一个小“凸”形，但变化不是特别明显，说明虽然本工作面为超长工作面，但是由于采取一系列的堵漏措施，使采空区的漏风量较小。

通过数值模拟分析，划分出北一202超长俯采工作面采空区自燃“三带”范围，得出其自然发火危险区域，并与现场实测结果进行了对比验证，结果见表2。

表2 采空区自燃“三带”分布范围结果对照

由表2可以看出，进风侧与下隅角向工作面70 m架后两测点，氧化带最大宽度现场实测结果与数值模拟结果相差分别为4 m和3.5 m，结果十分接近；回风侧与上隅角向工作面70 m架后两测点，氧化带最大宽度现场实测结果与数值模拟结果相差分别为9、14.7 m，虽然差值相对较大(分析原因可能是由于该地点受注氮等措施的影响所致)，但整体与采空区自燃“三带”的范围分布规律基本保持一致，进而证明了采用数值模拟方法，分析研究超长俯采工作面采空区流场、O2体积分数分布规律的有效性和科学性。

4 结语

1)利用采空区多束管测点现场实测，得出大兴煤矿北一202超长俯采工作面采空区氧化带最大宽度为37.7 m，位于上隅角向工作面70 m架后位置。

2)通过Fluent数值模拟分析，揭示了超长俯采工作面采空区流场及O2体积分数变化规律；将采空区自燃“三带”模拟结果与实测结果相对比，得出自燃“三带”范围基本一致的结论，证明了采用数值模拟方法，分析研究超长俯采工作面采空区流场、O2体积分数分布规律的有效性和科学性。