特厚煤层综放工作面采空区自燃特征分析

特厚煤层综放工作面采空区自燃特征分析

0采空区瓦斯抽采对遗煤自由生长的影响目前，安全高效的一体化开采方法提高了煤炭产量和生产效率。然而，由于开采强度高，推迟速度快，且工作场所中的屋顶数量过大，因此采用了安全有效的综合机械化开采方法。一般采用综合机械化放顶煤开采的煤层都比较厚,工作面比较长,顶煤放落的厚度也相对比较大。随着工作面不断向前推进,工作面后方会形成含有大面积遗煤的采空区,这也为瓦斯的集聚提供了条件。当周期来压时,采空区的瓦斯涌向工作面,造成工作面上隅角的瓦斯超限引发瓦斯事故。为了防止上隅角瓦斯超限,高瓦斯矿井采取瓦斯抽排技术对煤体及采空区的瓦斯进行抽采,使瓦斯浓度下降到一个相对较低的水平。但由于对综合机械化采煤工作面进行瓦斯抽采的强度比较大,抽采负压相对较高,会造成采空区漏风量增加,从而增大了采空区自燃带宽度,容易造成采空区遗煤自然发火,威胁矿井的安全生产。因此,采空区瓦斯抽采与采空区遗煤自燃是同一流场中相互矛盾、相互制约的耦合问题。加大抽采负压,减小上隅角瓦斯浓度,提高瓦斯安全性的同时也必然造成采空区遗煤自燃危险性增大。相反,当自燃的风险降低,抽采后的瓦斯浓度可能无法控制在安全范围以内,引起瓦斯超限1计算机模拟研究1.1模型的构建1.1.1漏风边界及高抽巷正行煤矿1502工作面长度150m,采空区深度150m,中部遗煤层高度1.45m,冒落带高度13m,裂隙带位于冒落带上方距离底板13~36m,将采空区内距工作面150m处设为漏风边界。高抽巷位于工作面上方36m,距回风巷水平距离30m的裂隙带中。注氮口位于运输巷一侧并深入采空区35m。1.1.2边境条件工作面风量为750m1.1.3采空区气体的压缩采场的相关假设为:(1)采空区内部多孔介质各个方向同性。(2)采空区里流动的气体是不可压缩且黏性恒定,各气体之间不会进行化学反应。(3)采空区里的气体仅有O1.1.4工作面采空区内漏风场的演化1)多孔介质的孔隙率。采空区矿压与至工作面的距离成正比,但是到达采空区深部矿压的增长趋势减小。从观测的结果看出,上部煤体刚垮落时,其松散状态煤体厚度为没垮落前煤体体积的1.3倍左右,孔隙率为0.30;距离超过100m,矿压基本稳定,孔隙率基本稳定在0.2,不发生变化。一般认为,工作面深入采空区100m之内孔隙率与距离满足抛物线规律。通过拟合,得出采空区孔隙率f与y存在以下的分段函数关系式:孔隙率与采空区到工作面距离之间的关系如图1所示。2)多孔介质的渗透性及渗透率。渗透率与多孔介质的另一物理性质孔隙率之间不存在固定的函数关系,而与孔隙大小及其分布等因素有直接关系。根据多孔介质的Carman公式推出的多孔介质渗透率K=D3)质量守恒方程。采空区内漏风场为三维黏性不可压缩流体的稳态流动。单位时间内流体微元体中质量的增加,等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量。按照这一定律,可以得出质量守恒方程。4)动量守恒方程。微元体中流体的动量对时间的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。根据此定律,可导出x、y、z三个方向的动量守恒方程其中:p为流体微元体上的压力;U为速度矢量;t为时间;σ1.2数值模拟结果1)采空区未采取注氮和抽采措施时的数值模拟结果。当采空区未采取注氮和抽采措施时,风流以750m由图2可知:在只有漏风情况下,靠近工作面附近由于垮落的岩石还没来得及压实,岩体间的空隙较大,形成大量的漏风通道,漏风严重,距离工作面15m内的漏风风速大于0.004m/s,氧气浓度较高。距离工作面越远漏风强度越小,瓦斯浓度则逐渐增大,高浓度的瓦斯集中在采空区内距工作面100m以后。在无抽采措施的情况下工作面上隅角瓦斯体积分数为2%~5%,为了正常生产必须对瓦斯进行抽采。2)高抽巷抽采采空区瓦斯的数值模拟结果。由于漏风条件下工作面上隅角瓦斯严重超限,所以为了保证工作面安全回采,正行煤矿采取在煤层顶板靠近回风侧的裂隙带掘一条高抽巷对采空区瓦斯进行抽采。经过数值计算模拟的采空区距离煤层底板2m处水平切面上漏风场、氧气浓度和瓦斯浓度分布如图3所示。由图3可知:采空区内靠近高抽巷抽采口附近的氧气浓度要远低于运输巷和回风巷两侧的浓度,这是由于高抽巷高负压的作用使采空区内部的瓦斯大量从抽采孔抽出,降低了抽采孔周围的瓦斯含量。采空区内的氧浓度随着到工作面距离的增加而降低。距离工作面越远瓦斯浓度越大。相比只有漏风情况的回风巷瓦斯浓度下降非常明显,从原来的2%以上下降到1%以下,基本保证上隅角瓦斯不超限。但由于对工作面进行高抽巷抽采瓦斯,抽采负压相对较高,造成采空区漏风强度增加,距离工作面23m内的漏风风速大于0.004m3)注氮条件下高抽巷抽采采空区瓦斯的数值模拟结果。进行瓦斯抽采防止工作面及上隅角瓦斯超限,同时将采空区遗煤自然发火危险性降到安全范围以内。所以正行煤矿在高抽巷抽采的同时对采空区进行注氮,经过数值计算模拟的采空区距离煤层底板2m处水平切面上漏风场、氧气浓度和瓦斯浓度分布如图4所示。由图4可知:相比只进行高抽巷抽采的情况,采空区漏风场和瓦斯浓度场都没有太大的变化。在回风侧35m处进行了注氮,由于氮气充填了原本空气的位置,所以在运输巷一侧20~70m内氧气浓度下降的梯度比较大,从图4c可以看出,瓦斯浓度上升的梯度比较小。说明注氮很好地缩短了进风侧氧化带的宽度。对模拟结果进行分析并绘制注氮条件下高抽巷3000Pa抽采负压时采空区自燃“三带”划分,如图5所示。分析图5可知,1502工作面采空区自燃“三带”分布为:散热带0~23m;氧化带23~69m;大于69m为窒息带。2工程实践2.1空区主流程内温度测点布置在1502综放采空区预埋多组测温探头和束管,实测采空区的温度和气体浓度变化,对数据进行分析后划分采空区自燃“三带”的宽度,可为模拟提供检验。根据正行煤矿1502工作面的实际情况,布置3个测点,如图6所示。每个测点安装1个温度探头和取样束管,第1个取样点埋进20m后,开始测试。根据正行煤矿的实际情况在回风巷布置检测系统,并利用正行煤矿的地面束管检测系统,每天对预埋束管取样化验气体变化情况。2.2工作面采空区“三带”分布从2013年5月8日—6月14日对1502工作面采空区进行测温和测气体。1)分析检验取样气样成分可得,采空区距离工作面22m处,氧气体积分数降到18%以下,在束管进入采空区距离工作面69m左右,氧气体积分数降到10%以下,根据氧浓度的变化情况划分采空区自燃“三带”分布原则,0~23m为散热带,23~69m为氧化带,大于69m为窒息带。2)通过测温探头所测数据可知,当测温探头进入采空区距离工作面0~23m,温升速率小,温度变化较小。当测温探头进入采空区距离工作面大于23m时,温升速率较大,温度变化大。当测温探头进入采空区75m左右时,煤温开始下降。根据温升速率情况划分采空区自燃“三带”的原则:0~23m为散热带,23~75m为氧化带,大于75m为窒息带。遗煤自燃的条件是聚热环境和充足的氧气浓度,通过对采空区测温及氧气浓度的分析可知,虽然距离工作面69~75m的采空区遗煤测温显示具备聚热环境,但由于氧气体积分数在0.1以下,遗煤由于缺氧无法自燃。所以1502工作面采空区在现有的开采和防灭火技术条件下的“三带”分布为:散热带0~23m;氧化带23~69m;大于69m为窒息带。根据Fluent计算模拟绘制注氮条件不同抽采负压影响下的采空区自燃“三带”宽度与实际现场数据的对照,通过比较可以发现模拟的结果与实际情况一致,见表1。3注氮、抽采条件下的瓦斯抽采行为1)当采空区未采取注氮和抽采措施时,距离工作面越远漏风强度越小,瓦斯浓度则逐渐增大。高浓度的瓦斯集中在深入采空区100m以后。在无抽采措施的情况下,工作面上隅角瓦斯体积分数为2%~5%,为了正常生产必须对瓦斯进行抽采。2)当进行高抽巷抽采时,在高抽巷负压导流作用下采空区漏风强度增大,氧气随风流进入采空区深部,从而增大了采空区自燃带宽度,采空区遗煤自然发火危险性增大。采空区内部的瓦斯大量从抽采孔抽出,降低了抽采孔周围的瓦斯含量。回风巷瓦斯浓度下降非常明显,从原来的2%以上下降到1%以下,上隅角瓦斯浓度在安全范围。3)在高抽巷抽采的同时进行采空区注氮,缩短了采空区氧化带的宽度,降低了遗煤自燃危险性。通过对正行煤矿1502工作面采空区采用温升速率法和氧浓度法现场实测采空区自燃“三带”分布:0~23m为散热带,23~69m为氧化带,大于69m为窒息带。经分析得数值模拟结果和实测结果相一致,对实际应用有着一定的指导和借鉴意义。引用格式:汪文革,袁奎.注氮条件下瓦斯抽采对采空区自燃“三带”的影响[J].煤炭科学技术,2014,42(12):75-78,83.WANGWen-ge,YUANKui.GasDrainageAffectedtoSpontaneousCombustionThreeZonesofMiningGoafUndertheConditionofNitrogenInjection[J].CoalScienceandTechnology,2014,42(12):75-