六家煤矿综放采空区自燃危险区域实测及数值模拟

王中举 张德鹏 韩 伟

（1.内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司老公营子煤矿；2.中煤科工集团沈阳研究院有限公司；3.内蒙古平庄煤业（集团）有限责任公司六家煤矿）

矿井火灾是煤矿发生的重大灾害之一，我国大中型煤矿中存在自然发火危险的矿井约占总数的70%［1］，由于采空区遗煤自然发火引起火灾占火灾事故总数的80%左右［2］。随着现代采煤工艺的发展，大采高综采放顶煤工艺普遍应用于大部分煤矿，综采放顶煤工艺在提高采煤效率的同时也造成采空区遗煤量大、结构松散、漏风通道复杂、漏风量多等现象，为采空区遗煤提供良好的供氧条件与蓄热条件，极易引起采空区自然发火［3-4］。在回采过程中按遗煤发生自燃的可能性将采空区划分为散热带、氧化带、窒息带。准确测试划分“三带”范围，可以为矿井防灭火措施提供依据，避免采空区自然发火事故。目前对于采空区“三带”划分国内外并无统一标准，在现场实践中形成3 种划分指标：采空区漏风风速、采空区氧浓度、采空区温度［5-7］。本文以六家煤矿SIIN26-9综放工作面为研究对象，在现场实践中以氧浓度结合温度作为标准划分采空区“三带”范围，同时利用数值模拟方法以漏风风速为标准对“三带”范围进行优化。

1 工作面概况

六家煤矿位于内蒙古自治区赤峰市东南45 km处，隶属于平庄煤业（集团）有限责任公司，2012 年核定生产能力为180 万t/a。2019 年矿井瓦斯等级鉴定结果为低瓦斯矿井。煤层自燃倾向性为Ⅱ类，属自燃煤层，煤尘具有爆炸性。SIIN26-9综放工作面位于南二采区，工作面走向长度680 m，倾向长度160 m，平均煤厚6.9 m，采用走向长壁后退式采煤方法，综合机械化放顶煤采煤工艺。全部跨落法管理顶板，巷道用锚网联合支护。

2 现场实测研究

2.1 采空区埋管布置方案

选取SIIN26-9 综放工作面为研究对象，共布置4个测点，分别在工作面和回风顺槽，具体位置如图1所示，采用PT100热电阻温度传感器和电阻值测试仪测试采空区温度变化，采用便携式负压采样泵和束管采集采空区气体，地面气相色谱分析仪分析气体成分，获取O2、N2、CO、CH4、C2H4、C2H2浓度和温度T。每个测点安装1个气体采样器和温度探头，每个采样器连接1 路束管，温度传感器连接1 路双绞线，测点采样器外加套管保护通过三通连接。

2.2 观测结果

对SIIN26-9 综放工作面进行70 d 的采空区温度及气体实测，然后对采空区自然发火“三带”进行初步划分。

（1）从采空区氧浓度分析。“三带”划分按氧气浓度＞17%为散热带，氧气浓度＜7%为窒息带，7%～17%为氧化带，分析各测点氧浓度变化情况，初步得出SIIN26-9工作面采空区散热带、氧化带和窒息带的范围，如表1所示。

根据表1 可得出，SIIN26-9 工作面散热带宽度为0～35.4 m，氧化带宽度为35.4～98.6 m，窒息带宽度为大于98.6 m。

（2）温度变化规律分析。测点1～4温度变化规律如图2 所示。从温度曲线可以看出，测点1 在埋入采空区后20 m处出现温度上升，最高温度达24.4 ℃，当埋入采空区90 m后温度开始下降；测点2在埋入采空区35 m处出现温度上升，最高温度达24.5 ℃，当埋入采空区100 m 处温度开始下降；测点3 在埋入采空区后30 m处出现温度上升，最高温度达24.6 ℃，当埋入采空区95 m后温度开始下降；测点4在埋入采空区后20 m 处出现温度上升，最高温度达24.4 ℃，当埋入采空区80 m 后温度开始下降。从各测点温度变化规律结合氧气分布，可以得出：采空区距离工作面35 m 范围内为散热带，此区域温度变化不大，少量遗煤开始氧化，大部分生成的热量被带走；采空区距离工作面20～100 m 为氧化带，此区域大量浮煤开始氧化，煤温逐渐升高，大部分生成的热量滞留在采空区内，导致温度有所升高；采空区距离工作面80～100 m 后进入窒息带，此区域伴随氧气浓度下降，浮煤逐渐氧化进程变慢以致最终停止氧化，温度开始缓慢下降。通过温度划分的“三带”范围与氧气浓度划分结果基本一致。

（3）其他自然发火标志气体变化规律分析。在整个实测过程中，采空区有少量CO 生产，没有出现C2H4、C2H2，由此可得出采空区浮煤未达到加速或急剧氧化阶段。

3 数值模拟分析

由于现场条件复杂，无法对采空区全面监测，只能选取几个测点来测定从而进行推断采空区自燃危险区域，这样所得出的结论片面，准确性欠佳，所以通过FLUENT 流体模拟软件对六家煤矿SIIN26-9 综放工作面采空区进行建模计算，根据六家煤矿SIIN26-9综放工作面的实际情况来设定初始条件，对采空区漏风流场进行模拟计算，根据风速判断采空区自燃危险区域，与实测结果互相验证和补充，最终判断出更切合实际的采空区自燃“三带”范围。

3.1 物理模型的建立

利用FLUENT软件进行气体流动分析，流体模型基于流体运动控制方程（连续性方程、动量守恒方程、能量守恒方程）建立。

根据六家煤矿SIIN26-9 综放工作面采空区的实际概况，参照有关参数建立工作面几何模型，包括进风顺槽、回风顺槽、回采工作面及采空区，其中工作面长170.2 m、宽7.34 m、高2.5 m，采空区长150 m、宽170.2 m、高20 m。利用ICEM 建立物理模型，以煤层走向为X轴，倾向为Y轴，垂向为Z轴。

根据SIIN26-9 综放工作面实际情况建立几何模型，如图3所示。

3.2 参数设定

（1）边界条件的设定。将划分好网格的模型导入到FLUENT 中，依据SIIN26-9 综放工作面实际条件，设置进风巷入口速度为0.75 m/s；设置回风巷出口为自由出流。

（2）采空区模型渗透率的确定。采空区由于煤岩跨落得到一个漏风空间，该空间可看作多孔介质，由于煤岩跨落不均匀和支架支撑等影响，使采空区内的渗透率呈不均匀分布，采空区的渗透率直接影响着漏风大小，在模拟多孔介质过程中，渗透率的准确程度直接影响着模拟效果，渗透率的确定是该模拟过程中重要的一个步骤。根据国内外模拟采空区的研究现状，得到渗透率的连续性方程。采空区的渗透率由介质的孔隙率、平均粒子直径决定，根据Blake-Kozeny公式计算：

式中，e为渗透率，m2；Dp为平均粒子直径，取0.014～0.016 m；n为孔隙率，%。

由式（1）可知，渗透率可由孔隙率计算得出。根据参考文献及经验分析，得出孔隙率变化规律：采空区内距工作面越远孔隙率越小，当到达压实稳定区，采空区的孔隙率趋于稳定；在进风巷和回风巷两侧，由于悬臂梁结构的原因，导致进回风巷两侧孔隙率较大，当距离工作面较远时，煤岩压实较稳定，孔隙率也趋于稳定。所以采空区孔隙率基本呈“O”形圈的形状，孔隙率的分布公式如下：

通过孔隙率导出渗透率公式，从而确定黏性阻力、黏性阻力及渗透率倒数，将黏性阻力、孔隙率公式利用C 语言编译，导入FLUENT 中的UDF 进行设定。

3.3 计算结果及分析

通过对采空区模型进行解算分析，得到采空区内漏风流场，依据采空区漏风对现场测试结果进行修正。散热带与氧化带的临界风速按0.004 m/s 计，氧化带与窒息带的临界风速按0.001 67 m/s 计，利用Tecplot 处理Z=1 m 截面模拟速度云图如图4 所示，三维氧化带云图如图5 所示，Z=1 m 截面二维氧化带云图如图6 所示（X/Y/Z轴与模型一致）。考察SIIN26-9综放工作面采空区在X和Y轴方向上的模拟结果。由图4～图6 可以看出，采空区进、回风两侧氧化带宽度变化不大，由于进风侧向采空区漏风较多，其氧化带比回风侧略远；整体上距工作面越远，漏风风速越小，并且采空区范围内进风侧和回风侧漏风风速略大于工作面中部。

可以看出模拟的采空区自然发火“三带”范围：进风侧散热带＜38 m，窒息带＞76 m，中间为氧化带；工作面中部散热带＜30 m，窒息带＞82 m，中间为氧化带；回风侧散热带＜28 m，窒息带＞72 m，中间为氧化带。

模拟结果与实测数据结合，综合确定采空区自然发火“三带”范围为进风侧散热带＜35 m，窒息带＞80 m，中间为氧化带；工作面中部散热带＜30 m，窒息带＞85 m，中间为氧化带；回风侧散热带＜25 m，窒息带＞75 m，中间为氧化带。

4 结论

（1）对SIIN26-9综放工作面进行70 d的“三带”温度及采空区气体实测，测试结果表明按氧气浓度划分散热带宽度为0～35.4 m，氧化带宽度为35.4～98.6 m，窒息带为大于98.6 m；通过温度划分的“三带”范围与氧气浓度划分结果基本一致。

（2）利用FLUENT 流体模拟软件对六家煤矿SIIN26-9综放工作面采空区进行建模计算，根据风速对采空区自燃危险区域进行优化，最终得到采空区在进、回风侧及工作面中部3个位置的自然发火“三带”范围，进风侧散热带＜35 m，窒息带＞80 m，中间为氧化带；工作面中部散热带＜30 m，窒息带＞85 m，中间为氧化带；回风侧散热带＜25 m，窒息带＞75 m，中间为氧化带。

（3）实测结果与模拟结果之间存在一定的差异，最大差异为8 m，实测数据波动范围较大，说明采空区散热带、氧化带及窒息带之间的分界线不是固定的，同时模拟可以对无法实测的区域进行补充完善。

（4）针对实测和模拟结果，有针对性地对进、回风侧采空区氧化带采取了注氮和注浆防灭火措施，在工作面开采过程中，没有出现自然发火现象，有效保障了工作面生产安全。