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深井伪俯斜综放采空区漏风规律数值模拟 马砺1， 2，肖旸1， 2，文虎1， 2，贾海滨3 （1.西安科技大学 能源学院， 陕西 西安 710054； 2.西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室， 陕西 西安 710054； 3.山东省天安矿业公司， 山东 曲阜 272100 ） 收稿日期 2009-08-10 基金项目 国家自然科学基金资助项目 （50704025 ） ； 国家 “十一五” 科技支撑计划项目 （2007BAK29B03 ） ；“长江学者和创新团队发展计划” 教育部 创新团队项目 （IRT0856 ） ； 陕西省教育厅自然科学基金项目 （07JK318 ） 通信作者马砺 （1978-） ， 男， 四川隆昌人， 讲师， 主要从事矿山重大灾害及其防治、 安全技术及工程领域的教学和研究工作. E- mail malifuture 摘要 随着矿井开采深度增加， 开采强度越来越大， 地温的升高， 带来了系列的灾害现象.本文分析了深井伪俯斜综放采空区自 燃防治的难点， 研究厚煤层伪俯斜综放采空区的漏风特征， 对山东星村煤矿 103 综放面采空区进行现场观测， 建立了采空区漏风数学 模型和自然发火预测模型， 对其漏风规律进行数值模拟， 确定了 103 工作面的合理供风量， 使得工作面和进风端头的压力和采空区高 差产生的自然压力大致均衡， 有效减少和控制向采空区的漏风， 防止了采空区浮煤自燃. 关键词 深井； 伪俯斜； 综放采空区； 漏风规律； 数值模拟； 自燃 中图分类号 TD752文献标识码 A文章编号 1672- 9102 （2010 ） 01- 0017- 05 湖南科技大学学报 （自然科学版 ） Journal of Hunan University of Science Technology （Natural Science Edition） 第 25 卷第 1 期 2010 年3 月 Vol.25 No.1 Mar.2010 随着浅埋煤层资源的不断枯竭， 世界各主要产煤 国家相继进入深部开采，如德国开采最深超过 1 700 m， 英国达到 1 000 m， 波兰最深达到 1 300 m.我国大部 分的煤炭储量赋存在深部，在我国预测总储量中 73.2埋深在 1 000 m 以下， 浅部储量较少[1-2]. 随着我 国煤炭工业的发展， 煤炭开采已大规模向深部发展， 矿 井延伸速度加快. 我国煤矿开采每年平均增加 10 m， 部 分矿井每年平均增加 20 m.2004 年矿井开采深度超过 1 000 m的矿井达到 8 处， 平均采深超过 800 m的矿井 达到 15 处[3]. 随着矿井开采强度和深度的增加， 各类 灾害因素种类增加， 危害性加大， 安全条件更加恶化. 特别是在深井开采过程中， 出现了瓦斯大、 地温高、 地 压大及巷道原岩应力场复杂等一系列问题. 与浅部开 采相比， 矿井高温热害， 煤层自燃， 矿井水灾， 矿井煤 与瓦斯突出和冲击地压等灾害现象日趋严重， 深井的 开采安全越来越受到人们的重视. 对于深井伪俯斜综放开采，由于工作面倾角大， 采空区立体空间大， 漏风规律复杂， 自燃危险性增强， 自燃防治难度大. 为了有效减少和控制采空区后部漏 风防治自燃， 本文对伪俯斜综放采空区的漏风规律进 行了数值模拟研究. 1深井伪俯斜综放开采自燃的危险性 煤自燃不仅仅与煤自身氧化性和放热性的内在 因素有关， 还与所处的环境气候、 氧气的浓度、 煤 （岩） 体导热性、 采空区浮煤厚度等外界影响煤自燃发展的 条件有关.对深井厚煤层伪俯斜综放开采空区而言， 煤 层自燃主要呈现如下难点 1 ） 煤层开采深度大， 地温高， 自燃危险性大 由于煤层开采深度大， 地温较高， 煤层初始温度 越高， 自然发火期缩短， 煤层自然发火危险程度越 大.再加上煤层地温高导致围岩温度也高， 改善了自 燃的蓄热条件，导致了煤体氧化放热性能增强， 煤 体自燃危险性增大.因此， 在深部原岩温度较高的环 境下， 增加了破碎煤体的自燃危险性， 更容易引起 煤层自然发火. 2 ） 深井开采矿压大， 巷道顶煤自燃危险性增强 由于深井开采矿压较大， 巷道在掘进期间易出现 底鼓或者冒顶等现象，形成空洞. 无论是采用锚网支 护或者是钢棚支护， 常常在未支护地段堆积着大量的 17 松散煤体，由于风流的渗透和扩散容易氧化放热， 这 部分热量散发不出去最终导致该处煤体自燃. 因此， 在巷道破碎煤体的地段自燃危险性很大. 3 ） 伪俯斜综放开采采空区空间大， 漏风复杂 工作面沿倾斜方向布置， 沿煤层走向俯斜综放开 采， 采空区立体空间大， 沿倾斜和走向方向都存在高 差， 受自然风压的影响， 漏风量大， 再加上采空区留有 大量浮煤， 煤氧复合作用放出大量的热量， 极易自燃. 4 ） 工作面推进速度慢， 采空区浮煤极易自燃 由于工作面倾角大， 容易发生工作面冒顶可能导 致支架歪斜倾倒、 溜子下滑等一系列问题， 工作面推 进速度慢，但是由于采空区自燃危险区域动态移动， 浮煤极易氧化自燃.自然危险地点主要在开切眼、 停采 线、 本面或相邻采空区自燃发火的危险大. 5 ） 采空区自燃防治难度大 由于采空区漏风复杂， 难以实现煤层自燃的预报. 由于工作面是伪俯斜布置， 常规的黄泥灌浆、 注氮等 防灭火技术难以实现自燃的预防. 一旦出现煤自然发 火的隐患， 自燃高温区域将发展迅速， 高温区域极为 隐蔽， 很难准确的判断火区的位置， 使火区治理盲目 性增大， 区域大， 如果一旦封闭工作面， 很难对综放面 采空区后部进行处理， 因此， 采空区自燃防治难度大. 综上所述，伪俯斜综放采空区自燃的危险很大， 为了掌握伪俯斜综放采空区的漏风规律， 以山东星村 煤矿 103 工作面为研究对象， 研究工作面的合理供风 量， 减少和控制向采空区的漏风， 为防止采空区浮煤 自燃提供依据. 2工作面概况及计算区域模型的建立 星村矿主采 3 煤层， 厚度 4.59～9.25 m， 平均厚度 7.15 m， 埋藏深度在-650～-1 000 m 之间， 一般在-900 m 水平左右， 其埋深达到约 1 000 m， 首采区 3 煤层最 大深度为 1 350 m， 地温较高， 根据地温梯度计算结果 为 42 ℃.其中开采的 103 工作面煤层倾角大 （16～25， 平均角度 21， 局部达 40） ， 地质构造复杂， 断层带较 多， 平均一个面落差超过 2 m 的有 20 余条.根据 103 工作面实际情况， 计算区域为长 138.5 m， 宽 168 m， 高 114.5 m 的六面体， 利用 GAMBIT 建立 103 工作面 采空区三维模型， 如图 1 所示， 将坐标原点定在回风 巷出口， 指向进风巷为 x 轴正方向， 指向后部开切眼 为 y 轴正方向， 向上为 z 轴正方向， 选取 26 个坐标点 （即模型相应的顶点） ， 组成相应的线 50 条、 面 23 个 及体 2 个. 3采空区漏风规律数学模型 3.1数学模型 深井伪俯斜综放面采空区可以认为是一个有机 物和无机物混杂而成的煤岩体，具有多孔性. 工作面 采过后， 顶板岩层相继跨落， 采空区则形成一个松散 体. 将松散煤体和岩体假设为均匀多孔介质，对于岩 体与煤体内设置不同的渗流参数. 在设定的计算区域 内， 流体的密度不变， 空气渗流符合 Darcy 定律. 空气 中的氧与煤发生化学反应而被消耗，同时产生 CO， CO2等气体. 根据质量守恒定律， 气体消耗量与产生量 相等，使得空气质量不发生变化. 空气中各组分按照 Fick 定律从浓度高处向低处扩散[4-12]. 由于煤自燃过程 非常缓慢， 可以认为， 在正常生产中， 深井伪俯斜综放 采空区的渗流、 扩散及化学反应是稳态过程， 不考虑 能量方程. 得到如下控制方程[8-11] 鄣 鄣x kx鄣H 鄣x 鄣鄣 鄣 鄣y ky鄣H 鄣x 鄣鄣 鄣 鄣z kz鄣H 鄣z 鄣鄣0， Q 軓x-k μ Δ H， Q 軓 xdC dx Q 軓 ydC dy Q 軓 zdC dz Dxd 2C dx2 Dyd 2C dy2 Dzd 2C dz2 -VT 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓 軓軓 軓 . （1 ） 式中， x， y， z 分别为轴坐标； Q 軓x， Q軓y， Q軓z 分别为 x， y， z 轴 方向上的漏风强度分量； H 为压力， Pa； k 为绝对渗透 率， 根据实验， 煤层中 k1.3510-5m2， 岩体中 k 1.00 10-5m2； μ 为 空 气 粘 性 系 数 ， 取 常 温 下 μ 1.789 410-5kg / （m s ） ； D 为氧气在煤体中的扩散系 数， D2.8810-5m2/s.V （T ） 为煤的耗氧速度， 根据自然 发火实验结果[13]， 星村矿煤样在 30 ℃下的新鲜风流中 的耗氧速度为 4.010-5kg/ （cm3 s ） .在临界温度 80 ℃ 下， 其耗氧速度约为 4.610-4kg/ （cm3 s ） . 18 3.2边界条件及数值求解网格划分 所求解问题边界条件为 采空区进风、 回风侧氧浓 度及压力通过现场观测可以得出，由数值线性插值确 定， 其中 103 面回风侧氧浓度 C （- 0.003 8x2- 0.010 1x 19.965 ） /100； 103 面进风侧氧浓度 C （- 0.000 03x2- 0.356 7x21.892 ） /100.渗透系数 f （y ） 0.667； 空隙率 f0.2.定解条件 ① dC dτ 0； ②Q 軓0. 计算区域为斜六面体，浮煤中网格在 x， y， z 方 向的步长为 0.5 m， 岩石中网格在 x， y， z 方向的步长 为 1.0 m. 4数值模拟结果 根据上述数学模型，利用 FLUENT 模拟软件进 行求解， 可得到各节点压力大小和氧浓度大小， 模拟 了不同风量状况下的采空区压力和氧浓度分布状 况. 图 2 图 7 所示是 103 综放工作面风量为 600 m3/min， 800 m3/min， 1 200 m3/min 时采空区压力和氧 浓度分布状况. 从图 2、图 3 可以看出，工作面的风量为 600 m3/min 时， 压力最大可达到 108 000 Pa， 沿着 y 轴的方 向逐渐减小， 到采空区内部最小为 60 900 Pa， 距工作 面大于 120 m后，采空区压力基本相等，成为等压区 域； 在回风巷隅角氧浓度最大， 进风隅角氧浓度比回 风隅角小， 在距工作面距离大于 100 m左右时， 进风巷 的氧浓度很小. 从图 4、图 5 可以看出，在工作面的风量为 800 m3/min 时， 距工作面距离大约 90 m的范围内其压力较 大， 进风巷的 180 m 处最小， 压力分布基本均衡. 氧浓 度分布与压力分布类似， 除进风巷入口处较高， 距工 作面距离大于 100 m较小外，采空区内部其余地方压 力变化梯度较小. 从图 6、 图 7 可以看出， 在工作面的风量为 1 200 m3/min 时， 采空区的压力和氧浓度分布变化较大.除回 风巷距工作面 180 m位置压力较小外，整个采空区的 压力都较大， 同时整个采空区的氧浓度也较高， 并且 2.04e- 01 1.94e- 01 1.84e- 01 1.74e- 01 1.63e- 01 1.53e- 01 1.43e- 01 1.33e- 01 1.23e- 01 1.12e- 01 1.02e- 01 9.20e- 02 8.18e- 02 7.16e- 02 6.14e- 02 5.11e- 02 4.09e- 02 3.07e- 02 2.05e- 02 1.03e- 02 1.00e- 04 z y x z y 1.08e05 1.03e05 9.74e04 9.20e04 8.67e04 8.13e04 7.59e04 7.05e04 6.51e04 5.98e04 5.44e04 4.90e04 4.36e04 3.83e04 3.89e04 2.75e04 2.21e04 1.67e04 1.14e04 5.99e03 6.09e02x 图 2风量为 600 m3/min 时的静压力等值线图 Fig.2 Isoline ofstatic pressure as600 m3/min ofair quantity 图 3风量为 600 m3/min 时的氧浓度等值线图 Fig.3 Isoline ofoxygen concentration as600 m3/min ofair quantity z y x 1.09e05 1.07e05 1.04e05 1.02e05 9.96e04 9.72e04 9.48e04 9.23e04 8.99e04 8.75e04 8.51e04 8.27e04 8.02e04 7.78e04 7.54e04 7.30e04 7.06e04 6.82e04 6.57e04 6.33e04 6.09e04 图 4风量为 800 m3/min 时的静压力等值线图 Fig.4 Isoline ofstatic pressure as800 m3/min ofair quantity z y x 2.04e- 01 1.94e- 01 1.84e- 01 1.74e- 01 1.63e- 01 1.53e- 01 1.43e- 01 1.33e- 01 1.23e- 01 1.12e- 01 1.02e- 01 9.20e- 02 8.18e- 02 7.16e- 02 6.14e- 02 5.11e- 02 4.09e- 02 3.07e- 02 2.05e- 02 1.03e- 02 1.00e- 04 图 5风量为 800 m3/min 时的氧浓度等值线图 Fig.5 Isoline ofoxygen concentration as800 m3/min ofair quantity 19 进、 回风巷整个巷道的氧浓度最大. 综 合 比 较 风 量 为 600 m3/min，800 m3/min， 1 200 m3/min 时压力和氧浓度分布可以看出 在工作面 风量为 1 200 m3/min 时，工作面和进风端头的压力较 大， 使采空区的氧浓度分布范围广， 两道的氧浓度分 布较高， 氧化升温带较长， 几乎不存在窒息带， 不利于 采空区的防火； 在工作面风量为 600 m3/min 时， 工作面 和进风端头的压力相对采空区的自然压力较小， 导致 采空区内部的有毒有害气体向工作面溢出， 危害工作 面的安全生产； 在工作面风量为 800 m3/min 时， 工作面 和进风端头的压力和采空区高差产生的自然压力大 致均衡，既可以抑制采空区的有毒有害气体的溢出， 又可以控制采空区的氧浓度分布在合理的范围内， 有 效的控制采空区遗煤自然发火.因此， 工作面风量确定 为 800 m3/min 时比较合理、 有效. 通过星村矿 103 工作面的生产实际情况表明， 工 作面切眼于 2005 年 10 月 26 日贯通， 2006 年 2 月 19 日开始回采， 7 月 17 日夜班起停止放顶煤，在工作面 的生产过程中， 800 m3/min 的工作面风量是合适的， 保 障了工作面的安全生产. 5结论 结合星村矿 103 工作面的实际情况， 通过现场观 测，建立了采空区漏风数学模型和自然发火预测模 型， 对其漏风规律进行数值模拟， 得出了深井伪俯斜 综放采空区的漏风规律. 结果表明 1 ） 风量过小时， 由于自然风压的作用， 风流在采 空区产生内部循环，导致采空区有害气体涌入工作 面， 回风隅角氧浓度最大， 自燃危险性增大. 2 ） 风量过大时， 漏风范围增大， 整个采空区压力 较大， 氧浓度较高， 进风侧采空区自燃危险区域增大. 3） 风量合适 （800 m3/min） 时， 使得工作面和进风 端头的压力和采空区高差产生的自然压力大致均 衡， 既抑制了采空区的有毒有害气体的溢出， 又控 制了采空区氧浓度分布， 缩小了采空区浮煤自燃危 险区域的范围. 通过研究表明， 合适的配风量对有效减少和控制 向采空区的漏风有重要的作用， 有效的保障了山东星 村煤矿 103 工作面的安全生产. 参考文献 [1]马砺， 杨子祥， 刘玉斌. 深井伪俯斜综放面自燃火灾防治技术研究 [C]// 第 3 届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集.北京 煤炭 工业出版社， 2008. 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Numerical simulation of air- leakage law in goaf of top- coal caving with false dip in deep coalmine MALi1， 2， XIAOYang1， 2， WENHu1， 2， JIAHaibin3 （1.College ofEnergyScience Engineering， Xian UniversityofScience Technology， Xian 710054， China； 2.KeyLaboratoryofWestern Mine Exploitation and Hazard Prevention MinistryofEducation， Xian 710054， China； 3.ShandongTian coal Co.， Ltd， Qufu 272100， China ） Abstract As increasing the mining depth in coalmine，the series calamities are happened by more and more strengthening mining strength and rising ground temperature. The difficulty of preventing and extinguishing technology of spontaneous combustion in goaf of top- coal caving with false dip in deep coalmine was analyzed，the air- leakage characteristic in goaf of top- coal caving with false dip in thick seam was studied. By observing in situ in goaf of 103 fully mechanized top- coal caving face in Xingcun coalmine，it set up the mathematical model of air- leakage in goaf and forecasting model of spontaneous combustion in goaf of top- coal caving with false dip in deep coalmine，numerical simulates of lawof the air- leakage were proceedad，confirms the fitness air quantity for 103 working face was confirmed， and approximately poises were obtained between the pressure of working face，intake air tip and drop in level of goaf bringing natural pressure. It effectively reduces and controls the air- leakage as to the goaf，and prevents the spontaneous combustion in goafoftop- coal cavingwith false dip in deep coalmine. Key words deep coalmine； false dip； goaf of top- coal caving； air- leakage law； numerical simulation； spontaneous combustion 21