采空区埋管抽采下自燃“三带”分布规律研究_李锋.pdf

Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 采空区埋管抽采下自燃 “三带” 分布规律研究 李锋 1， 罗伙根2， 王 超 3 （1．国家能源集团 神东技术研究院， 陕西 神木 719300； 2．中国神华神东煤炭集团 保德煤矿， 山西 忻州 036600； 3．安徽理工大学 能源与安全学院， 安徽 淮南 232001） 摘要 为了研究煤矿开采过程中采空区埋管抽采瓦斯条件下自燃 “三带” 分布规律， 以保德煤 矿 81307 综放工作面采空区为研究背景， 采用数值模拟和现场实测相结合的方法对其自燃 “三 带” 进行研究。 结果表明81307 综放工作面采空区埋管抽采下一号回风巷侧 0～175 m 为散热带， 175～330 m 为氧化带， 大于 330 m 为窒息带； 运输巷侧 0～110 m 为散热带， 110～265 m 为氧化带， 大于 265 m 为窒息带。 关键词 采空区； 埋管抽采； 自燃三带；偏 Y 型； 多场耦合；数值模拟 中图分类号 TD75＋2．2文献标志码 A文章编号 1003-496X （2020 ） 02-0169-05 Study on Distribution Laws of Spontaneous Combustion“Three Belts”in Goaf with Buried Pipe Extraction LI Feng1, LUO Huogen2, WANG Chao3 （1．Shendong Coal Technology Research Institute, CHN Energy Investment Group Co., Ltd., Shenmu 719300, China; 2．Baode Coal Mine, Shenhua Shendong Coal Group, Xinzhou 036600, China;3．School of Energy and Safety, Anhui University of Science and Technology, Huainan 232001, China） Abstract To study the distribution law of spontaneous combustion “three zones“ under the condition of gas extraction by buried pipe in goaf during coal mining, taking the goaf of 81307 fully mechanized caving face in Baode Coal Mine as the research background, the “three zones”of spontaneous combustion were studied by numerical simulation and field measurement． The research results show that on the inlet side of 81307 fully mechanized caving face, from 0 to 175 m is the heat dissipation zone, from 175 to 330 m is the oxidation zone, and more than 330 m is the asphyxiation zone; on the side of the rubber conveyor, from 0 to 110 m is the heat dissipation belt, from 110 to 265 m is the oxidation zone, and more than 265 m is the asphyxiation zone． Key words goaf; buried tube extraction;“three zones”of spontaneous combustion; partial Y type; multi-field coupling; numerical simulation 煤炭自燃是矿井生产过程中主要自然灾害之 一，分析煤炭自燃事故案例，结合国内外学者的技 术与理论研究， 发现采空区、 破碎煤柱、 断层等位置 是井下煤自然发火的主要地点，特别是采空区遗煤 自燃尤为严重， 准确划分采空区自燃 “三带” 对防灭 火有重要作用。在防治采空区瓦斯灾害时，埋管抽 采是常用方法之一，但在抽采瓦斯过程中，势必会 造成采空区漏风严重，影响采空区自燃“三带” 分 布， 从而导致遗煤自燃。因此， 针对高瓦斯易自燃煤 层开展采空区埋管抽采对自然“三带”分布规律的 影响研究，对预防采空区遗煤自燃，防止瓦斯爆炸 具有十分重要意义 ［1-2 ］。 以保德煤矿 81307 综放工作面为研究对象， 通 过现场实测和数值模拟相结合的手段，研究采空区 埋管抽采瓦斯条件下自燃 “三带” 分布规律， 从而为 DOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．02．039 李锋， 罗伙根， 王超．采空区埋管抽采下自燃 “三带” 分布规律研究 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （2） 169-173． LI Feng, LUO Huogen, WANG Chao． Study on Distribution Law of Spontaneous Combustion “Three Belts” in Goaf with Buried Pipe Extraction［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （2） 169-173． 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （5184008） ； 安徽省自然科 学基金资助项目 （1608085QE114） 移动扫码阅读 169 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 1工作面布置示意图 Fig． 1Schematic layout of working face 表 1几何模型参数 Table 1Geometric model parameters 矿方合理确定各种防灭火工艺的具体参数提供依 据，能有效指导工作面的安全生产，减少煤自燃事 故的发生。 1矿井概况 神华神东保德煤矿位于山西省忻州市保德县境 内， 矿井总面积为 55．9 km2， 南北纵向长 14 km， 东 西横向长约 5．7 km。 规划煤炭地质储量 12．5 亿 t， 可 采储量 8．2 亿 t， 服务年限为 64．6 年。2017 年， 核定 生产能力为 500 万 t/a。 矿区内含煤地层主要为二叠 系-石炭系，共含煤 10 层，其中 8、 10、 11 号煤层全 区可采， 13 号部分区域为可采煤层，矿区其余煤层 条件受限， 均不可采。2017 年对 8 号煤层自燃倾向 性进行了等级鉴定， 8 号煤层自燃倾向性等级为Ⅱ 类， 煤吸氧量为 0．66 cm3/g， 属于自燃煤层。2017 年 矿井瓦斯等级鉴定结果矿井绝对瓦斯涌出量为 100．66 m3/min，相对瓦斯涌出量为 12．38 m3/min， 属高瓦斯矿井。 81307 综放工作面东邻 81306 综放工作面（已 回采完毕） ， 北为二号主、 辅运大巷， 南邻矿井边界， 以西为未开发实体煤。 工作面设计可采长度为2 470 m， 倾向长 240 m， 平均煤厚 7．3 m， 属厚煤层， 回采煤量 为 518．7 万 t。 2自燃“三带” 划分依据 煤炭发生自燃的 3 个条件 一是煤层本身具有 可燃属性，同时呈破碎状态堆积；二是连续通风供 氧条件；三是燃烧环境，必须能够保持热量不易扩 散，能够蓄热。在有煤自燃倾向性的煤层开采过程 中，工作面漏风给采空区遗煤提供合适的通风供氧 条件，漏风速度大小和遗煤堆积状态决定了煤氧化 蓄热的环境，而氧气浓度大小则决定了煤氧化自燃 能力[3-7]。因此， 根据供氧浓度可以将采空区划分出 自燃 “三带” ， 分别为散热带、 氧化升温带和窒息带。 以氧气浓度在采空区内分布情况，对采空区自燃 “三带” 进行划分 散热带， 氧气浓度＞18； 氧化升温 带， 18≥氧气浓度≥8； 窒息带， 氧气浓度＜8。 3数值模拟 3．1数值模型的建立 81307 综放工作面采用偏 Y 型通风方式， 其中 一号回风巷和运输巷进风，运输巷靠近切眼处的联 巷回风。为了治理采空区瓦斯，采用采空区埋管抽 采方式 （布置间距 100 m， 抽采负压为 32 kPa， 抽采 流量为 600 m3/min） ， 工作面布置方式如图 1。 根据 81307 综放工作面进、回风巷以及瓦斯抽 采巷道布置的特点，并结合煤层特征及现场实测数 据。煤层平均厚度 7．3 m， 垮落带高度可达 3～5 倍。 进风巷高 3．4 m， 宽 5．0 m； 回风巷高 3．6 m， 宽 5．2 m。 建立采空区三维物理模型 综放工作面长度 240 m， 采空区垮落高度取 30 m， 深度取 500 m， 距离工 作面 500 m 处与采空区两侧及顶部一致，按照壁面 处理， 设为漏风边界； 采空区回风侧瓦斯抽采采用的 是 800 mm 瓦斯管， 具体几何模型参数见表 1。 因此， 采空区垮落带， 断裂带和工作面两道之间 的松散煤岩体是采空区内部渗流去。采空区内不同 区域由于塌陷， 浮煤和垮落的岩石等压实程度不同， 造成不同区域的孔隙率不同。根据经验，由工作面 向采空区深部延伸，孔隙率逐渐变小。忽略其他因 素的耦合影响， 针对联巷埋管抽采瓦斯条件下， 研究 采空区内部自燃 “三带” 的分布规律。 建立的采空区几 何模型如图 2， 并对其进行网格划分， 由于抽采管尺 寸较小， 需要对局部网格进行加密处理 （图 3 ） 。 3．2 数值模拟结果 利用 ANSYS FLUENT 软件， 对埋管抽采条件下采 空区内氧气浓度分布规律进行数值模拟 （图 4 ） 。 由图 4 可以看出， 在埋管抽采条件下， 工作面附 近氧气浓度为 20～21。随着深入距离不断增大， 氧气浓度逐渐下降。当深入采空区一定距离后， 氧 气浓度下降趋势减缓，浓度变化不大。这是由于工 序号模型参数参数值 （长宽高 ） / （mmm ） 1工作面240 5．9 3．8 281307 一号回风巷20 5．0 3．4 381307 运输巷20 5．2 3．6 4采空区500 240 30 170 ChaoXing Vol．51No．2 Feb． 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 图 6采空区氧气浓度随推进距离变化曲线 Fig．6Variation curve of O2concentration in goaf with advancing distance 图 281307 工作面采空区物理模型 Fig．2Physical model of goaf in 81307 working face 图 381307 工作面网格划分示意图 Fig．3Schematic diagram of meshing in 81307 working face 图 4采空区氧浓度分布图 Fig．4O2concentration distribution in the goaf 图 581307 工作面采空区自燃 “三带” 测点布置图 Fig． 5Arrangement of measurement points of three spontaneous combustion zones in goaf of 81307 working face 作面向采空区深部方向上压实程度逐渐增大，孔隙 率逐渐减小， 氧气浓度逐渐降低的缘故[8-11]。对模拟 结果进行量化处理，当一号回风巷侧深入采空区 175 m 时， 氧气浓度下降至 18， 深入采空区 330 m 时， 氧气浓度下降至 8； 运输巷侧深入采空区 120 m 时， 氧气浓度下降至 18， 深入采空区 255 m 时， 氧气浓度下降至 8。由此得出， 一号回风巷侧氧化 带范围为 175～330 m， 运输巷侧氧化带范围为 120～ 255 m， 运输巷侧氧化带宽度略大于一号回风巷侧。 这是由于运输巷侧存在瓦斯抽采管，受瓦斯抽采的 影响， 运输巷侧氧气浓度较高。因此， 瓦斯抽采对采 空区风流流动影响比较严重，如果遗煤条件和漏风 条件满足自燃要求，瓦斯抽采口附近就容易发生自 然发火。 4现场实测与分析 4．1实测方案 为了研究采空区埋管抽采条件下自燃 “三带” 的 分布规律，在 81307 综放工作面运输巷布置气体和 温度监测点， 在监测点铺设束管和安装温度传感器， 实时监测采空区气体和温度变化情况，测点布置如 图 5。 当监测点进入采空区后， 每天取气样送实验室分 析， 并记录采空区温度。当监测点所采集的氧气浓度 低于 8时， 可停止观测。通过现场实测， 得到的采空 区氧气浓度和温度随进入采空区深度变化曲线如图 6 和图 7。 4．2氧气划分 “三带” 由图 6 可以看出，在有采空区埋管抽采条件下， 81307 综放工作面运输巷侧漏风量较大， 氧气浓度在 工作面推进约 30 m 时才出现下降趋势，推进至 110 m 时， O2浓度降至 18，250 m 时降至 10，265 m 171 ChaoXing 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．2 Feb． 2020 图 7CO 浓度随推进距离曲线 Fig．7Variation curve of CO concentration in goaf with advancing distance 图 8测点温度随推进距离变化曲线 Fig． 8Variation curve of temperature of measuring point with advancing distance 测试方法位置散热带/m氧化升温带/m窒息带/m 气体成分法回风侧＜110110 ～ 265＞265 测温法回风侧＜110110 ～ 255＞255 表 2实测 81307 工作面埋管抽采条件下采空区 “三带” Table 2Three zones of goaf under the condition of buried pipe extraction in 81307 working face 时降至 8。 根据自燃 “三带” 划分标准 ［12-13 ］，81307 综 放工作面运输巷侧氧化带范围为 110～265 m。 4．3一氧化碳划分 “三带” 从图 7 可以看出，在工作面推进过程中出现一 氧化碳浓度的峰值， 最高可达 810-6。 回风侧由于漏 风的聚集， 通风供氧条件好， 氧气浓度较高， 煤的氧 化较为强烈，使 CO 的浓度较高。测点在距工作面 110 m 处时， 一氧化碳浓度开始逐渐增大， 呈直线上 升趋势，说明遗煤进入了加速氧化阶段；在 170 m 达到了浓度峰值， 之后逐渐下降， 超过 260 m 以后 CO 浓度逐渐趋于正常。这一测试结果说明 在距工作面 110 ～ 260 m 范围内，采空区内部有明显的煤炭氧化 现象发生， 结果与采空区氧气浓度分布规律一致。 4．4温度划分 “三带” 测点温度随推进距离变化曲线如图 8。由图 8 可以看出， 81307 综放工作面初始温度为 25 ℃， 随 测点埋深增加，采空区温度逐渐上升。这是因为采 空区遗煤在氧气作用下发生氧化， 放出热量[14]， 温度 升高。当推进至 110 m 时温升曲线斜率急剧增大， 温度迅速上升， 最高达 43．5 ℃， 预计进入加速升温 阶段。推进至 260 m 时出现较为明显的降温， 这是 由于随着工作面的推进，深部区域氧气浓度降低， 遗煤氧化速率变慢[15]， 放热量大于产热量， 表明此时 进入窒息带。对比验证温度变化规律与采空区氧 气、 一氧化碳分布规律， 可以判定结果具有一致性。 通过现场实测， 81307 综放工作面在采空区埋管 抽采条件下自燃 “三带” 分布情况见表 2。综合数值 模拟和现场实测的研究结果[16-18]， 得出 81307 综放 工作面采空区在埋管抽采条件下自燃 “三带” 分布规 律为一号回风巷侧 0～175 m 为散热带， 175～330 m 为 氧化带， 大于 330 m 为窒息带； 运输巷侧 0～110 m 为 散热带， 110～265 m 为氧化带， 大于 265 m 为窒息带。 5结论 1） 采用 FLUENT 软件对 81307 综放工作面采空 区埋管抽采条件下自燃 “三带” 分布规律进行数值模 拟，得出一号回风巷侧 0～175 m 为散热带， 175～330 m 为氧化带， 大于 330 m 为窒息带； 运输巷侧 0～120 m 为散热带， 120～255 m 为氧化带， 大于 255 m 为窒 息带。 2 ） 采用气体浓度法和热电偶测温法分别对自燃 “三带”进行现场测定，气体浓度法测定结果为 0～ 110 m 为散热带， 110～265 m 为氧化带，大于 265 m 为窒息带；热电偶测温法测定结果为 0～110 m 为散 热带， 110～260 m 为氧化带，大于 260 m 为窒息带， 两者实测结果基本一致。 3） 综合数值模拟和现场实测的研究结果， 得出一 号回风巷侧 0～175 m 为散热带， 175～330 m 为氧化 带， 大于 330 m 为窒息带； 运输巷侧 0～110 m 为散热 带， 110～265 m 为氧化带， 大于 265 m 为窒息带。 参考文献 ［1］ 周令昌， 周西华， 梁茵， 等．东滩矿 14308 综放面采空 172 ChaoXing Vol.51No.2 Feb. 2020 第 51 卷第 2 期 2020 年 2 月 Safety in Coal Mines 区三带实测分析 ［J］ .辽宁工程技术大学学报， 2006 （S2） 52-54. ［2］ 邓凯．综采面采空区三带划分方法的研究 ［D］ .淮南 安徽理工大学， 2012. ［3］ 陈伟崇， 吴筱， 聂伟雄， 等.浅埋深工作面自燃 “三带” 分布规律及防治研究 ［J］ .煤矿安全， 2018， 49 （11） 128-131. ［4］ 刘松， 蒋曙光， 王东江， 等.采空区自燃 “三带” 变化规 律研究 ［J］ .煤炭科学技术， 2011．39 （4） 69-73. ［5］ 杨宏民， 牛广珂， 李化全.采空区自燃 “三带” 划分指标 的探讨 ［J］ .煤矿安全， 1998， 29 （5） 26-28. ［6］ 吕志金， 欧阳辉.浅埋深首采工作面采空区 “三带” 分 布规律 ［J］ .煤矿安全， 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研究方向为通风防灭火。 （收稿日期 2019-02-22； 责任编辑 陈 洋） 性演化机制与应用 ［D］ ．徐州 中国矿业大学， 2016． ［12］ 何学秋， 聂百胜．孔隙气体在煤层中扩散的机理 ［J］ ． 中国矿业大学学报， 2001， 30 （1） 3－6． ［13］ 李云波， 张玉贵， 张子敏， 等．构造煤瓦斯解吸初期特 征实验研究 ［J］ ．煤炭学报， 2013， 38 （1） 15－21． ［14］ 聂百胜， 杨涛， 李祥春， 等．煤粒瓦斯解吸扩散规律实 验 ［J］ ．中国矿业大学学报， 2013， 42 （6） 975－981． 作者简介 薛伟超 （1988） ， 河南沁阳人， 助理研究员， 中国矿业大学在读博士研究生，主要从事煤矿深部动力灾 害与瓦斯防治研究。 （收稿日期 2019-03-08； 责任编辑 王福厚） （上接第 168 页） 173 ChaoXing