基于多元变量的综放采空区温度场特征研究*

刘卫方

（山西长治郊区三元南耀吉安煤业有限公司）

综采放顶煤技术以生产效率高、巷道掘进率低等优点已成为目前厚煤层开采的主要技术［1-2］，但由于采空区冒落空间大、浮煤遗留量多易发生自燃发火导致的灾害事故［3-4］，对工作面的安全高效开采构成了极大威胁。近年来，诸多学者通过对采空区煤自燃影响因素的研究［5-8］，发现在既定工作面采空区煤自燃的关键影响因素为工作面配风量与推进速度。本研究利用FLUENT软件对布尔台煤矿42201综放采空区煤的低温氧化过程进行三维数值模拟研究，分析工作面配风量与推进速度对综放采空区温度场特征的影响，讨论采空区煤低温氧化温度变化规律，为该矿防治采空区煤自燃提供参考。

1 数学模型构建

采空区煤自燃是采空区流场、氧浓度场、温度场等相互影响、相互耦合作用的结果［9-13］。构建的综放采空区—流场、氧浓度场和温度场控制方程如下：

数学模型初始及边界条件：浮煤初始温度T|t=0=T0，初始氧浓度C|t=0=C0，顶底板岩层温度T|顶底板=T0，工作面温度T|y=0=T0，工作面风流氧浓度C|y=0=C0。

2 综放采空区遗煤低温氧化过程三维数值模拟

2.1 几何模型

布尔台煤矿42201综放工作面长240 m，工作面煤层平均厚度7.5 m，采煤高度3.6～3.8 m，放煤高度3.6～3.8 m。以42201综放工作面进风巷的右下角为坐标原点，采空区走向为X轴方向，倾向为Y轴，垂直方向为Z轴建立了42201综放采空区三维几何模型（图1），设定三维几何模型工作面尺寸为4 m×240 m×4 m，进回风巷尺寸为20 m×4 m×4 m，采空区尺寸为300 m×240 m×50 m。模型网格划分如图1所示，节点48 352个，单元247 538个。

2.2 边界条件

因煤层赋存条件的差异性，煤层的孔隙率大小的变化影响着模拟结果，采空区孔隙率n计算公式为

式中，n x、n y、n z为x、y、z方向上的孔隙率，%；L为工作面长度，m。

设置进风巷为速度入口，氧气体积分数为21%，温度为24℃，回风巷为自由出流。巷道顶部松散煤体的底部为对流散热边界，上部空气层为绝热边界。采用有限体积法离散方程组，离散格式采用二阶迎风格式，流场进行非稳态计算，数值解法采用基于算法的压力修正方法。

2.3 模拟结果

由于采空区煤氧化向四周煤岩体传热，随着距离底板的高度增加热量逐渐耗散，温度逐渐降低。根据现场实测，布尔台煤矿42201综放采空区遗煤厚度为1.2 m，选择模型z=1.2 m平面进行采空区温度场分析。42201综放采空区高度z=1.2 m在推进速度4 m/d时，不同配风量下进风侧（y=2 m）采空区遗煤的最高温度与工作面距开切眼的开采距离的变化曲线如图2所示。

由图2可知：随着距离的增加，采空区遗煤的最高温度升高幅度变大，而后逐渐降低，且随着工作面配风量的增大，采空区遗煤的高温点逐渐向采空区内部移动，遗煤最高温度增大。在辅助线a左侧最高温度在工作面不同配风量下，随开采距离的增加变化趋势基本一致，此时采空区长度较短（1～44 m），受漏风作用影响，采空区散热较充分，遗煤温度升高不会因工作面配风量的大小而存在显著差异。在辅助线a～b区域工作面配风量1 320 m3/min条件下的采空区遗煤的最高温度曲线与1 620，1 920，2 220，2 520 m3/min条件下的曲线发生分离现象，后者采空区遗煤的最高温度虽然无明显差异但是显著高于前者。这是由于随着开采时间的持续采空区长度逐渐增加（44～56 m），工作面配风量小使得采空区的漏风也相对较小，供氧也相对较低，散热效果不良，综合作用导致遗煤温度升高较慢［14-15］。在辅助线c右侧（82 m）工作面不同配风量下采空区遗煤的最高温度曲线都发生分离，工作面配风量大虽然可使采空区散热充分但由于供氧更加充足，造成采空区煤耗氧能力较强，使得采空区产热与散热平衡倾向产热侧，从而导致热量积聚、煤温升高。在采空区遗煤的最高温度达到最值点后开始逐渐下降，这是由于最值点后的采空区顶板破碎压实程度较好，采空区遗煤的最高温度呈降低趋势。

在42201综放采空区高度z=1.2 m、工作面推进速度4 m/d、配风量1 920 m3/min条件下，采空区倾向方向煤的最高温度变化曲线如图3所示。以氧气浓度8%～18%为氧化带［16-18］，采空区氧气浓度分布见图4。

由图3、图4可知：沿采空区倾向方向煤的最高温度逐渐降低，但在采空区走向不同位置降低幅度略有差异。x=30，60 m采空区煤的最高温度降低幅度小，x=90 m时采空区煤的最高温度缓慢降低随后大幅减低，此时y=120（中部）处于氧化带，而y=238（回风侧）已进入窒息带，x=120 m时采空区煤的最高温度大幅减低随后缓慢降低，此时进、回风都处于窒息带。

采空区煤的最高温度与工作面配风量大小有关，另一重要影响因素是工作面的推进速度［8-10］。采空区高度z=1.2 m在配风量1 920 m3/min、不同推进速度下，进风侧（y=2 m）采空区煤的最高温度与工作面距开切眼的开采距离的变化曲线如图5所示。由图5可知：开采初期，工作面推进速度较小时，采空区长度较短，煤升温速率较快，温度越高，推进速度为3 m/d时达到最大，其他推进速度下采空区最高温度随着推进速度的增加而降低。这是由于加快推进速度使得采空区压实程度提升、漏风强度减弱、氧气浓度降低，对煤的氧化自燃进程产生抑制效果，造成煤的最高温度降低。

3 工程实践

根据布尔台煤矿42201综放工作面开采条件，工作面配风量为1 920 m3/min，推进速度为4 m/d。通过铺设束管观测采空区温度与氧气浓度变化，分别沿42201工作面进、回风巷铺设ϕ50 mm、长350 m的钢管，测点间距50 m，开切眼铺设ϕ50 mm、长240 m的钢管，测点间距60 m，1#～5#测点监测采空区温度变化，6#～11#测点监测采空氧气浓度变化，测点和束管布置如图6所示。在花管外包裹滤尘网，防止煤尘飘落封堵束管口［19］。密封钢管与单芯束管之间的缝隙，保证采集的气体检测结果有效。

通过现场实测采空区温度变化，选取1#、5#测点数据与模拟结果进行对比，结果如图7所示。由图7可知：实测值与模拟值有较好的对应关系。

根据1#～11#点采空区氧气浓度变化实测结果，绘制了42201综放采空区煤的自燃氧化带范围如图8所示。由图8可知：自燃氧化带范围最宽处在进风侧51～99 m，布尔台煤矿4#煤最短自然发火期为27 d，工作面推进速度为4 m/d时可推进108 m，采空区自燃危险性得到降低。

4 结论

（1）通过FLUENT软件对布尔台煤矿42201综放采空区煤的低温氧化过程进行三维数值模拟研究，42201工作面合理配风量1 920 m3/min，合理推进速度4 m/d满足开采要求，并通过现场铺设束管观测采空区温度与氧气浓度变化，实测结果与模拟结果有较好的对应关系，可较好控制采空区遗煤的自燃发展进程。

（2）随着工作面开采时间的持续，采空区煤的最高温度在走向方向上逐渐升高后降低，且随着工作面配风量的增大，高温点逐渐向采空区内部移动，温度越高。在倾向方向煤的最高温度逐渐降低，但在采空区走向不同位置降低幅度略有差异。

（3）加快工作面推进速度可使采空区压实程度提升、漏风强度减弱、氧气浓度降低，对煤的氧化自燃进程产生抑制效果，使得遗煤最高温度降低。