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综采工作面采空区漏风流场与危险区域分布规律研究
摘要：针对南屯煤矿93_下21小煤柱沿空开采过程中，采空区漏风大、煤自燃风险高的难题，采用数值模拟方法研究综采工作面采空区漏风流场与危险区域分布规律。得出如下结论：随着埋深的增加，氧气浓度不断下降，渗流进入采空区初期下降缓慢，后期下降迅速。93_下21综采工作面渗流方向同工作面进风方向相同，自进风巷至回风巷，故氧气浓度在进风侧更高。采空区内氧气浓度同距工作面的距离呈反比，且在遗煤附近下降较快。采空区内渗流速度在20～25 m内，呈现两侧较中部低的趋势，而当距工作面距离更远时，采空区中部相对采空区两侧更高。增加风量使采空区内的氧化升温带会向更深处扩展且变宽，进而增加采空区中遗留煤的煤自燃危险性。确定了93_下21综采工作面采空区煤自燃危险区域分布特征，计算得到了93_下21综采工作面预防煤自燃最小安全推进速度，为工作面煤自燃风险有效预防提供基础依据。
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在“碳达峰､碳中和”的战略目标牵引下,能源转型过程中亟需确保能源安全[1]｡而煤炭作为我国使用居于首位的一次性能源,其在我国具有重要的经济和战略地位[2-3]｡因此,保证矿井安全生产就成了当下一个核心问题,这不仅是实现“碳达峰､碳中和”的战略目标下绿色低碳发展的需求[4],更是有关保护人民生命､财产安全的需要｡据统计,在我国现在生产的煤矿当中,易发生煤自燃煤层占比58.2%[5],因煤自燃造成的煤炭损失高达442万t/a｡现发生矿井火灾中,由煤自然发火引起的事故占总数的85%~90%,且其中有60%以上都是矿井采空区发生的火灾[6]｡因此学者对采空区煤自燃进行了研究｡张九零等[7],朱立成等[8]采用FLUENT对采空区“三带”分布规律进行研究｡江莉娟等[9],侯家琛等[10]在“三带”研究基础上着重对采空区漏风规律进行研究,也有部分学者[11-12]采用数值模拟手段对采空区危险区域进行预测研究｡除数值模拟外,有些学者则通过实验测试方法,例如氧化升温等,研究煤自燃危险区域及“三带”分布[13-14]｡除上述方法之外,当前还有理论分析后,通过现场观测[15-16]对采空区危险区域进行划分等方法｡
预防矿井采空区煤自燃的发生,掌握采空区内漏风规律及危险区域分布规律就是关键｡采空区存在漏风是遗煤自燃的必要条件,因此,本文基于现实南屯煤矿93下21工作面数据,采用COMSOLMultiphysics5.6搭建物理模型,探究一次采全高采空区漏风流场与危险区域分布规律,为一次采全高采空区实现煤自燃靶向防治和高效预控提供理论依据｡
1、工作面概况
九采区93下21工作面位于南屯煤矿九采三分区西南部,西北侧与93上14下顺相邻;东北侧与93上14､93上12､93上10工作面采空区相邻｡掘进过程中将与西翼煤层下山､93上10上､下顺､93上12上､下顺､93上14上顺等老巷贯通,煤厚5.09m,含黄铁矿星点,联络巷较多,煤层属自燃煤层,具有弱冲击倾向性｡93上21切眼1的中下部分,存在1个老巷和三分区轨道联通,现在未进行封闭,在工作面开采之后可能成为93上21采空区的1个漏风源｡煤层属Ⅱ类自燃煤层,自然发火期58d,有煤尘爆炸危险,爆炸指数35.38%,工作面无地热危害,地温24℃~26℃,地应力不明显,弱冲击地压危险｡
本次模拟开采的工作面为93下21工作面,倾向长度91.6~190.5m,平均147.6m,走向长度573m,平均采高3.24m,采用倾斜长壁综合机械化一次采全高全部垮落采煤法,工作面采用负压通风,风量1134m3/min｡
2、采空区数值模拟
2.1构建模型
利用COMSOLMultiphysics5.6软件建立南屯煤矿93下21综采工作面物理模型,将工作面､进风巷和回风巷以及采空区设计为矩形断面,采空区走向长200m,倾斜长147m,高度20m,巷道宽5.5m,高3.6m｡对模拟进行网格划分,进风侧的风流速度2.1m/s,网格的最小单元质量0.08035,平均单元质量0.677,曲率因子0.3,最终网格个数166157,如图1所示｡
图193下21综采工作面物理模型图
2.2关键参数确定
(1)采空区渗流参数
基于采空区冒落特征､参考文献[17]~文献[20]及经验公式,构建采空区内孔隙率
为了进一步描述煤柱的渗流变换,构建煤柱内孔隙率
已回采完毕的采空区区段,则由于已压实,视孔隙率不变为0.15｡因此模拟采空区孔隙率空间分布,如图2所示｡
图2孔隙率空间分布变化图
由图2可以看出,回采工作面采空区孔隙率分布大致为两侧高,中间低,在进风和回风处的孔隙率最大,达到0.60,由进风侧和回风侧沿深度方向和中部方向孔隙率逐渐减小,工作面中点孔隙率大致为0.30;采空区深部孔隙率在0.15以下;煤柱内的孔隙率大致呈对称分布两侧,由于压酥严重孔隙率值大致为0.20,中部较低,最低处为0.10;上一区段采空区孔隙率为0.15｡
模拟采空区渗透率空间分布,如图3所示｡
图3渗透率空间分布图
由图3可以看出,模拟区域渗透率与孔隙率的分布大致呈相同趋势,在进风口和回风口处最大,达到5.778×10-7m2,同时向深部和工作面中部渗透率逐渐变小,采空区深部渗透率极低｡这与孔隙率和采空区冒落特征呈现“O”形圈特征相吻合｡相应煤柱内渗透率在10-8m2级别,上一区段采空区渗透率为3.6×10-8m2｡
(2)煤自燃耗氧与放热强度
本次模拟中,选用的耗氧速率和放热强度为相关实验测试的结果,直接利用数据代入模型进行计算,得出对应的模拟结果｡
3、结果与讨论
3.1采空区漏风流场
采空区发生煤自燃诱因往往多为采空区发生漏风｡一些采空区受采掘方案影响形成贯通裂隙,且各采空区间距离近,造成大采空区漏风规律复杂｡欲做到实现采空区煤自燃超前治理,实现煤自燃早期预防及危险区域预判,就需要科学准确地掌握采空区漏风流场规律｡在本模型中,在不考虑邻近采空区漏风的条件下,模拟得到93下21综采工作面采空区漏风流场,其漏风流场分布规律,如图4所示｡
图4大采空区漏风流场分布图
93下21综采工作面的漏风渗流基本上是从进风巷向回风巷方向渗流,进､回风巷两侧煤帮内渗流较小｡从图4可以看出,在距工作面20~25m内,采空区漏风渗流速度在两道比较高､中部较低｡随深入采空区距离增加,漏风渗流逐渐转向,采空区中部漏风渗流逐渐升高,在更深的区域,渗流速度在采空区中间位置比较高,这导致氧气从进风侧进入采空区,在采空区内部呈“U”形分布到达回风侧｡
3.2采空区氧气浓度场
模拟得出93下21综采工作面的氧气浓度分布,如图5所示｡
图593下21综采工作面采空区氧气浓度分布图
现分析采空区煤自燃“三带”有3种常用指标,本文采用最普遍的氧气浓度划分方法｡根据数值模拟结果图5可知,南屯煤矿九采区93下21综采工作面模拟的整个采空区内部氧气浓度呈条纹状分布,工作面进风侧和回风侧O2浓度随工作面距离发生变化,从整体上看,采空区距工作面越远,O2浓度越小,并且明显可以看出,进风巷氧气浓度下降速度慢于回风巷｡由于进风巷受新鲜风流的影响,在靠近工作面处,O2浓度一直稳定在18%以上,在远离工作面处,氧化反应剧烈,氧气浓度下降较快,这是因为进入采空区越深,采空区顶板相继垮落,采空区逐渐被压实｡而回风巷在靠近工作面处,氧气浓度稳定在18%,在距离工作面更远处,O2浓度从18%逐渐下降,因为受采空区漏风情况的影响,进入回风巷的新鲜风流较少,导致一开始氧气浓度较低｡从图4可知,氧气从进风侧进入采空区,在采空区内部呈“U”形分布通过回风侧｡
3.3采空区温度部分规律
模拟了93下21综采工作面正常推采过程中,采空区遗煤自燃蓄热导致的采空区温度变化,通过数值模拟得到采空区温度和采空区光纤测温数据分布,如图6所示｡
图6采空区温度场图
由图6可得,采空区高温区域的分布特征大致形成于靠近进风侧,高温区域形成位于采空区深部70~120m内｡受漏风流场影响,温度场逐渐蔓延至氧气充足处｡由温度场分布可知,应着重关注采空区进风侧60~240m区域｡采空区遗煤主要集中在两道,其工作面设计回采速度为5.6m/d,采空区遗煤在氧化带范围内滞留时间短,遗煤氧化蓄热时间较短｡因此,没有出现明显的温度异常,模拟得到采空区内最高温度为36℃｡因此,在工作面保持正常5.6m/d的推进速度时,若未出现地质构造影响,在采用煤自燃预防措施的基础上,采空区出现煤自燃隐患的风险较小｡
3.4风量对采空区氧气浓度分布的影响
在原有模型基础上改变不同的通风量,以探讨不同通风量对采空区氧浓度分布的影响,如图7所示｡
图7不同通风量时采空区氧浓度场分布图
从图7可以看出,通风量越大,则达到下限氧浓度的区域距工作面就越远｡如当Qf=800m3/min时,距工作面38m氧气浓度就达到了7%;而当Qf=1800m3/min时,距工作面80m氧气浓度达到了7%｡值得注意的是,随着通风量的增加,工作面渗流速度加快,但在工作面垂直方向上变化量效果不佳｡由模拟可知,4种通风量下散热带出现的地点较标准通风量1200m3/min相比,往往分别向外和向内扩散5~10m｡
3.5采空区煤自燃危险区域划分
(1)危险区域分布
通过现场监测到的数据结合数值模拟结果,分析出93下21工作面采空区煤自燃“三带”分布范围,进而确定危险区域,如图8､表1所示｡
图893下21综采工作面Z=1平面采空区煤自燃“三带”分布图
表193下21工作面采空区“三带”划分表
(2)预防煤自燃最小安全推进速度
南屯煤矿3下煤层煤样最短自然发火期58d,结合93下21工作面氧化升温带的范围,确定工作面最小推进速度
通过按照式(4)计算可得93下21工作面预防煤自燃最小安全推进速度为1.55m/d｡工作面设计回采速度为5.6m/d,在工作面没有遇到断层等地质构造的情况下,导致工作面推进速度显著降低的情况下,同时采取正常的防灭火措施的基础上,93下21工作面采空区煤自然发火风险较小｡
4、结语
(1)93下21综采工作面渗流方向同工作面进风方向相同,自进风巷至回风巷,故氧气浓度在进风侧更高｡采空区内氧气浓度同距工作面的距离呈反比,且在遗煤附近下降较快｡在距工作面80m左右时,进风侧氧浓度降到7%左右｡
(2)采空区内渗流速度在20~25m内呈现两侧较中部低的趋势,而当距工作面距离更远时,采空区中部相对采空区两侧更高｡增加风量使采空区内的氧化升温带会向更深处扩展且变宽,进而增加采空区中遗留煤的煤自燃危险性｡
(3)通过数值模拟结合光纤测温,确定了93下21综采工作面采空区煤自燃危险区域分布特征,进回风侧的氧化升温带范围分别为26~95m和15~42m,确定了93下21综采工作面预防煤自燃最小安全推进速度,为工作面煤自燃风险有效预防提供基础｡
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文章来源:张伟,郑旋.综采工作面采空区漏风流场与危险区域分布规律研究[J].煤炭技术,2025,44(02):143-147.
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期刊名称：煤炭技术
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主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
出版地方：黑龙江
专业分类：煤矿
国际刊号：1008-8725
国内刊号：23-1393/TD
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2025-02-13
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