高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究.pdf

安全 Sa fety 随着工作面供风量的增加，采空区散热带、氧化升温带、窒息带整体向采空区深部移动，且氧 化升温带的范围呈现扩大趋势％研究结果对类似郑州矿区二1煤层的矿 火具有重要指导 意义。 【关键词】煤自燃三带；COMSOL Mu ltiphys ic s模拟；氧气浓度场；采空区；高地温 中图分类号X936 TD752.2 文献标识码A 文章编号1002-3631 202008-0043-05 Study on tUe “Three Zones“ Division of Coal Spontaneous Combustion in Goaf of High Ground Temperaturr Mine QIN Junbin1 FAN Tao2 LI Quangui2 LI YanzZao2 ZHENG Qiang2 1. Hena n P r o v inc e Thr ee So ft Co a l Sea m Mining Eng ineer ing Tec hno lo g y Res ea c h Centr e, Zheng zho u Hena n 450007, China； 2. Hena n Xinzheng Co a l a nd Elec thc ity Co . , Ltd. , Xinzheng Hena n 451100, China Absrracr In o edeeto g ea s p thela w o fs po nta neo u s c o mbu s tio n in theg o a fo f I1 c o a ls ea m in Zha o iia zha i Co a lMine, the 12205 w o ek ing fa c eo fI1 c o a ls ea m in Zha o iia zha iCo a lMinew a s to o k a s theees ea ec h o b- iec t, a nd theeeees ea ec h metho ds s u c h a s o n-s itetes ting, theo eetic a lees ea ec h a nd nu meeic a ls imu la tio n ee- s ea ec h w eeeu s ed.Theo x yg en c o nc entea tio n field in theg o a fo fthec o a lmining fa c eu ndeedifeeenta iein- ta k es w a s s tu died, a nd the ” thr ee zo nes “ o f s po nta neo u s c o mbu s tio n in the g o a f w er e div ided. The r es u lts s ho w ed tha t 0 〜 6m in the o pening eye o n the r etu r n s ide o f the w o r k ing fa c t w a s the hea t dig ipk io n zo ne, 6 〜26m w a s the o x ida tio n hea ting zo ne, mo r e tha n 26m w a s the s u ffo c a tio n zo ne, a nd the w idth o f the o x i da tio n hea ting zo ne w a 720m； tha tw ith theinc eea 7eo fthea ie7u pply o n thew o ek ing fa c e, thehea tdi7ipa - tio n zo ne, theo x ida tio n hea ting zo nea nd the7u fo c a tio n zo neo ftheg o a fa 7a w ho lemo v ed to thedeep o f theg o a f, a nd theea ng eo ftheo x ida tio n hea ting zo nepee7ented a n ex pa nding teend.Theee7u lto fthe7tu dy ha v eimpo eta ntg u iding 7ig nific a nc efo ethe7po nta neo u 7c o mbu 7tio n o ftheminew hic h i 7imila eto the I1 c o a l7ea m in theZheng zho u mining a eea . 作者简介秦俊宾1970 -，男，河南新郑人，大学本科,工程师，主要从事瓦斯防治工作。E-ma il2622465249qq. c o m DOI10.19737/j. enk i. is s n1002 - 3631.2020. 08. 008 -43 - 专项研究2020年第8期 Keywords thr ee zo nes o f c o a l s po nta neo u s c o mbu s tio n ； COMSOL Mu ltiphys ic s s imu la tio n ； o x yg en c o nc en tr a tio n field； g o a f； hig h g r o u nd temper a tu r e 0引Z 井下发生 燃，一 时具有3个条件［1“4］ 一是煤层本 燃倾向性，而且 层成破碎 态;二是 续供氧 条件;三是 续的 蓄热，而且煤氧 氧化时 。在层本身 燃倾向性的采空区中，采空区遗 氧条件是 工作 ，而且 速度的大 和 的采空区遗 氧 热的环 ， 氧 浓度在一 度 层的 燃氧化 因此，燃“三带”的范围划分 空区 氧气浓度分布来 ，依次划分为散热带、氧化升 温带和 带［5“7］O许多国内外学者均对采空区 燃“三带”开展了试验和 ［1-5］，但很 学者 高地温条 不 燃煤的采空区自燃“三 带”变化规律， 电公司赵家寨煤矿12205工 作面属于12 区，主 山西组二1煤，煤层 为黑色粉状，金刚光泽，半光亮型，煤质松软，强度 ，的 发 为152d，属于皿类不易 燃煤，而且井下地温较高，风温 28Oo由 工作面的高地温现象， 发 会一定程度 缩短，且工作面的配 需增大，会 成 i ，空区 燃危险范围增大。在生产 中, 赵家寨煤矿发生 燃现象。为了掌握赵家寨 煤矿二1煤层采空区 发 ，本以赵家寨 矿二1煤层12205工作面为 对象, 现 试、理论 和数值模 的方 法，对不 情况 工作 空区的氧气 浓度 ，并划分 空区 燃“三带”。 1方案和模型 1.1测试方案 共布置10个测点在12205工作面，测点间距为 20m,每个测点均为一个束管气体监 。乡 径5c m钢管对束管 保护。回 共布置5 个测点，布 在沿回 外帮, 200m；进 布置5个 ，布置在 外帮， 300mo 对比分析多组数据，采取 布 ， 1、2 区 空 采 图1 12205 T作面采空区自燃三带（ （测点布置 案示意图 Fig . 1 Sc hema tic dia yr a m o f the la yo u t pla n o f the “thr ee zo nes “ mea s u r ing po int fo r s po nta neo u s c o mbu s tio n ix the g o c O o f the 12205 w o r k ing fa c e 采空区 工作面 m m 00 00 3 3 m m 60 60 2 2 6号束管 7号束管8号束管9号束管 运输巷内壁 抽气口检测端 图2束管连接侧面示意图 Fig . 2 Sc hema tic dia yr a m o f the s ide o f the bea m tu be c o nnec tio n 1.2数学与物理模型的建立 论研究，应首先划分研究范围,基本假设包括漏风 1.2.1 设 速与 的 关 本服 把物理 因为本文仅对特殊条件下煤自燃问题开展理 及数学模型简化成二维模型;且在 局 本达 ・44・高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究 2020年第8期专项研究 到热平衡， 固温度维持一致。 1.2.2 数学模型 根据上述假设，采空区传热传质的数学模型可 简化为[2,5] W0 -“ppg -gpT-T pC， PD，2“Co2 -1 T PwhWeCwhWc-K P 6x 卩2 VAwh01e“T 1 - R Cw ho Oe 6x 1 Ccco1 .“awiWc p温度T时的气体密度,k g /m3; T和T分x为自燃升温 温度,g 温度为T时的气体密度‘k g /m3; 一松散煤体渗透率，按照Ca r men-Ko zeny关 系， 一書，为孑L隙率，Dp 为煤 150 1 一 体颗粒粒径，这里取40mm; “一空气动力粘度，取1 .7894 x10“P a - s； Io2 质内氧气扩散系数，按照空气中 的扩散系数与孔隙度进行换算,m2//; 6x和6o分别对应空气与 的热容，J/ k g - K; 和“c o空气及 热系数,W/m - K; Cwho te和“w ho le一 的等效热容和等效导热 ; Co2 氧气质量分数； 卩皿一煤堆密度,k g /m3; 孔隙度； 1 一煤堆消耗氧气能力,k g /m3 * s; R放热强度,W/m3。 1.2.3 物理模型及边界条件 依据 现 ，利用COMSOL Mu C tiphys ic s t 12205工作 值模拟二维模 型，共分4部分，工作面长205m,平均宽约7.2m; 为速度 ，处于工作 ，风速 1.41m/s,进风巷为宽5. 2m;回风巷设为自由流出 口，宽5.0m; ，经过工作面和采空 区到回 出，温度设为302K,工作 道与采 空区 ， 全设置成固体面,工作面 氧气浓度约为21,出 为76.4P -,如 3 /回风巷 210 180 160 140 120 一作面 100 采空区 80 60 40 20 0碍风巷， 015 30 45 60 75 90 105 120 采空区长度/m 图3采空区物理模型 Fig . 3 Go o f phys ic a l mo del 2结果及分析 22现场测试结果及分析现场测试结果及分析 对束管采集气体 分析，得到进回 风巷和采空区氧气浓度随工作 化的情况， 如图4。 1 12205工作面回风隅角氧气浓度大约在 20.96,且距采空区12. 8m时氧气浓度降低到 14.64,随着回采工作的进行， 分区域受邻近 空区及巷道 响，氧 浓度 高以外， 氧气浓度总体呈下降的趋势， 空区约 28m处，氧 浓度下降到8.0 。 2 12205工作 大，且工矿压较 大， 墙两侧 ，直 空区40叫氧 浓度首次降到16.75；随 继续进入至64m, 氧气浓度降到9.79,而 空区68m以后，氧气 浓度下降到6.87及以下。其中在采空区 10m 时,氧气浓度降到18以下,随着工作面 推进，空区氧气浓度又逐渐升高，说此次 高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究-45 - 专项研究2020年第8期 有误， ，分 据时可以排除 枣響 r l w r l w 回 采空采空区正常通风风速正常通风风速1.41 m/s，风量，风量976m3/min 情况下的模 ， ， 6 210 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0□ 20 18 16 14 12 10 8 6 4 0 15 30 45 60 75 90 105 120 采空区长度/m 图4氧气浓度随进入采空区深 化曲 Fia，4 Ox yyen c o nc entr a tio n c u r v eu nder differ ent depth o f g o a f 3 12205工作面进风侧氧气浓度比回风侧偏 高, ,原因是 大， ，且工作面矿圧大， ， 墙 两侧 ， ，回 空区 串 响， ，向 邻采空区 。 。 2.2数值模拟结果及分析 2.2.1 现状数值模拟 图5为工作 空区圧力等值线图。出入口 为76.4P a, , 值 成多次分布, ,符合实 际情况， ，说明参 本合理。 。 0 15 30 45 60 75 90 105 120 采空区长度/m 图5工作面采空区压力等 Fia，5 P r es s u r a c o nto u r o feo a f in w o r k ine fa c e 图6采空区氧浓度分布图 Fia，6 Ox yyen c o nc entr a tio n dis tr ibu tio n ineo a f 据模拟结果发现， ， 侧空区氧气浓 度明显要高于回风侧， ，分别以氧浓度18. 0和 8.0， ，为热带和氧化升温带、 、氧化升温带和窒 息带的分 ， ，在 侧0〜33m为散热带， ，33〜 71m 为氧化 温带， ， 大 71m 为 带， ， 氧化 温 带宽度为38m； ；回 侧0〜6m为散热带， ，6 - 26m 为氧化 温带， ， 大 26m 为 带， ， 氧化 温带 度为20m； ；在 空区中部， ，0〜38m为散热带， ，38〜 80m为氧化升温带， ，大 80m为 带， ，氧化升 温带宽度为42m， ，见 1。。模 与现 试 本吻合，说明模拟参数设 本 ♦实际 情况。 。 表1风量为976m3/min采空区自燃“三带”分布 风速 1.41m/s Ta b. 1 Spo nta neo u s c o mbu s tio n “ thr ee zo nes “ dis tr ibu tio n w ith a io v o lu me o f 976 m3/min a nd w ind s peed o f 1.41m/s 带 位八、 散热带 m 氧化升 温带m 窒息带 m 氧化升温带最 大宽度m 进风侧7138 中部8042 回风侧2620 2.2.2 风量对自燃“三带影响 为分 对采空区自燃“三燃“三带””的影响，更好 的指 家寨煤矿生产 中的防 工作，论 以该模型为 ，在 配 的 ，适当扩 大和缩 给，模分析现 配 中 可能出现的具有代表性的风量值500m3/min， 740m3/min，1400m3/min条件下采空区氧气浓度分 布情况， 7 -9，见2 ・46・高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究 2020年第8期专项研究 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 1 8 6 4 2 0 8 6 4 2 1 8 6 4 2 0 8 6 4 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 屯鰹 * B B 世 H H 米空区长度/m 图7 风量为500m3/min（风速0.72 m/s）时采空区氧 浓分图 Fig . 7 Ox yyen c o nc entr a tio n dis tr ibu tio n dia yr a m in g o a f w ith a - v o lu me o f 500m3/min a nd w ind s peed o f 0. 72m/s 2 2 龟阳 M M 半 H H 210 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 采空区长度/m 图8 风量为740m3/min （风速1.07m/s）时 采空区氧浓 分 图 Fig . 8 Ox yyen c o nc entr a tio n dis tr ibu tio n in the g o a f w ith a ir v o lu me o f 740m3/min a nd w ind s peed o f 1.07 m/s O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O O 1 8 6 4 2 0 8 6 4 2 1 8 6 4 2 0 8 6 4 2 2 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 屯鰹阳 M e H M e H 口 0 8 6 4 2 0 0 8 6 4 2 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 0 图 米空区长度/m 9 风量为1400m3/min（风速2 .03m/s）时采空区氧 浓度分布图 Fig . 9 Ox yyen c o nc entr a tio n dis tr ibu tio n in theeo a O w ith a ir v o lu me o f 1400m3/min a nd w ind s peed o f 2. 03m/s 表2风量变化对采空区自燃三带”影响 Ta b. 2 Influ enc e o f a ir v o lu me c ha ng e o n s po nta neo u s c o mbu s tio n “thr ee zo nes “ ing o a f 风量 （m3/ min） 位置 散热带 m 氧化升 温带 m 带 （ m） 氧化 温带 最大宽度 m 500 进风侧5226 中部6535 回风侧1511 740 进风侧6032 中部8038 回风侧2114 1400 进风侧8949 中部7840 回风侧4329 根据数值模拟结果，可以清晰的看出，采空区 燃“ “三带” ”的范围和工作 、采空区 关; ;随着工作 的增加，采空区散热带、 、 氧化升温带以及 带整体向采空区 ， ，且 氧化升温带的范围， ， 空区自燃危险区域范围呈 现扩大趋势; ;当工作 ，采空区散热带、 、氧 化升温带以及 带整体向工作 近 ， ，且氧 化升温带的范围逐渐缩小。 。 3结论 1 通过对采空区氧气浓度和压力场进行数 据模拟， ，并将模拟的氧气浓度与现 对 比， ，发现 不大， ，说模 比 F合 现场。 。 2 采空区最大自燃宽度为42m， ，且在进风巷、 回风巷和采空区中部各不相同，呈现中部〉进风巷〉 回 的 。 。 3 不 的模 ，可以出随 着工作 的 ，采空区散热带、 、氧化升温 带以及 带整体向采空区 ， ，氧化升温带 的范围增大， ，为保证安全生产， ，应控制向工作面的 4 高温和 会 空区自燃“三带” ” 向 空区 ， ， 且随着工作 回 的 ， ， 空区“三带” ”范围也随 。 。 下转52页 高地温矿井采空区煤自燃“三带”划分研究・47・ 专项研究2020年第8期 安全 或 的设备、安 中造成的 性缺陷， 设 按法定 ,按安全管理相关 、维 设备 4结论 本文通过对历年数据的统计和分析， 显示 型私营矿山山安全 及其危险性均高于大 中型矿山山，其主要原因是设备本质安全性不高，设 管理 及技 技 ，甚甚没 门 设备管理;安全管理责任制、管理制度不 健全;设 不到保养,井空气质 矿山提升设 在的安全 显高于其他设备, 其主要原因是 设 率高、负载重、自动 化程度高。 矿山山企业应 高工作 技术水平和专 、 全设备管理制度、不 化矿山机 电设备维护管理技术、规范设 管理 ， 进一 高机电设 的安全性与 性。加 强设备安 监督,确保不 。加强 设 备的日常管理，规范 、日检、 度。 监管 应加强对法 活动的监管，督 企业按 ，同时要防 质量不合 格，甚出现 。 参考文献 [1] AQ 2020 -2008,金属非金属矿山在用缠绕式提升机安全检测检验规范S]. 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