1、特厚煤层复采采空区煤自燃危险区域研究吕茂云，卓辉，林龙（内蒙古黄陶勒盖煤炭有限公司 巴彦高勒煤矿，内蒙古 鄂尔多斯；安徽理工大学安全科学与工程学院，安徽 淮南）摘 要：掌握采空区漏风规律和气体分布特征，是采空区防灭火工作的基础，但因现场实测困难，本文采用数值模拟技术对其进行定量分析。根据超化矿 复采面开采情况，构建复采采空区煤自然发火数学模型、物理模型及孔隙率分布模型，模拟获得采空区氧气浓度场及风速场，并据此划分复采采空区煤自燃危险区域，为特厚煤层复采采空区煤自燃的防治提供一定参考。关键词：特厚煤层；复采采空区；煤自燃危险区域；数值模拟中图分类号：；文献标识码：文章编号：（）我国特有的富煤、少
2、油、缺气的能源赋存条件决定了在未来较长时间内，煤炭依然在我国能源结构中占主体地位。但受历史及开采技术水平的限制，我国早期煤矿的采出率为 ，部分小型煤矿及乡镇煤矿的采出率仅为 ，致使我国存在大量遗煤。为促进我国煤炭资源的可持续发展，缓解国家能源需求的紧张，部分矿区已经开始了遗煤复采。但遗煤开采的矿井通风系统复杂，采空区、空巷、围岩裂隙连通，漏风严重；遗煤的氧化程度及规律与原煤不同，导致采空区煤自然发火严重。研究复采采空区煤自燃危险区域范围，及时采取正确的防灭火措施，对保证矿井安全生产，改善井下作业环境，具有巨大的经济价值和重要的社会意义。工作面概况超化矿位于河南省新密市超化镇樊寨村，主采煤层平均
3、厚度，倾角，采煤工艺为综合机械化放顶煤，煤层的自燃倾向性等级为类，最短自然发火期为，属不易自燃煤层。图 复采面位置示意图 该矿 工作面为复采面，采空区遗煤经历了长期氧化，再次开采时易发生自然发火。此外，复采面横跨 个采空区及部分巷道，如图 所示。工作面推进过程中易造成采空区大面积连通，致使采空区漏风严重、规律复杂，煤自燃危险性大。为保证 工作面的安全开采，构建采空区煤自然发火模型，开展煤自燃危险区域数值模拟，为采取煤自燃防治措施奠定基础。复采采空区煤自然发火模型构建采空区环境的密闭性及复杂性导致现场实测数据极为困难，而实验室的小型实验仅能对煤自燃机理开展研究，大型模拟实验的成本高、耗时长、容易
4、受周围环境影响。随着计算机技术的持续发展，数值模拟技术已成为研究采空区煤自燃危险区域分布特征的重要手段，取得了丰富的研究成果。数学模型建立煤层开采后的采空区是由破碎岩体及残留煤渣组成的多孔介质组成，但煤岩块体大小、形状各不相同导致孔隙通道分布不规则，气体在采空区内的流动极为复杂，为研究不同条件下采空区内气体、温度分布规律，需要对模型进行简化处理，方可建立数学模型。连续性方程连续性方程即质量守恒方程，气体在采空区内流动的连续性方程为：（）（）（）（）式中，、流体在、三个方向上的速度分量，；流体的密度，；DOI:10.13487/ki.imce.022909时间，。动量方程采空区内各个方向上的气体
5、流动动量方程一致，方向气体流动满足的动量方程为：（）（）（）式中，垂直于 面的正应力，；微元体上的质量力，；微元表面各方向上的切应力，。氧气浓度方程采空区内的气体由、等不同组分构成，气体的组分输运方程为：（）（）（）（）式中，采空区内部气体组分，；气体组分 的扩散系数，；气体组分 的源（汇）项，（）；速度场；哈密顿算子。几何模型建立根据超化矿 复采面的实际走向与倾向长度等建立几何模型，如图 所示。模型几何参数设置如下：工作面长、宽、高；进风巷风速为.；进风巷和回风巷的宽为、高为。图 采空区几何模型图 物理场及边界条件本次模拟主要研究采空区风速及氧气浓度的分布。由于本次模拟将气体视为不可压缩流体
6、，物理场选用湍流场，采用 模型对其进行模拟。根据现场情况，工作面进风巷采用流量边界条件，进风量设置为；回风巷设置为自由出口流量边界条件。孔隙率与渗透率根据超化矿 复采面的采高及上覆岩层的岩性，对沿工作面走向方向上的采空区碎胀系数表达式进行推广，建立采空区底板处覆岩碎胀系数的分布函数，然后利用采空区竖直方向上岩石碎胀系数的变化规律建立采空区碎胀系数的三维分布函数，继而根据碎胀系数与孔隙率的关系，建立采空区孔隙率三维分布函数，具体如下：（，）（，）（）式中，（，）三维采空区某点（，）的碎胀系数分布；孔隙体积与多孔介质总体积之比，即孔隙率。根据采空区孔隙率三维分布函数，绘制超化矿 采空区底板处孔隙率
7、分布图如图 所示。图 超化矿 采空区底板处孔隙率分布由图 可知，采空区煤层底板处工作面附近以及两侧巷道孔隙率较大，采空区中部孔隙率逐渐趋向于零，整个底板处孔隙率呈现“”型圈的分布规律。采空区渗透率主要受破碎煤岩体的平均粒径及煤岩体间的孔隙率影响。根据 公式，采空区任意一点的渗透率为：（，）（，）（，）（）式中，破碎煤岩体直径，即块度，。根据采空区孔隙率三维分布函数，绘制超化矿 采空区底板处渗透率分布图，如图 所示。图 超化矿 采空区底板处渗透率分布由图 可知，采空区渗透率分布与孔隙率分布情况一致，在采空区煤层底板处工作面附近以及两侧巷道渗透率较大，在采空区中部渗透率逐渐减少，整个底板处孔隙率呈
8、现“”型圈的分布规律。在沿竖直方向上，位于采空区冒落带内渗透率不发生变化，进入裂隙带渗透率向上逐渐减少。结果及讨论采空区煤自燃是复杂的物理化学反应过程，不仅要求煤具有自燃倾向性，还需要适宜的氧气浓度及风速。氧气浓度太低，煤氧化产生的热量小，而风速太高会导致煤自燃散热过快，热量无法积聚。以风速划分采空区煤自燃三带，认为风速范围在 的区域为自燃带；以氧气浓度划分采空区煤自燃三带，认为氧气浓度在 的区域是自燃带。采空区风速分布如图 所示。由图 可知，采空区进风侧风速最大，回风侧其次，采空区中部风速最小。原因在于采空区中部破碎岩体的压实较好，孔隙率小；而进风侧和回风侧由于煤柱的存在，两帮悬空，孔隙率较
9、大，导致两帮风速比中部大，与图 和图 得到的采空区孔隙率及渗透率分布结果一致。采空区两帮孔隙率相近，而进风侧风速较大是受进风侧气体惯性力的影响。另外，由于采空区中部孔隙率比两帮较小，导致采空区中部自燃带范围比两帮大。图 采空区风速场分布 采空区氧气浓度分布如图 所示。由图 可知，从进风侧到回风侧，采空区自燃带逐渐靠近工作面且宽度逐渐减少。由 数值模拟结果所得采空区氧气浓度分布云图可知，其扩散规律符合采空区氧气浓度分布，故 复采面煤自然发火模型的建立及参数取值具有一定的科学意义，能反映采空区自然发火三带的分布情况。此外，由氧气浓度分布可知，进风侧自燃带宽度为 ，回风侧自燃带宽度为，即 复采面整体
10、自燃带宽度为距工作面，散热带宽度为距工作面，窒息带为距工作面 以外的采空区深部。以采空区风速及氧气浓度为标准划分的自燃带范围不同，风速反映了煤自燃热量散失的快慢，而氧气浓度反映了煤自燃热量大小。因此，两个标准划分的自燃带范围重合的区域是采空区遗煤最有可能自燃的位置，在矿井煤自燃防治工作中需要重点监测。图 采空区氧气浓度分布 结论 建立了 复采面煤自然发火数值模型，并通过该模型模拟得到了采空区氧气浓度场及风速场。采空区进、回风侧风速相比采空区中部较高，但风速降低快，自燃带宽度较小。采空区遗煤持续耗氧，故采空区氧气浓度及自燃带宽度从进风侧到回风侧逐渐减少。以风速及氧气浓度为标准划分的自燃带范围不同
11、，但在采空区进风侧和中部是两个标准划分自燃带的重合区域，产热快、散热慢，是 复采面煤自燃的危险区域，在防灭火工作中需要重点监测。参考文献：武强，涂坤，曾一凡，等打造我国主体能源（煤炭）升级版面临的主要问题与对策探讨煤炭学报，（）：秦波涛，仲晓星，王德明，等煤自燃过程特性及防治技术研究进展煤炭科学技术，（）：冯国瑞，张玉江，戚庭野，等中国遗煤开采现状及研究进展煤炭学报，（）：，（）：赵志，李龙裴沟煤矿复采工作面采空区水害防治技术研究内蒙古煤炭经济，（）：郑旋，高维强，孙庆锋特厚复采煤层多点自燃灾害综合防治技术与应用内蒙古煤炭经济，（）：王福生，孙超，杨志，等荆各庄矿复采与原生煤层自燃特性分析煤矿安全，（）：作者简介：吕茂云（），男，山东桓台县人，硕士，工程师，从事矿井通风防灭火研究工作。