大型综放工作面采空区自燃危险区域判定研究

大型综放工作面采空区自燃危险区域判定实验研究

曹凯1、2，时国庆1、2，汪月伟3

1．中国矿业大学安全工程学院，江苏徐州（221008）

2．中国矿业大学煤炭资源与安全开采重点实验室，江苏徐州（221008）3．中煤集团平朔分公司安家岭一号井工矿，山西朔州（036010）

E-mail：caokai_cumt@https://www.wendangku.net/doc/9b7626179.html,

摘要：通过沿采空区倾向布置温度传感器和取样束管，对综放面采空区的温度和气体进行监测，得出了4106综放面采空区温度和气体参数。在对现场实测数据进行综合分析的基础上，结合Fluent数值模拟技术确定了采空区自燃危险区域，从而为该工作面采空区防灭火工作提供理论依据。

关键字：采空区；气体监测；自燃危险区域；数值模拟

中图分类号：TD823

1.引言

煤炭自燃是矿井的主要灾害之一，具有很强的隐蔽性。我国国有煤矿每年因自燃火灾而封闭的工作面超过100个，封在火区内的工作面装置达数千万元，大量的煤炭因火区而冻结；同时，因煤炭自燃而产生的有毒有害气体和引起的瓦斯、粉尘爆炸严重危及井下人员的生命安全。然而，煤炭自燃都经历一个发生、发展的过程。如果能准确得掌握煤炭自燃特性及其规律，在煤炭自燃的初始缓慢聚热阶段对其进行有效控制和处理，势必起到事半功倍的效果，一旦错过这段控制火势的良好时机，火区将会快速发展，火区处理条件和难度迅速恶化与增加。

2.工作面概况及特点

安家岭一号井工矿主采煤层为低瓦斯易自燃煤层，采面4106工作面采用综采放顶煤回采工艺，其走向长4200m，工作面长300m，平均煤厚7.33m，最厚达16.8m。厚煤层综放回采使得采空区遗留浮煤较多；同时该面煤层埋藏较浅，最浅处为100m左右，地表为原始地貌，上部存在8个小煤窑老采空区，造成地表向工作面漏风复杂，工作面通风为“一源一汇”，这些都增加了煤层自燃的危险性。因此通过对采空区气体监测以及自燃危险区域的确定研究，能够为该工作面采空区的防灭火工作提供科学依据，保证工作面的正常推进。

3.采空区气体监测实测方法

测试束管和热电偶的布置方式采用从通过工作面的上下隅角沿工作面采空区倾向同时布置的方式[1]。4106综放面平均长度300m，设计在工作面支架后部采空区侧沿倾向共设6个测点，每两个测点的间距为60米，束管和导线分别用于抽取测点气样和测试测点温度，并同时用保护套管保护，防止进入采空区后被压坏。选用的温度探头是WRN型热电偶，通

过抽气泵将气体收集，然后送到地面进行气相色谱分析。设置示意图见图1所示。

图1 测点布置示意图

Figure1 Arrangement of test point 4. 采空区实测数据分析

由于工作面客观条件的影响，实际可用测点为1#、2#、3#、以及6#，同时由于工作面推进过程中，顶板来压，垮落的顶板对采样头造成一定的破坏，导致6#测点压坏，在工作面推进153米后抽不出气样。从现场实测数据以及后期分析的结果来看，通过这四个测点的数据基本上能够真实的反应采空区内部气体分布的规律，满足实验的要求。

4.1采空区温度数据分析

由于采空区顶板垮落将采空区中部温度探头压坏，使得无法进行采空区中部温度的测试，但从进风隅角6#测点和回风隅角1#测点的温度数据可以看出，在测距200m 的范围，采空区进回风隅角温度在24-27℃之间波动变化，变化幅度不大，除去仪器误差影响，可认为采空区“两道”温度较为稳定，且都低于30℃，回风隅角温度要略高于进风隅角温度，如图2所示。 只从温度数据来看，由于温度变化范围小，且最高温度都在30℃以下，结合煤低温氧化的特性来看[2]，在该采空区内部“两道”没有发生煤炭自燃的现象。

图2 采空区温度变化曲线图

Figure 2 variation curve of temperature in goaf

形成这一结果的原因，分析有以下几个方面：

1#

2#

3#

4#

5# 6#

（1）位于进风隅角的测点，由于进风流温度较低，而且在进风流端头和采空区之间漏风压差大，漏风量大，采空区遗煤自热的热量不易积聚。

（2）工作面推进速度较大（6m/d）,使得采空区遗煤氧化升温难以持续进行而不能自燃。

（3）采空区顶板的冒落，包裹了采空区的遗煤，而且矸石的粒度比较小，这样使遗煤与氧气的接触面积大大减少，在一定程度上减慢了遗煤的自身氧化速度。

（4）由于工作面的机械作业环境以及人员流动，使得回风隅角比进风隅角温度略有升高。

采空区进回风6#及1#测点温度波动变化，变化幅度小，且在正常范围内。同时采空区温度可用测点有限，仅靠两个测点的温度来推断整个采空区温度，缺乏代表性，不能真实的反应采空区的温度分布状态，因此不以温度作为划分采空区危险区域的标准。

4.2 采空区氧气浓度数据分析

由于采空区内部温度的变化不大且在正常范围内，因此采空区自燃危险区域主要是依据氧浓度的变化来划分的[3]。采空区氧气浓度的变化，直观的反映了采空区的漏风状态，以及遗煤的氧化环境。一般认为以氧浓度划分自燃“三带”的标准是散热带的氧气浓度＞18%（或19%）；氧化带的氧气浓度：10%（或12%）－18%（或19%）；窒息带的氧气浓度：＜10%（或12%）根据煤炭科学研究总院重庆分院的实验研究，不同氧化性的煤在供氧浓度≥5%-6%时,还可能在其着火温度前激烈氧化升温，有发火危险性，因此将氧化带划分的氧指标定为<18%、≥5%，窒息带定为<5%。结合4106工作面的实际情况以及以往经验，将采空区三带的划分定为：

散热带：O2＞18%

氧化带：18%＞O2≥5%

窒息带：O2＜5%

通过束管抽检，得到采空区内氧浓度随工作面推进距离的变化曲线图及立体云图，如图3、4所示。

氧

浓

度

/

%

图4 采空区内氧浓度随工作面推进距离的变化云图

Figure 3-11 Variation cloud of oxygen concentration with its advancing increasing 由采空区氧浓度变化曲线可以看出

（1）工作面推进后，采空区顶板垮落，顶板的冒落压实程度较好，使得采空区氧浓度整体变化随工作面推进距离的增加而减小

（2）由图3和4可以看出，回风侧及中部氧浓度随工作面推进的过程中下降较快，采空区15米左右，氧浓度就已经下降到了14%，当采空区中部深部达到70多米的时候氧浓度降到5%以下，进入了窒息带。这主要是因为回风侧既中部顶板垮落较好，冒落压实程度较高，使得该区域的氧浓度迅速下降。

（3）进风侧漏风强度比较大，氧浓度在工作面推进60m时，氧浓度才开始有降低，且下降趋势缓慢。当采空区深度达到150左右的时候，氧浓度才下降到10%以下。

5.采空区氧浓度分布规律数值模拟

由于进风隅角测点推进到153m的时候被冒落顶板压坏，而此时氧浓度还未降到5%以下，因此无法直接用实测氧浓度数据来确定采空区自燃危险区域。这里通过Fluent数值模拟技术并结合现场实测数据综合分析，确定了采空区在现有配风条件下的自燃危险区域。5.1 采空区氧浓度场CFD模型的建立

采空区气体流动须遵守质量守恒、能量守恒及动量守恒定律，由于包含不同组分的混合、传质，因此还必须遵守组分守恒定律，这些都是控制方程[4]。控制方程结合具体的边界条件、初始条件则构成了采空区气体流动的数学模型。

Fluent通过有限体积的流体力学对控制方程进行求解。求解过程中，需要通过应用UDF （用户自定义函数）来将采空区渗透率、氧气扩散速率以及耗氧速率等参数与几何模型相结合。UDF一般采用文本编辑器编写，以.c文件保存，被FLUENT编译或解释后可通过交互

菜单与FLUENT求解器相连接[5]

氧气在采空区运移分布的主控因素是压力梯度造成的粘性流动以及浓度梯度驱使下的扩散运动，因此采空区的渗透率、氧气消耗及其扩散系数是氧气分布规律模拟中的关键参数。采空区的渗透率主要受采动后应力分布的影响，Greed 和Clark 曾对采空区的渗透性进行了研究，认为采空区的渗透率取值在10-2～10-7m -2之间，同时指出采空区边缘的渗透率要比中部大的多[6]。这里通过对现场地应力的观测以及先前模拟资料的分析，本次模拟渗透率的选择为10-2～10-9m -2之间，并将渗透率采用双曲正切函数进行拟合[7][8]。

根据FICK 定律，采空区各种气体的扩散流量用下式表示，即[9]：

T i i i im i i

X D T J D x T x ρ??=-?? (1) 式中，i J 为第i 种气体的扩散流量，主要由浓度梯度、热力梯度引起；im D 为混合气体的扩散系数，i X 为气体i 的质量分数；T

i D 为热扩散系数；T 为温度。 对于非稀薄气体，式(1)可以采用多组分扩散公式代替，即：

,min ()T j j i

mix i i ij j j i i mix i i X X M M D T J D M x M x T x ρ≠???=+-???∑ (2)

其中，i M 是气体i 的分子量；mix M 是混合气体的分子量；ij D 是气体组分i 的多组分扩散系数。

氧气与浮煤发生物理吸附、化学吸附以及煤氧复合等物理化学变化，是采空区氧浓度不断下降的主要原因。低温氧化阶段（低于70°C ）氧气的消耗速率可以采用下述公式来表示[10]：

2[]

e x p (/)n R a t e A o E R T =- (3) 式中，E 为反应活化能，根据煤种的不同取12～95/KJ mol ，本次数值试验取值64/KJ mol ；A 是指前因子，依赖于煤级和测试方法；n 为常数，取值多在0.5～1之间；R 为气体常；T 为热力学温度；[O 2]是氧气的体积浓度。

5.2 采空区自燃危险区域的确定

根据4106综放面的特点，工作面CFD 模型的物理特征参数如下：采空区走向600米，倾向300米，巷道断面5?3.5米，工作面断面8?3米，模型高50米，煤层水平，走向呈3°角俯采，U 型负压通风。按照氧气浓度5%～18%为氧化带的划分标准，模拟现有配风量下1450m 3/min 下的氧化带分布。

利用现场实测数据对CFD 模型进行校准和验证，图5为配风量1450m 3/min 时，采空区氧气浓度分布云图。从图中可以看出，采空区进、回风侧，高氧含量区域分布范围较广，在采空区深部300米左右，氧气含量仍可达到5%以上。而在采空区中部，氧气浓度下降迅速，在采空区深部50～60米位置即可下降到5%以下，采空区高氧区域呈典型的“U”型分布，这与现场实测数据是基本吻合的，说明建立的CFD 模型能够反映采空区氧气分布的真实情况。

图5配风量为1450m3/min时的氧气浓度分布云图（左上为进风，距底板0.5m）Figure3 Cloud Picture of oxygen distribution in goaf when ventilation quantity is

1450m3/min

这里氧化带被认为是采空区“可能自然带”，是采空区的自燃危险区域。通过数值模拟以及现场实测相结合，确定了采空区的氧化自燃的范围。如图6所示。

表1 按氧浓度划分采空区“三带”范围

Table 3-6 Scope of three zones of coal spontaneous combustion in goaf based on oxygen

图6采空区自燃带的分布云图（底板）

Figure 6 Oxidation zones distribution（bottom）

6.总结

通过现场实测数据分析并结合Fluent数值模拟技术对采空区气体分布规律进行了研究，得出如下结论：

（1）由于采空区进回风测点温度变化小且测点有限，因此采用以氧浓度的变化来划分采空区自燃危险区域，自燃危险区域的氧浓度范围为：18%＞O2≥5%。

（2）4106综放工作面采空区自燃带的在两道侧的分布范围较广，沿走向长达300 m左右，沿倾向进回风侧都宽达70 m左右；

（3）在采空区中部，自燃带的分布区域较为狭窄，仅为50 m左右。这就表明，在正常回采期间，自然发火的真正威胁来自于两道处浮煤，若采用防灭火技术将两道处的浮煤做到

无缝隙覆盖，则可大幅降低回采期间煤自然发火的危险性，是阻止采空区自燃的关键。

参考文献

[1] 王亮张人伟等. 综放工作面采空区自燃“三带”的试验研究. 煤矿现代化2005年第5期21C22、24.

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[9]胡千庭梁云培刘见中.采空区瓦斯流动规律的CFD模拟[J].煤炭学报2007（32）719-724

[10]L.Yuan. Computational Fluid Fynamics Modeling Of Spontaneous Heating In Longwall Gob Areas, NIOSH, Pittsburgh, PA.

Experiment research on decision of spontaneous combustion zone in goaf on fully mechanized coal face

Caokai1，2, Shiguoqing1,2,Wangyuewei3

1. Faculty of Safety Engineering, CUMT, Jiangsu Xuzhou,(221008)

2. State Key Laboratory of Coal Resources and Safety Mining,CUMT,Jingsu Xuzhou,(221008)

3. China Coal Group Pingshuo company, Anjialing 1th mine, Shanxi Shuozhou,(036010)

Abstract

By arranging the temperature sensors and sampling tube in goaf, we measured the temperature and gas and obtained the corresponding data. According to the application of Fluent numerical simulation technology based on the measured data, the spontaneous combustion zones in goal of fully-mechanized was determined; thereby it provid scientific basis for the work of fire prevention and extinguishing in goal.

Key words:goal;gas monitoring; temperature; spontaneous combustion zone; numerical simulation

作者简介

曹凯（1984.12-），男，汉，江苏徐州沛县人，中国矿业大学(徐州) 安全学院安全技术及工程专业,在读研究生，主要从事矿井通风、井下防灭火技术及煤自燃防治理论方面工作的研究。联系电话159********。