柴里煤矿综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律研究.pdf

第 卷第 期煤炭科技 年 月 收稿日期：；：基金项目：国家重点研发计划课题（）；国家自然科学基金面上项目（）作者简介：王忠桥（），男，山东菏泽人，高级工程师，年毕业于山东科技大学采矿工程专业，现任枣矿集团柴里煤矿通防副总工程师兼科长，从事矿井“一通三防”安全管理工作。引用格式：王忠桥，代杰，任帅，等 柴里煤矿综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律研究 煤炭科技，（）：，（）：，文章编号：（）柴里煤矿综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律研究王忠桥，代杰，任帅，刘洋，栾国梁，杨思琪，李玉莹（枣庄矿业（集团）有限责任公司，山东 枣庄 ；山东科技大学安全与环境工程学院，山东 青岛 ）摘要：以柴里煤矿 综采工作面为研究背景，利用束管监测系统对采空区气体进行实时监测与分析，确定了 综采作业面采空区二维平面氧化带范围；根据工作现场的实际情况构建等比例物理模型，并通过 算法对采空区氧气体积分数分布情况进行了数值模拟，得出了 综采工作面采空区三维空间自燃“三带”的分布规律：进风巷侧氧化带范围为采空区深度 ，采空区中部氧化带范围为采空区深度 ，回风巷侧氧化带范围为采空区深度 。研究结果为采空区自然发火防治工作提供了技术支持。关键词：综采工作面；采空区；自燃“三带”；气体实测；数值模拟中图分类号：文献标志码：，（），；，）：，：，；：；：为了降低采空区发生遗煤自燃事件的概率，对采空区遗煤自燃“三带”范围进行详细划分是非常关键的任务 。对于有关内容，我国科研人员和相关专家开展了一些研究：孙珍平 通过在钻孔不同深度取气化验，研究了特厚煤层均压工作面采空区遗煤自燃“三带”的分布规律；刘俊等 对 工 年第 期王忠桥，等：柴里煤矿综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律研究第 卷作面采空区的遗煤自燃问题展开了细致研究，使用束管法对采区内的 和 浓度进行了测定，得出了采空区遗煤自燃“三带”的范围划分结果；李宗翔等 通过迎风有限元方法，求解了采空区漏风渗流方程和氧气渗流耗散方程，并利用数值模拟方法对采空区遗煤自燃“三带”的划分及发火过程进行了分析。基于以上分析，根据柴里煤矿的开采情况，通过预埋束管对采空区进、回风侧的 和 浓度进行了监测；同时利用 对 综采面采空区进行了模拟，将现场测试所得数据与数值模拟获得数据结合，从而对 综采工作面采空区遗煤自燃“三带”范围进行了划分。柴里煤矿 综采工作面概况柴里煤矿 综采工作面为典型的低瓦斯涌出开采工作面。工作面总体向西北方向倾斜，倾角 ，平均 。工作面有效工作区域的倾斜长度 ，走向长度 ，工作面斜面积为 ；该矿为低瓦斯矿井，相对瓦斯涌出量 ，绝对瓦斯涌出量 。工作面运煤使用刮板输送机完成，运输巷使用转载机和胶带输送机完成。为提高效率，工作面进行不规则以及合茬设计，在初切眼和补切眼安装数十架电液控液压支架进行顶板支护；轨道巷外段沿巷道方向依次布置 架电液控液压支架，以便于加架施工。采空区气体实测 实测方案为了对柴里煤矿 综采工作面采空区遗煤自燃“三带”的范围进行详细划分，采用 体积分数划分法，将 体积分数为 的临界点视为散热带向氧化带转化的边界线，而 体积分数 的等值线则作为氧化带向窒息带转化的边界线。在分析和测量 工作面采空区实际情况的基础上，利用束管监测系统对 工作面采空区进行了现场实测。在 工作面进风巷和回风巷各设置 套束管监测系统，每巷各设 个测点；随着工作面进一步推进，束管被埋入采空区，根据已有的系统数据可实现采空区的氧化状态分析和控制。实测结果分析为了保证数据的准确，在每天相同时间段对工作面推采期间各个测点的数据进行采集，将采集到的采空区深度和、的体积分数变化情况绘制成曲线，如图 和图 所示。图 号测点采空区 和 变化曲线 图 号测点采空区 和 变化曲线 由图 可知：号测点的 体积分数在整个观测期间总体呈下降趋势，前 的测点范围内下降幅度较小。随着开采工作面的推进，号测点随之向采空区深部深入。在采深 之内，体积分数超过 ；在采深 范围，体积分数在 ；采深超过 后，体积分数则低于 。在 含量处于稳定下降的阶段时，含量持续上升，这说明了遗煤氧化的过程。在采深 时，存在 含量剧增的过程，这说明氧化程度的增加；在采深 后，随着 含量骤减，含量也随之大幅度降低，这种现象表明采空区已经被压实，大幅度的漏风基本消失。根据自燃采空区遗煤自燃“三带”划分标准可知，号测点在前 范围内属于散热带，处于氧化 年第 期煤炭科技第 卷带，之后进入窒息带。由图 可以看出：号点的 体积分数在整个观测期间总体呈下降趋势，测点在采深 范围下降幅度较小。随着工作面推进，号监测点持续向采空区深部移动。总体来说，在采深 区域，体积分数在 以上；在 区域，体积分数介于 ；在 之后的区域，体积分数降低至 以下。根据采空区遗煤自燃“三带”划分标准可知，号监测点在距工作面 前仍处于散热带，时处于氧化带，之后进入窒息带。综上所述，在进风侧采空区中，漏风现象非常严重，使得较长一段时间内，空气含氧量在各监测点的监测范围中始终保持在较高的水平，从而增加了在进风侧的分散区长度。在回风侧，随着采空区的气流泄漏，氧化带也相应扩大，氧化带长度由进风侧向回风侧均逐步增加。柴里煤矿 工作面采空区二维空间采空区遗煤自燃“三带”的边界数据见表。表 采空区二维平面遗煤自燃“三带”划分结果 位置散热带 氧化带 窒息带 进风侧采空区 回风侧采空区 采空区数值模拟 自定义函数的应用及验证采空区内空气的流动非常复杂，其渗透系数、耗氧速度、孔隙率、漏风速度等参数均随开采深度不断变化 ，通过对二维平面采空区遗煤自燃“三带”测量数据的多次修改，得到了相应的自适应函数。采用 语言实现了自定义功能集成，并编制了适合于自然发火仿真的 源程序 。号点模拟与实测 体积分数的对比情况如图 所示。结果表明，号点实测和模拟 体积分数的最大相对误差为 ，最小相对误差为 ，平均相对误差为 。体积分数的平均相对误差小于 ，因此数值模拟贴近现场实际情况，认为在实测结果上修正模拟出的结果是可靠和准确的。图 号点模拟 体积分数与实测 体积分数对比 采空区数值模型的建立以柴里煤矿 综采工作面为研究对象，采用型通风方式，根据工作面实际情况，建立全尺寸、等比例物理模型，如图 所示。根据综采工作面的真实情况，并结合综采工作面的实际测量数据，将模型的进风巷和回风巷设为宽 、高 ，工作面长 、宽 、高 。采空区的落差高度为 ，深度为 。应用 软件对 工作面建立的物理模型进行了网格划分，对工作面、采空区、回风巷等区域都进行了不同的网格化处理。其中，进风巷、回风巷和工作面的网格尺寸大小为 ，而采空区则设置的稍大一些为 ，进风口作为模拟模型的速度入口（），而回风口为自由流出口（）。网格划分情况如图 所示。图 三维物理模型 年第 期王忠桥，等：柴里煤矿综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律研究第 卷图 网格模型划分示意 数值模拟结果及分析对 工作面采空区进行数值模拟，得到采空区三维区域 体积分数的变化规律，并结合 体积分数的变化，对采空区的三维空间自燃点进行综合分析。综采工作面采空区三维空间的 体积分数模拟结果如图 图 所示。图 工作面采空区 体积分数分布云图（距底板 ）（）图 平行于 工作面的采空区体积分数分布云图（距工作面 ）（）沿 工作面采空区高度方向的水平剖面如图 所示。由图 可知，沿着采空区高度的方向，自工作面的底板向上，浓度是逐步降低的；进风侧的氧化带的范围最大，而回风侧的氧气带范围则有所降低，工作面中部采空区的氧化带范围最小。不同空间和高度上氧化带范围见表 。图 和图 为平行于 工作面的采空区氧气体积分数分布云图。从图中可以看出，距工作面越近采空区 体积分数越高，距工作面越远采空区体积分数越低。同时，还可以看出，采空区不同高度上 体积分数的分布有所不同，距工作面越近、距底板越近，体积分数越高；距工作面越远、至底板距离越大，采空区 体积分数越低。在空间高度上，也存在着采空区遗煤自燃“三带”，距离工作面越近，氧化带的宽度越大；随着采空区深度的增加，氧化带的宽度逐步变窄，至工作面一定距离后进 年第 期煤炭科技第 卷入窒息带，垂直高度上的氧化带消失。氧化带范围与空间高度关系见表 。图 平行于 工作面的采空区 体积分数分布云图（距工作面 、）（，）表 工作面采空区氧化带范围与距底板高度关系 距底板高度 采空区氧化带范围 进风巷采空区采空区中部回风巷采空区 表 工作面采空区氧化带范围与空间高度关系 距工作面距离 采空区氧化带范围 进风巷采空区采空区中部回风巷采空区 从表 可以看出，垂直高度上采空区氧化带分布变化规律为：从靠近工作面的地点开始，由窄变宽，到一定距离后再逐渐变窄，直至为 。应该注意到，这只是按照 含量的比例来划分的氧化带的区域，此区域内若无浮煤则无自然发火问题，若有浮煤则有可能发生自然发火。采空区后部不但在水平方向有自然发火“三带”，在垂直高度上也有“三带”，“三带”的彼此交叉形成了采空区的“三带”。结论根据柴里煤矿 综采工作面采空区气体实测结果和数值模拟结果，确定该综采工作面采空区遗煤自燃“三带”分布规律为：进风巷侧氧化带范围为采空区深度 ，采空区中部氧化带范围为采空区深度 ，回风巷侧氧化带范围为采空区深度 。参考文献（）：王飞 综采工作面采空区自燃“三带”观测及危险区域划分研究 陕西煤炭，（）：，（）：李伟，强奋勇，杨程帆，等 综采工作面采空区自燃“三带”数值模拟 陕西煤炭，（）：，（）：单大阔 七号平峒 西翼工作面采空区自燃“三带”分布规律研究 煤矿现代化，（）：，（）：孙珍平 基于邻空巷钻孔技术的特厚煤层均压工作面采空区自燃“三带”研究 煤矿安全，（）：，（）：刘俊，李洪生，赵训，等 土城矿采空区自燃“三带”宽度的划定 煤矿安全，（）：，（）：李宗翔，胡东杰，刘宇，等 基于封闭耗氧试验的采空区自燃危险性研究 安全与环境学报，（）：，（）：（下转第 页）年第 期煤炭科技第 卷 ，（）：郭金刚，郭云涛 水力冲孔增透技术在大淑村矿防治煤与瓦斯突出中的应用 煤炭与化工，（）：，（）：袁亮 瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术 中国煤炭，（）：，（）：宋宇辰，张朋伟，吕旭明 水力冲孔在双煤层中最佳影响半径分析 煤炭技术，（）：，（）：王新新，石必明，穆朝民 水力冲孔煤层瓦斯分区排放的形成机理研究 煤炭学报，（）：，（）：王峰，陶云奇，刘东 水力冲孔卸压范围及瓦斯抽采规律研究 煤炭科学技术，（）：，（）：霍中刚 二氧化碳致裂器深孔预裂爆破煤层增透新技术 煤炭科学技术，（）：，（）：李波，魏建平，郝天轩 水力冲孔措施在深部低透气性煤层中的应用研究 河南理工大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：刘明举，赵文武，刘彦伟，等 水力冲孔快速消突技术的研究与应用 煤炭科学技术，（）：，（）：程东甫，付彬彬，李逊，等 水力冲孔增透技术在三软煤层煤与瓦斯突出防治中的应用 中州煤炭，（）：，（）：檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）李宗翔，贾进章，孙广义 回采采空区自燃的早期过程及数值模拟分析 火灾科学，（）：，（）：李宗翔，许端平，刘立群 采空区自然发火“三带”划分的数值模拟 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（）：李宗翔，李杰，李林，等“两进一回”复杂采场采空区注氮防灭火模拟 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：，（），（）：于国志，李富强，郑馨 采空区自然发火“三带”测定及自燃防治技术研究 山东煤炭科技，（）：，（）：，丁胜，张光明，王瑞 薄煤层采空区自燃三带划分及危险性分析 陕西煤炭，（）：，（）：，王俊峰，刘玉德 易燃煤层工作面采空区自然发火规律及防治技术 能源技术与管理，（）：，（）：李仁发，沈洪远，年晓红 基于物理仿真的煤炭自然发火研究 系统仿真学报，（）：，（）：高亮 采空区自然发火相似模拟实验平台相关参数研究 廊坊：华北科技学院，赵建波，赵学军，赵文斌，等 瑞隆煤矿采煤工作面采空区自燃“三带”测定 煤炭科技，（）：，（）：