文 虎，王 文，程小蛟，賈勇鋒，程邦楷，程 明，胡 偉

(1.西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054； 2.教育部西部礦井開采及災(zāi)害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.淮南礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232001； 4.安徽省水利水電勘測設(shè)計院，安徽 合肥 230022)

礦井瓦斯災(zāi)害、煤自燃災(zāi)害均是煤礦主要災(zāi)害，其中，瓦斯常被稱為礦井生產(chǎn)的“第一殺手”[1-3]。瓦斯抽采易增加采空區(qū)漏風(fēng)進(jìn)而引起浮煤自燃，煤自燃又給瓦斯爆炸提供火源，兩者耦合致災(zāi)給礦井安全生產(chǎn)和井下人員生命安全造成嚴(yán)重威脅[4-5]。同時，瓦斯又是一種清潔、可利用的非常規(guī)資源。瓦斯預(yù)抽作為礦井瓦斯治理與綜合利用的主要手段，對于實現(xiàn)煤與瓦斯安全高效共采、解決我國能源中長期發(fā)展需求問題均具有重大意義[6]。因此，針對瓦斯抽采與煤自燃耦合致災(zāi)規(guī)律研究顯得尤為重要。

針對在瓦斯抽采條件下的采空區(qū)浮煤自燃機(jī)理，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)做了大量研究工作。周福寶[7]通過研究瓦斯與煤自燃共存的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性及致災(zāi)機(jī)理，提出瓦斯與煤自燃耦合致災(zāi)的主要機(jī)理是煤層中的裂隙場、瓦斯?jié)舛葓?、氧氣濃度場和溫度場等“四場”的時空交匯；鄧軍[8]、張辛亥[9]等研究發(fā)現(xiàn)，瓦斯抽采條件下的采空區(qū)氧化帶的范圍隨著抽采管道口向采空區(qū)深入而使氧化帶向回風(fēng)側(cè)增大；陳明河[10]通過數(shù)值模擬對采空區(qū)內(nèi)部的漏風(fēng)流場、煤自燃危險區(qū)域進(jìn)行研究及劃分，提出瓦斯抽采雖能降低采空區(qū)瓦斯?jié)舛燃皽p少瓦斯涌出量，但增大了漏風(fēng)流場向采空區(qū)深部的擴(kuò)散范圍，尤其使煤自燃危險區(qū)域的劃分更具復(fù)雜性。上述研究為瓦斯抽采及煤自燃共存致災(zāi)機(jī)理提供了大量的理論基礎(chǔ)，但針對不同抽采方式、抽采條件下的采空區(qū)煤自燃“三帶”分布規(guī)律及其分布特征的研究較少。鑒于此，筆者以建北礦4204工作面為工程背景，通過FLUENT數(shù)值模擬采空區(qū)流場分布、現(xiàn)場觀測采空區(qū)煤自燃“三帶”分布情況，并對研究結(jié)果進(jìn)行理論分析，對比不抽采條件下的采空區(qū)煤自燃“三帶”的分布特征，討論其對采空區(qū)煤自燃危險性的影響，最后提出針對性的防滅火措施，以期為制訂不同瓦斯抽采條件下的采空區(qū)煤自燃防治技術(shù)方案提供科學(xué)依據(jù)。

1 瓦斯抽采漏風(fēng)機(jī)理

采空區(qū)“三帶”即為采空區(qū)散熱帶、氧化帶、窒息帶[11]。在抽采負(fù)壓條件下管道內(nèi)的靜壓比附近煤層的靜壓要小，從而在抽采管道與煤層之間形成壓力梯度，促使游離態(tài)瓦斯更容易被抽出。但在抽采負(fù)壓條件下，由于抽采使得煤層相對于外界處于負(fù)壓狀態(tài)，煤層與外界會再次形成壓差，外部空氣便會在大氣壓力梯度的作用下通過管道由局部煤體裂隙進(jìn)入煤層，這些空氣一部分會被再次抽出，另一部分會進(jìn)入采空區(qū)形成漏風(fēng)源。埋管抽采采空區(qū)局部漏風(fēng)機(jī)理如圖1所示。

圖1 埋管抽采采空區(qū)漏風(fēng)機(jī)理示意圖

2 采空區(qū)氧濃度場數(shù)值模擬

2.1 工作面概況

建北礦4204工作面位于陜西省延安市，所采煤層屬于黃隴煤田。礦井東西長約10.5 km，南北寬約6.4 km，井田面積約41.9 km2。4204工作面北界為4206工作面，南界為4208工作面，東界為42盤區(qū)邊界，西界為42盤區(qū)輔運大巷保護(hù)煤柱。隨著煤層及瓦斯賦存條件變化，4204工作面煤層瓦斯涌出量逐漸進(jìn)入“相對瓦斯涌出量0.6 m3/t、最大相對瓦斯涌出量1.42 m3/t”區(qū)域，為確保該階段工作面正?；夭桑枰獙υ摴ぷ髅娌煽諈^(qū)進(jìn)行瓦斯抽采。工作面具體參數(shù)見表1。

表1 建北礦4204工作面參數(shù)

2.2 采空區(qū)擴(kuò)散數(shù)學(xué)模型

煤是一種天然的多孔介質(zhì)[12]。影響采空區(qū)瓦斯?jié)舛扰c煤自燃的因素較多，為了簡化問題，找出主要研究的矛盾，可對采空區(qū)的滲流模型作出以下基本假設(shè)：①采空區(qū)的氣體為不可壓縮的理想氣體，且其在采空區(qū)內(nèi)的流動均符合滲流規(guī)律；②采空區(qū)堆積的煤體為非均勻多孔介質(zhì)；③采空區(qū)的滲透率和孔隙率為空間函數(shù)，而不是時間函數(shù)；④采空區(qū)的耗氧速率與氧濃度(體積分?jǐn)?shù)，下同)成正比；⑤由于采空區(qū)不同區(qū)域存在的氣體濃度不均勻而導(dǎo)致了氣體擴(kuò)散，擴(kuò)散過程符合Fick定律。

基于以上假設(shè)，在采空區(qū)流場數(shù)值模擬中，流場遵循質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及組分運送方程。

1)質(zhì)量守恒方程

氣體在采空區(qū)的流動符合質(zhì)量守恒定律，其穩(wěn)態(tài)滲流質(zhì)量守恒方程如下：

(1)

式中：φ為多孔介質(zhì)的孔隙率，%；ρ為氣體的密度，kg/m3；t為時間，s；u、v、w分別為x、y、z方向的速度，m/s；q為氣體源(匯)的強(qiáng)度，s-1。

2)動量守恒方程

采空區(qū)流體流動遵守動量守恒定律：

(2)

式中：T為流體溫度，K；v為速度矢量，m/s；p為氣體靜壓力，Pa；τ為黏性應(yīng)力張量；g為重力加速度，m/s2;S為動量源項。

采空區(qū)作為多孔介質(zhì)體，其內(nèi)充滿煤和垮落的巖石，這些都是阻礙氣體流動的重要因素，所以在動量方程中增加消耗源項，動量源項可表示為：

(3)

式中：μ為采空區(qū)氣體的動力黏度，kg/(m·s)；KP為多孔介質(zhì)滲透率，μm2；C2為慣性阻力因子。

式(3)中右側(cè)第一項為在流體介質(zhì)中產(chǎn)生的流體阻力，稱為黏性損失項；右側(cè)第二項為流體的形狀效應(yīng)產(chǎn)生的阻力，稱為慣性損失項。聯(lián)立式(2)和式(3)，可得氣體在多孔介質(zhì)中的動量守恒方程為：

(4)

3)能量守恒方程

采空區(qū)煤自燃過程也遵守能量守恒定律，因此能量守恒方程可表示如下：

(5)

式中：cp為比定壓熱容，J/(kg·K)；k為熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/(m·K)；ST為黏性擴(kuò)散項。

4)組分運送方程

采空區(qū)的混合氣體包含氧氣、氮氣、一氧化碳、二氧化碳、瓦斯氣體等，這些氣體之間存在著質(zhì)的交換。目前，標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型被廣泛應(yīng)用，其中的k方程可表示為：

(6)

標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型中的湍流耗散率ε方程可表示為：

(7)

式中：σk、σε分別為k、ε的對應(yīng)Prandtl數(shù)值；Gk為平均速度引起的湍動能的k項；Gb為浮力引起湍流動能的產(chǎn)生項；Ym為可壓湍流中脈動擴(kuò)張的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε為經(jīng)驗常數(shù)；C3ε為由浮力影響的常數(shù)；Sk、Sε為源項。

2.3 采空區(qū)數(shù)值模擬參數(shù)設(shè)定

2.3.1 物理模型

根據(jù)建北礦4204工作面參數(shù)建立物理模型，模型主體劃分：工作面尺寸為200.0 m×5.0 m×3.5 m，采空區(qū)尺寸為200 m×150 m×50 m，進(jìn)回風(fēng)巷尺寸為5.2 m×15.0 m×3.5 m，中部煤層厚1.5 m，工作面兩巷煤厚為6 m。x軸為工作面方向，z軸為底板向上的方向，y軸為采空區(qū)方向，物理模型圖見圖2。

圖2 建北礦4204工作面物理模型圖

2.3.2 邊界條件

邊界條件的設(shè)置是數(shù)值模擬求解的關(guān)鍵，只有設(shè)定合理的且與實際情況相似的條件，才能計算出精確的流場分布解。因此，本次模擬為了能夠達(dá)到預(yù)期結(jié)果，設(shè)置的邊界條件如表2所示。

表2 模擬過程中涉及到的參數(shù)設(shè)置

2.4 數(shù)值模擬

為研究不同抽采條件下采空區(qū)氧濃度場的分布規(guī)律，本次模擬分別設(shè)定埋管抽采、無抽采及抽采負(fù)壓分別為20、30 kPa 4種模擬條件。

1)埋管抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”模擬。根據(jù)建北礦4204工作面實際情況,建立高位鉆孔與上隅角埋管抽采的物理模型，設(shè)定風(fēng)速為1.2 m/s、鉆場抽采負(fù)壓為30 kPa、上隅角抽采負(fù)壓為10 kPa。取y=0.5 m平面，模擬結(jié)果如圖3所示。

(a)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

2)無抽采條件下采空區(qū)自燃“三帶”模擬。根據(jù)建北礦4204工作面實際情況，建立無抽采條件下的物理模型，其初始條件、邊界條件與有抽采條件下相同。設(shè)定風(fēng)速為1.2 m/s，取y=0.5 m平面，模擬結(jié)果如圖4 所示。

(a)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

3)抽采負(fù)壓條件下采空區(qū)自燃“三帶”模擬。根據(jù)建北礦4204工作面的鉆孔實際布置參數(shù)，模擬鉆孔在抽采負(fù)壓20 kPa與30 kPa條件下采空區(qū)氧氣流場的變化情況。取y=0.5 m平面，模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。

(a)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

(a)氧氣體積分?jǐn)?shù)分布云圖

2.5 模擬結(jié)果分析

選用氧濃度法[13](散熱帶：氧氣體積分?jǐn)?shù)φ(O2)≥18%；氧化帶：8%≤φ(O2)<18%；窒息帶：φ(O2)<8%)對采空區(qū)危險區(qū)域進(jìn)行劃分。將模擬結(jié)果用ANSYS Workbench 處理器CFD-post導(dǎo)出，模擬結(jié)果見表3。

表3 采空區(qū)自燃“三帶”模擬結(jié)果

由表3可知，在不同鉆孔抽采條件下采空區(qū)的自燃“三帶”分布規(guī)律：

1)隨著抽采負(fù)壓增大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)的氧化帶寬度均呈增加趨勢；進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線由26 m逐漸增加到34 m，回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線由24 m逐漸減小到20 m。

2)比較抽采負(fù)壓為20 kPa與30 kPa兩種條件下的模擬結(jié)果，回風(fēng)側(cè)氧化帶分界線從27 m移至26 m，進(jìn)風(fēng)側(cè)氧化帶的寬度也隨之從40 m增大到45 m。

3)隨著抽采負(fù)壓增大，進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的邊界延伸到采空區(qū)內(nèi)部，氧化帶與窒息帶的分界線延伸到深部，氧化帶的寬度增大；回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線向采空區(qū)前方移動，氧化帶與窒息帶之間的分界線前移，氧化帶的寬度變小。

3 現(xiàn)場觀測

3.1 采空區(qū)氧濃度觀測

1)測點布置。在觀測初期，于進(jìn)風(fēng)巷與回風(fēng)巷分別布置3個測點(1#～3#，4#～6#)，在測點位置設(shè)置取樣束管，兩兩間隔50 m，并在束管外部安裝PVC保護(hù)套管與防塵網(wǎng)罩，如圖7所示。隨著工作面的推進(jìn)，各測點依次進(jìn)入采空區(qū)，每天定時采集采空區(qū)氣樣，并利用色譜儀進(jìn)行氣體成分分析，得出采空區(qū)內(nèi)氣體濃度的分布規(guī)律。

圖7 采空區(qū)測點布置示意圖

2)采空區(qū)氧濃度分布情況。采集進(jìn)回風(fēng)巷道兩側(cè)的氣體，分析氧氣體積分?jǐn)?shù)隨工作面推進(jìn)距離的變化情況，繪制其變化曲線，如圖8所示。

圖8 進(jìn)回風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)變化曲線

由圖8可以看出，進(jìn)回風(fēng)兩側(cè)的氧氣體積分?jǐn)?shù)隨著工作面的不斷推進(jìn)將逐漸降低。進(jìn)風(fēng)側(cè)氧氣體積分?jǐn)?shù)在距離工作面80 m處下降到8%，其中，在60 m后氧氣體積分?jǐn)?shù)下降得較快，當(dāng)距離工作面85 m時氧氣體積分?jǐn)?shù)下降到7%左右。在回風(fēng)側(cè)距離工作面19 m處，氧氣體積分?jǐn)?shù)低于18%，之后隨著工作面不斷推進(jìn)氧氣體積分?jǐn)?shù)也迅速下降。將進(jìn)風(fēng)側(cè)、回風(fēng)側(cè)“三帶”觀測數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果顯示現(xiàn)場數(shù)據(jù)與抽采負(fù)壓條件下模擬結(jié)果相近，對比數(shù)據(jù)見表4。

表4 4204工作面采空區(qū)在抽采條件下自燃“三帶”范圍對比

3.2 工作面安全推進(jìn)速度

工作面安全推進(jìn)速度表達(dá)式[14]如下:

(8)

式中：vmin為工作面最小安全推進(jìn)速度；k為安全系數(shù)，取1.2；Lmax為最大氧化帶寬度；τmin為煤層最短自然發(fā)火期。

由3.1節(jié)分析結(jié)果可知，建北礦4204工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)是氧化帶最寬的區(qū)域，寬度50 m，即Lmax=50 m；根據(jù)工作面實際情況，最短自然發(fā)火期為35 d。計算得到實際工作面安全推進(jìn)速度為1.2 m/d。

綜上可知：建北礦4204工作面推進(jìn)速度若超過1.2 m/d時，則可使氧化帶的浮煤在自然發(fā)火前就進(jìn)入窒息帶范圍，從而能避免浮煤自燃災(zāi)害的發(fā)生；若平均推進(jìn)速度小于1.2 m/d的同時，停采時間超過35 d，那么采空區(qū)遺煤將存在自燃危險。

4 采空區(qū)煤自燃防滅火技術(shù)

針對瓦斯抽采導(dǎo)致的采空區(qū)自燃“三帶”遷移與進(jìn)回風(fēng)巷“兩巷”后方的煤自燃防控重點區(qū)域，提出以下防滅火措施。

4.1 減少遺煤

采空區(qū)煤自燃必然存在遺煤，提高回采率可減小采空區(qū)的浮煤厚度，從而降低遺煤自燃的概率。根據(jù)煤自然發(fā)火實驗[15]可知，當(dāng)自燃煤層浮煤厚度小于0.7 m時采空區(qū)就不會發(fā)生自燃現(xiàn)象。針對上下端頭不能采出的遺煤，可向其噴灑水或黃泥漿等，以阻隔煤與氧氣的接觸。

4.2 堵漏防火

通過分析建北礦4204工作面的布置可知，工作面上隅角為漏風(fēng)匯，下隅角為漏風(fēng)源。因此，必須要在上下隅角兩端頭處堆砌沙袋墻，沙袋墻必須與巷道的頂部重合。在工作面正?；夭蓵r，每當(dāng)支架向前移動一排，就必須堆砌沙袋墻且厚度大于0.5 m。在堆砌的沙袋墻之間噴灑黃泥漿，以減少工作面向采空區(qū)的漏風(fēng)。堆砌沙袋墻增加了采空區(qū)的通風(fēng)阻力，從而減少了漏風(fēng)，也防止了上隅角的瓦斯向工作面涌出。

4.3 “兩巷”注氮注漿

4.3.1 進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮技術(shù)

采空區(qū)遺煤自燃的前提是需要氧氣達(dá)到一定濃度，在進(jìn)風(fēng)側(cè)注入氮氣可以稀釋采空區(qū)的氧濃度，從而達(dá)到控制煤自燃目的。其次，根據(jù)混合氣體爆炸理論，當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)小于12%時，爆炸的可能性減??；當(dāng)氧氣體積分?jǐn)?shù)低于5%時，幾乎可以預(yù)防所有的爆炸發(fā)生[16]。將氮氣注入采空區(qū)可使氧氣體積分?jǐn)?shù)降低到10%以下，大大降低瓦斯爆炸的可能性。

注氮可分為連續(xù)注氮、間歇注氮。建北礦4204工作面注氮屬間歇性注氮，是否開啟注氮要根據(jù)采空區(qū)遺煤的氧化程度而定。分析建北礦每班采集到的工作面煤自燃預(yù)測指標(biāo)氣體，當(dāng)CO體積分?jǐn)?shù)達(dá)到2.4×10-5時開啟注氮系統(tǒng)。氮氣釋放口應(yīng)設(shè)在采空區(qū)的氧化帶，使氧化帶自始至終處在被壓入氮氣包圍和惰化環(huán)境中，這樣注入的氮氣不僅用量少且能夠達(dá)到最佳防滅火效果。進(jìn)風(fēng)側(cè)注氮管路與注膠管路鋪設(shè)情況如圖9所示。

圖9 注氮與注漿管路鋪設(shè)示意圖

4.3.2 回風(fēng)側(cè)注漿及注膠技術(shù)

采空區(qū)注氮可以有效地控制進(jìn)風(fēng)側(cè)煤的自燃，但難以控制采空區(qū)回風(fēng)側(cè)煤的自燃，因此，可以在回風(fēng)側(cè)采空區(qū)埋設(shè)注膠管道，通過注膠防止回風(fēng)側(cè)煤自燃。膠中的黃泥具有較好的沾浮性，可較好地將煤體包裹并且能夠吸熱，也阻止了煤體與氧氣接觸發(fā)生氧化反應(yīng)，同時水可以降低煤的溫度，具有良好的防火效果。

在正?；夭蛇^程中，在回風(fēng)側(cè)注膠時可根據(jù)回風(fēng)側(cè)束管監(jiān)測系統(tǒng)中的指標(biāo)性氣體濃度來確定何時注漿，當(dāng)回風(fēng)側(cè)的CO體積分?jǐn)?shù)超過2.4×10-5時，必須在回風(fēng)側(cè)注漿。在回風(fēng)巷埋管注膠時，其埋管注膠口的位置應(yīng)處于氧化帶內(nèi)。根據(jù)現(xiàn)場劃分結(jié)果可知，回風(fēng)側(cè)19～50 m處于氧化帶內(nèi)，因此埋管注漿位置應(yīng)設(shè)在采空區(qū)19～50 m區(qū)域內(nèi)，當(dāng)在進(jìn)風(fēng)側(cè)觀測到有黃泥漿、膠體流出時，則說明注入的膠已經(jīng)進(jìn)入到了煤體的裂隙中，可以停止注漿、注膠?；仫L(fēng)側(cè)注氮與注膠的管路鋪設(shè)情況見圖9。

5 結(jié)論

1)基于建北礦4204工作面采空區(qū)滲流模型，設(shè)定埋管抽采、無抽采及抽采負(fù)壓為20、30 kPa 4種模擬條件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果表明：隨著抽采負(fù)壓增大，采空區(qū)進(jìn)風(fēng)側(cè)與回風(fēng)側(cè)氧化帶寬度均呈增加趨勢；進(jìn)風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線由26 m逐漸增加到34 m，回風(fēng)側(cè)散熱帶和氧化帶的分界線由24 m逐漸減小到20 m。

2)利用現(xiàn)場實際觀測的氧濃度數(shù)據(jù)對采空區(qū)自燃“三帶”分布區(qū)域進(jìn)行劃分，觀測結(jié)果顯示與數(shù)值模擬在抽采過程中的自燃“三帶”分布情況基本吻合，驗證了數(shù)值模擬的準(zhǔn)確性。

3)基于數(shù)值模擬與現(xiàn)場觀測得到4204工作面采空區(qū)自燃“三帶”分布與“兩巷”后方重點防控區(qū)域，并提出減少采空區(qū)煤自燃物質(zhì)、上下隅角封堵、進(jìn)風(fēng)側(cè)埋管注氮、回風(fēng)側(cè)埋管注漿與注膠等防治技術(shù)措施。

4)對瓦斯抽采導(dǎo)致的漏風(fēng)機(jī)理、氧濃度場數(shù)值模擬，以及現(xiàn)場預(yù)埋束管觀測采空區(qū)自燃“三帶”遷移規(guī)律進(jìn)行了研究，并根據(jù)研究結(jié)果提出針對性的防滅火技術(shù)措施，可為瓦斯抽采與煤自燃耦合致災(zāi)規(guī)律研究提供借鑒。