“110工法”下采空区自然发火“三带”范围分析

朱兴攀,王江龙,马会云,杨程帆,张龙飞,刘文永

(1.陕西陕煤榆北煤业有限公司,陕西 榆林 719000;2.陕西小保当矿业有限公司,陕西 榆林 719399;3.西安科技大学 安全科学与工程学院,陕西 西安 710054)

0 引言

采空区是煤自燃火灾的高发区域,其高温危险区域的精准判定一直以来都是世界性难题。为了更好地掌握工作面回采期间,采空区内部危险区域的演变规律,国内外学者通常采用煤自燃“三带”观测及模拟的方法进行研究。例如,李鑫等[1]通过预埋束管的方式对煤与瓦斯突出矿井工作面采空区进行三带观测,得出抽采瓦斯改变采空区漏风流场,从而造成采空区氧化带变大变宽;王帅[2]通过布置束管的方式对不同注氮量情况下采空区内不同位置的CO、O2浓度进行现场实测,得出了注氮量与氧化带宽度呈负相关,且注氮量不影响散热带范围的特征;李锋等[3]采用数值模拟和现场实测相结合的方法对其自燃“三带”进行了研究;孙珍平[4]采用向邻近采空区施工钻孔,通过在钻孔不同深度中气体取样化验分析的方法得到同忻煤矿8207工作面均压后采空区氧化带宽度“拓宽”,并对8207综放工作面采空区注氮布距进行了优化;崔杰[5]以乌兰煤矿Ⅱ020803工作面为试验工作面,通过在工作面水平方向和垂直方向分别布置测点的方式,分析得出复合采空区三维空间自燃“三带”分布规律;金永飞等[6]以束管观测的方式,通过CFD软件模拟研究了采空区注氮工作参数变化时的煤自燃区域变化情况;王伟东等[7]采用理论分析、数值模拟和现场实测等手段对浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放对采空区自燃“三带”影响进行了研究。随着无煤柱开采工艺的研究与应用推广,110工法条件下的采空区煤自燃“三带”研究不足,其规律尚不明晰。

由于110工法条件下的采空区自然发火三带具有特殊性,进而开展此类研究,揭示110工法条件下的煤自燃“三带”演变规律具有重大意义,并且能够更好地为新型采空区煤自燃防控提供参考价值。因此,以陕西某矿110工法工作面为研究对象,通过现场观测、数值仿真模拟相结合的方法,对采空区危险区域进行研究。

1 测点布置原则、原因及方案

1.1 测点布置原则

由于110工法条件下采空区流场不同于传统开采工艺采空区,因而在进风隅角处布设不同深度测点的基础上,还需要垂直从沿空留巷侧施工不同深度的钻孔,布设测点。这样不仅可以用来监测采空区垂直方向上不同深度的气体浓度,还可以用来监测采空区同一水平方向上不同位置的气体浓度。进而可以从侧面完整地展示此类新型采空区内部的流场分布情况,以便更加准确地确定110工法条件下的采空区自然发火三带范围。

1.2 测点布置原因

“110工法”不同于传统“121工法”,“110工法”形成的采空区受“Y”型通风的影响,采空区流场分布呈现L型分布,其采空区中部的风流场类似于传统“121工法”采空区风流场,但由于受到沿空留巷侧风流的影响,氧浓度会在很长一段距离内很难降下来,同时在靠近沿空留巷侧很容易会存在一段长距离的狭长尾巴状流场。目前对于“110工法”开采模式下的“三带”规律研究较少,同时测点布置不明晰,无法准确把握沿空留巷侧监测距离。因此针对“110工法”的特征,进而确定测点布置方案。

1.3 测点布置方案

采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布。此次采空区内的气体成分采用埋管抽取检测。在工作面运输顺槽设置5个观测点,利用检修班从留巷侧工作面,将穿有束管的钻杆放置在支架顶部,取气端束管留出1 m长度,然后将钻杆口封死,防止取气时气体回流。当采煤班支架向前移动时,穿有束管的钻杆整体被甩入采空区,每天检修班布置一趟,分别布置长度为170 m(1#)、120 m(2#)、70 m(3#)、50 m(4#)、30 m(5#)共5趟测点。在工作面辅运顺槽设置2个测点,测点间距50 m。待氧气浓度低于8%以下,即可结束观测。采空区煤自然发火“三带”观测测点及束管布设如图1所示。

图1 采空区煤自然发火“三带”观测测点布置

2 综采面采空区氧浓度分布规律

采空区氧浓度分布规律,最直接的方法就是埋管或打钻抽取气样进行分析,然后确定出氧浓度分布规律。根据该矿综采面地质构造、巷道布置、通风方式及“110工法”的特点,按照方案总共布置了4个观测点,在观测的过程中,由于采空区深度的加大,采空区内部矿压也随之增大。根据观测数据,得到运输顺槽和辅运顺槽采空区内部距工作面不同距离各点的氧气浓度变化关系,如图2、3所示。

图2 运输顺槽采空区氧浓度随埋深变化趋势

从图3中可以看出,随着工作面的推进,采空区深度的增加,采空区内各点的氧气浓度在很长距离内一直较高。由于202工作面采用“110工法”开采模式,在“Y”型通风方式的影响下,运顺和辅运同时进风,使得采空区流场相比较“U”型通风方式发生了改变,所以采空区内氧气浓度下降较慢,且在很长一段距离内都维持在18%以上。

图3 辅运顺槽采空区氧浓度随埋深变化趋势

辅运1#测点直至250 m左右仍旧处于18%左右,加之束管布置受现场环境影响,经常发生束管断裂现象,选择暂停辅运侧观测。通过分析采空区流场分布情况,考虑到运顺1#测点与辅运1#测点数据基本一样。因此利用运顺1#测点代替辅运1#测点对实际耗氧情况进行分析。

运顺1#测点在250 m处仍处于18%以上,2#测点所观测的采空区内部氧气浓度在218 m左右下降至18%,3#测点在210 m左右下降至18%,4#测点在195 m左右下降至18%,5#测点在190 m左右下降至18%。而运顺1#测点所观测的采空区内部氧气浓度直至400 m左右才下降至8%,2#测点所观测的采空区内部氧气浓度直至400 m左右才下降至8%,3#测点直至407 m左右下降至8%,4#测点直至407 m左右下降至8%,5#测点直至415 m左右下降至8%。结合现场实测结果,根据自然发火“三带”划分氧浓度指标(8%～18%),可以判断出“110工法”开采模式下的采空区自然发火“三带”实测范围见表1。

表1 采空区“三带”实测范围划分

3 采空区危险区域数值模拟

运用数值模拟软件进一步对“110工法”开采模式下的采空区自然发火“三带”进行研究,采用ANSYS FLUENT 14.5流体动力学软件,根据观测所收集到的现场真实数据,将模型边界条件严格标定,对采空区的一系列参数进行定义。从而解决现场无法直接观测采空区内部气体浓度及渗流场连续变化趋势的问题,这在一定程度上能够有效地指导陕西某矿综采工作面防灭火工作。

3.1 物理模型及网格划分

根据综采工作面实际情况,建立工作面采空区三维模型,设置采空区深度为500 m,工作面倾向长度为235.5 m,浮煤厚度取0.6 m,浮煤上为10 m厚的岩石。坐标原点定在运输顺槽与采空区夹角处,将原点处指向x轴正方向设定为进风口1,将y轴顶端指向x轴正方向设定为进风口2,将x轴最右端指向y轴正方向设定为出风口,工作面走向方向为y轴正方向,向上为z轴正方向。将模型计算区域进行网格划分,网格设置默认为结构化网格,模型中代表浮煤区域的网格在x,y,z这3个方向上步长均设置为0.5 m,岩石区域网格步长设置为4 m,模型划分网格共计3 836 189个。三维模型及网格划分如图4、5所示。

图4 采空区三维模型

图5 三维模型网格划分

3.2 边界条件

在所研究的模型区域中,假设以该区域中运输顺槽、辅运顺槽以及工作面为边界,而这些边界上所涉及的风流速度和氧浓度则被当作是该模型中所要考虑的边界条件。另外,假定该区域其余的表面都具有壁面特性,由于该壁面的存在,气体的渗透效果将不可能发生[8]。因此,基于以上的假定条件,根据实验测定的CO产生速率,来编写UDF程序。计算过程中CO的源项由UDF进行控制[9]。采空区松散煤体和岩体的相关参数见表2。

表2 材料设置

3.3 数值模拟结果及分析

在以上建立的模型上进行模拟,得到了采空区氧浓度分布,如图6～10所示。

图6 距煤层底板0.5 m处氧浓度平滑分布图

图7 距煤层底板0.5 m处氧浓度条纹分布图

图8 距煤层底板0.5 m处氧浓度范围分布图

图9 距煤层底板0.5 m处氧化带范围分布图

图10 采空区氧浓度立体分布图

由图6～10可知,数值模拟得到的氧气浓度数据随着采空区深部的延伸整体呈递减趋势,而实测数据呈轻微波动递减的趋势,这是由于现场实测条件下存在误差及采空区受漏风影响造成的,但从总体上来说,数值模拟与现场实测数据存在良好的吻合度。为消除该矿综采面采空区煤自燃隐患,应扩大采空区危险区域监测范围。结合表1分析可得,陕西某矿综采面采空区内部在距工作面辅运顺槽侧245～410 m,距运输顺槽20 m水平处向采空区深部190～420 m处这个范围内煤自燃风险较高。而距工作面420 m以后垂直于后巷倾向(采空区侧)大概7～20 m的范围长期处于氧化带,同样存在较高的煤自燃风险,需要对后巷侧该区域定期采取相应的防灭火治理措施。

4 采空区自然发火“三带”的划分

根据束管监测得到的氧浓度变化规律在图上进行绘制,可以判断出采空区煤自然发火“三带”分布范围[10],如图11所示。

图11 综采工作面采空区煤自然发火“三带”范围

从图11基本可以判断,陕西某矿综采面采空区散热带的分布范围在采空区内距离工作面210～245 m,在采空区辅运顺槽进风侧处由于漏风相对较大,散热带范围相对较深,距运输顺槽侧20 m处由于漏风较少,散热带较浅。窒息带在距离工作面410～420 m以上的采空区深部及距后巷20 m以上的范围。在辅运顺槽侧,窒息带开始于410 m左右的深度,相对较浅;在距运输顺槽进风侧20 m的水平处窒息带开始的深度相对运顺进风侧较深,位于420 m左右。距工作面420 m处垂直于后巷倾向(采空区侧)10 m处氧气浓度为18%,20 m处氧气浓度为8%,10 m以内为散热带,10～20 m范围为氧化带,20 m以上范围为窒息带;距工作面500 m垂直于后巷倾向(采空区侧)7 m处氧气浓度为18%,12 m处氧气浓度为8%,7 m以内为散热带,7～12 m范围为氧化带,12 m以上范围为窒息带[11-14],划分结果见表3。

表3 采空区“三带”划分表

5 结论

(1)通过在采空区辅运顺槽铺设束管及采空区中部埋设束管,采集气体进行分析,得到采空区煤自燃“三带”范围,结合采空区煤自燃规律及特点,确定了“110工法”开采模式下的“三带”分布呈现出“L”型,受“Y”型通风影响,“三带”范围分布较深,且在沿空留巷侧长距离分布着呈尾巴状的氧化带。

(2)根据现场观测和数值分析,该矿综采面氧化带有2个区域,一个区域为辅运顺槽侧距离工作面245～410 m和距运输顺槽侧20 m处采空区190～420 m;另一个区域为距工作面420 m处垂直于后巷倾向(采空区侧)10～20 m和距工作面500 m及以后垂直于后巷倾向(采空区侧)7～12 m;最大氧化升温带宽度为230 m。

(3)在该矿综采面推进的过程中,需重点监测后巷倾向(采空区侧)7～20 m的范围。