“110工法”下采空区自然发火“三带”范围分析.pdf

收稿日期：作者简介：朱兴攀（），男，甘肃张掖人，博士，高级工程师，主要从事煤自燃预测预报技术、煤矿火灾灾害防治理论与技术及瓦斯灾害防治技术的研究。“工法”下采空区自然发火“三带”范围分析朱兴攀，王江龙，马会云，杨程帆，张龙飞，刘文永（陕西陕煤榆北煤业有限公司，陕西 榆林 ；陕西小保当矿业有限公司，陕西 榆林 ；西安科技大学 安全科学与工程学院，陕西 西安 ）摘要：以陕西某矿“工法”开采模式下的综采工作面为研究对象，采用采空区预埋束管的方式监测采空区气体数据，结合现场实测得到的参数，对“工法”切顶卸压自动成巷无煤柱开采模式下氧气浓度的运移规律进行了模拟分析。综合实测结果与模拟结果，划分出了“工法”下采空区自然发火“三带”范围。结果表明，“工法”开采模式下综采工作面氧化升温带呈“”型分布，主要分为 个区域。一个区域为运顺进风侧距离工作面 和距辅运进风侧 水平处采空区 ；另一个区域为距工作面 处垂直于后巷侧采空区 和距工作面 处垂直于后巷侧采空区 。该自然发火“三带”范围分析方法对该矿其他相似工作面的煤自燃防治工作具有一定参考价值。关键词：工法；自然发火“三带”；数值模拟；氧气浓度范围；沿空留巷中图分类号：文献标志码：文章编号：（）“”“”，（，；，；，）：“”，“”，“”“”“”，“”，；“”：；“”；朱兴攀王江龙马会云等“工法”下采空区自然发火“三带”范围分析 年 引言采空区是煤自燃火灾的高发区域，其高温危险区域的精准判定一直以来都是世界性难题。为了更好地掌握工作面回采期间，采空区内部危险区域的演变规律，国内外学者通常采用煤自燃“三带”观测及模拟的方法进行研究。例如，李鑫等 通过预埋束管的方式对煤与瓦斯突出矿井工作面采空区进行三带观测，得出抽采瓦斯改变采空区漏风流场，从而造成采空区氧化带变大变宽；王帅 通过布置束管的方式对不同注氮量情况下采空区内不同位置的 、浓度进行现场实测，得出了注氮量与氧化带宽度呈负相关，且注氮量不影响散热带范围的特征；李锋等 采用数值模拟和现场实测相结合的方法对其自燃“三带”进行了研究；孙珍平 采用向邻近采空区施工钻孔，通过在钻孔不同深度中气体取样化验分析的方法得到同忻煤矿 工作面均压后采空区氧化带宽度“拓宽”，并对 综放工作面采空区注氮布距进行了优化；崔杰 以乌兰煤矿 工作面为试验工作面，通过在工作面水平方向和垂直方向分别布置测点的方式，分析得出复合采空区三维空间自燃“三带”分布规律；金永飞等 以束管观测的方式，通过 软件模拟研究了采空区注氮工作参数变化时的煤自燃区域变化情况；王伟东等 采用理论分析、数值模拟和现场实测等手段对浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放对采空区自燃“三带”影响进行了研究。随着无煤柱开采工艺的研究与应用推广，工法条件下的采空区煤自燃“三带”研究不足，其规律尚不明晰。由于 工法条件下的采空区自然发火三带具有特殊性，进而开展此类研究，揭示 工法条件下的煤自燃“三带”演变规律具有重大意义，并且能够更好地为新型采空区煤自燃防控提供参考价值。因此，以陕西某矿 工法工作面为研究对象，通过现场观测、数值仿真模拟相结合的方法，对采空区危险区域进行研究。测点布置原则、原因及方案 测点布置原则由于 工法条件下采空区流场不同于传统开采工艺采空区，因而在进风隅角处布设不同深度测点的基础上，还需要垂直从沿空留巷侧施工不同深度的钻孔，布设测点。这样不仅可以用来监测采空区垂直方向上不同深度的气体浓度，还可以用来监测采空区同一水平方向上不同位置的气体浓度。进而可以从侧面完整地展示此类新型采空区内部的流场分布情况，以便更加准确地确定 工法条件下的采空区自然发火三带范围。测点布置原因“工法”不同于传统“工法”，“工法”形成的采空区受“”型通风的影响，采空区流场分布呈现 型分布，其采空区中部的风流场类似于传统“工法”采空区风流场，但由于受到沿空留巷侧风流的影响，氧浓度会在很长一段距离内很难降下来，同时在靠近沿空留巷侧很容易会存在一段长距离的狭长尾巴状流场。目前对于“工法”开采模式下的“三带”规律研究较少，同时测点布置不明晰，无法准确把握沿空留巷侧监测距离。因此针对“工法”的特征，进而确定测点布置方案。测点布置方案采用埋管抽气法观测采空区气体浓度分布。此次采空区内的气体成分采用埋管抽取检测。在工作面运输顺槽设置 个观测点，利用检修班从留巷侧工作面，将穿有束管的钻杆放置在支架顶部，取气端束管留出长度，然后将钻杆口封死，防止取气时气体回流。当采煤班支架向前移动时，穿有束管的钻杆整体被甩入采空区，每天检修班布置一趟，分别布置长度为 （）、（）、（）、（）、（）共 趟测点。在工作面辅运顺槽设置 个测点，测点间距 。待氧气浓度低于 以下，即可结束观测。采空区煤自然发火“三带”观测测点及束管布设如图 所示。?图 采空区煤自然发火“三带”观测测点布置 “”综采面采空区氧浓度分布规律采空区氧浓度分布规律，最直接的方法就是埋管或打钻抽取气样进行分析，然后确定出氧浓度分布规律。根据该矿综采面地质构造、巷道布置、通风方式及“工法”的特点，按照方案总共布置了 个观测点，在观测的过程中，由于采空区深度的加第 期朱兴攀王江龙马会云等“工法”下采空区自然发火“三带”范围分析大，采空区内部矿压也随之增大。根据观测数据，得到运输顺槽和辅运顺槽采空区内部距工作面不同距离各点的氧气浓度变化关系，如图 、所示。?图 运输顺槽采空区氧浓度随埋深变化趋势?图 辅运顺槽采空区氧浓度随埋深变化趋势 从图 中可以看出，随着工作面的推进，采空区深度的增加，采空区内各点的氧气浓度在很长距离内一直较高。由于 工作面采用“工法”开采模式，在“”型通风方式的影响下，运顺和辅运同时进风，使得采空区流场相比较“”型通风方式发生了改变，所以采空区内氧气浓度下降较慢，且在很长一段距离内都维持在 以上。辅运 测点直至 左右仍旧处于 左右，加之束管布置受现场环境影响，经常发生束管断裂现象，选择暂停辅运侧观测。通过分析采空区流场分布情况，考虑到运顺 测点与辅运 测点数据基本一样。因此利用运顺 测点代替辅运 测点对实际耗氧情况进行分析。运顺 测点在 处仍处于 以上，测点所观测的采空区内部氧气浓度在 左右下降至 ，测点在 左右下降至 ，测点在 左右下降至 ，测点在 左右下降至 。而运顺 测点所观测的采空区内部氧气浓度直至 左右才下降至 ，测点所观测的采空区内部氧气浓度直至 左右才下降至，测点直至 左右下降至 ，测点直至 左右下降至 ，测点直至 左右下降至 。结合现场实测结果，根据自然发火“三带”划分氧浓度指标（），可以判断出“工法”开采模式下的采空区自然发火“三带”实测范围见表 。表 采空区“三带”实测范围划分 “”运顺侧测点散热带氧化带窒息带 （）（）（）（）（）平均值 采空区危险区域数值模拟运用数值模拟软件进一步对“工法”开采模式下的采空区自然发火“三带”进行研究，采用 流体动力学软件，根据观测所收集到的现场真实数据，将模型边界条件严格标定，对采空区的一系列参数进行定义。从而解决现场无法直接观测采空区内部气体浓度及渗流场连续变化趋势的问题，这在一定程度上能够有效地指导陕西某矿综采工作面防灭火工作。物理模型及网格划分根据综采工作面实际情况，建立工作面采空区三维模型，设置采空区深度为 ，工作面倾向长度为 ，浮煤厚度取 ，浮煤上为 厚的岩石。坐标原点定在运输顺槽与采空区夹角处，将原点处指向 轴正方向设定为进风口，将 轴顶端指向 轴正方向设定为进风口，将 轴最右端指向 轴正方向设定为出风口，工作面走向方向为 轴正方向，向上为 轴正方向。将模型计算区域进行网格划分，网格设置默认为结构化网格，模型中代表浮煤区域的网格在 ，这 个方向上步长均设置为 ，岩石区域网格步长设置为 ，模型划分网格共计 个。三维模型及网格划分如图 、所示。边界条件在所研究的模型区域中，假设以该区域中运输陕西煤炭 年顺槽、辅运顺槽以及工作面为边界，而这些边界上所涉及的风流速度和氧浓度则被当作是该模型中所要考虑的边界条件。另外，假定该区域其余的表面都具有壁面特性，由于该壁面的存在，气体的渗透效果将不可能发生 。因此，基于以上的假定条件，根据实验测定的 产生速率，来编写 程序。计算过程中 的源项由 进行控制 。采空区松散煤体和岩体的相关参数见表 。?图 采空区三维模型?图 三维模型网格划分 表 材料设置 名称密度（）比热（）温度 导热系数（）煤体 岩体 边界条件中壁面上珚 ，氧气浓度为 ，质量百分比为 ，温度为 。进风口风速：在进风口 风流速度设置为 ，在进风口 风流速度设置为 。回风巷出口设定为自由出口。数值模拟结果及分析在以上建立的模型上进行模拟，得到了采空区氧浓度分布，如图 所示。由图 可知，数值模拟得到的氧气浓度数据随着采空区深部的延伸整体呈递减趋势，而实测数据呈轻微波动递减的趋势，这是由于现场实测条件下存在误差及采空区受漏风影响造成的，但从总体上来说，数值模拟与现场实测数据存在良好的吻合度。为消除该矿综采面采空区煤自燃隐患，应扩大采空区危险区域监测范围。结合表 分析可得，陕西某矿综采面采空区内部在距工作面辅运顺槽侧 ，距运输顺槽 水平处向采空区深部 处这个范围内煤自燃风险较高。而距工作面 以后垂直于后巷倾向（采空区侧）大概 的范围长期处于氧化带，同样存在较高的煤自燃风险，需要对后巷侧该区域定期采取相应的防灭火治理措施。?图 距煤层底板 处氧浓度平滑分布图?图 距煤层底板 处氧浓度条纹分布图 采空区自然发火“三带”的划分根据束管监测得到的氧浓度变化规律在图上进行绘制，可以判断出采空区煤自然发火“三带”分布范围 ，如图 所示。从图 基本可以判断，陕西某矿综采面采空区散热带的分布范围在采空区内距离工作面 第 期朱兴攀王江龙马会云等“工法”下采空区自然发火“三带”范围分析 ，在采空区辅运顺槽进风侧处由于漏风相对较大，散热带范围相对较深，距运输顺槽侧 处由于漏风较少，散热带较浅。窒息带在距离工作面 以上的采空区深部及距后巷 以上的范围。在辅运顺槽侧，窒息带开始于 左右的深度，相对较浅；在距运输顺槽进风侧 的水平处窒息带开始的深度相对运顺进风侧较深，位于 左右。距工作面 处垂直于后巷倾向（采空区侧）处氧气浓度为 ，处氧气浓度为 ，以内为散热带，范围为氧化带，以上范围为窒息带；距工作面 垂直于后巷倾向（采空区侧）处氧气浓度为 ，处氧气浓度为 ，以内为散热带，范围为氧化带，以上范围为窒息带 ，划分结果见表 。?图 距煤层底板 处氧浓度范围分布图?图 距煤层底板 处氧化带范围分布图?图 采空区氧浓度立体分布图?图 综采工作面采空区煤自然发火“三带”范围 “”表 采空区“三带”划分表 “”散热带氧化升温带窒息带辅运进风侧采空区 距运顺进风侧 水平处采空区 距工作面 处垂直于后巷倾向（采空区侧）距工作面 处垂直于后巷倾向（采空区侧）结论（）通过在采空区辅运顺槽铺设束管及采空区中部埋设束管，采集气体进行分析，得到采空区煤自燃“三带”范围，结合采空区煤自燃规律及特点，确定了“工法”开采模式下的“三带”分布呈现出“”型，受“”型通风影响，“三带”范围分布较深，且在沿空留巷侧长距离分布着呈尾巴状的氧化带。（）根据现场观测和数值分析，该矿综采面氧化带有 个区域，一个区域为辅运顺槽侧距离工作面 和距运输顺槽侧 处采空区 ；另一个区域为距工作面 处垂直于后巷倾向（采空区侧）和距工作面 及以后垂直于后巷倾向（采空区侧）；最大氧化升温带宽度为 。（下转第 页）陕西煤炭 年（）射流直径对砂岩的冲蚀深度和宽度影响显著，随着射流直径的增加，冲蚀坑深度和宽度逐渐增大，采用超高压水射流切顶时，应根据岩体性质选择合适的喷嘴尺寸，用以保障切顶射流的高效性和经济性。参考文献：代世峰，赵蕾，魏强，等 中国煤系中关键金属资源富集类型与分布 科学通报，（）：张军 综采工作面回采率的提高 能源与节能，（）：池明波 水力割缝防治忻州窑矿冲击地压试验研究 太原：太原理工大学，王新，郝建，董洪青，等 坚硬顶板条件下无煤柱切顶成巷技术 湖南科技大学学报（自然科学版），（）：何满潮，宋振骐，王安，等 长壁开采切顶短壁梁理论及其 工法：第三次矿业科学技术变革 煤炭科技，（）：，张国锋，何满潮，俞学平，等 白皎矿保护层沿空切顶成巷无煤柱开采技术研究 采矿与安全工程学报 ，（）：高玉兵，杨军，王琦，等 无煤柱自成巷预裂切顶机理及其对矿压显现的影响 煤炭学报，（）：杨军，付强，高玉兵，等 切顶卸压无煤柱自成巷全周期围岩受力及变形规律 煤炭学报，（）：秦旭前 磨料射流定向切顶装置的设计与研制 重庆：重庆大学，李斌 聚能爆破切顶技术在沿空留巷中的应用探讨 江西煤炭科技，（）：张国锋，许有青，葛鹏涛 唐山沟矿厚层砂岩顶板切缝沿空成巷试验研究 岩石力学与工程学报，（）：王茂盛，王萌，都海龙 厚层坚硬顶板工作面沿空留巷技术 煤炭科学技术，（）：高亚斌 钻孔水射流冲击动力破煤岩增透机制及其应用研究 徐州：中国矿业大学，檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪 （上接第 页）（）在该矿综采面推进的过程中，需重点监测后巷倾向（采空区侧）的范围。参考文献：李鑫，柳东明，唐辉，等 突出煤层瓦斯抽采影响下采空区自燃“三带”观测 煤矿安全，（）：王帅 连续开区注氮对采空区自燃“三带”分布特征的影响 煤矿安全，（）：李锋，罗伙根，王超 采空区埋管抽采下自燃“三带”分布规律研究 煤矿安全，（）：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，（）：崔杰 极近距离复合采空区三维自燃“三带”分布规律研究 煤矿安全，（）：金永飞，杨正伟，孙超，等 基于 的注氮参数对采空区煤自燃防治的影响研究 煤炭技术，（）：王伟东，王伟，李鹏，等 浅埋深高瓦斯工作面瓦斯抽放对采空区自燃“三带”的影响研究 煤矿安全，（）：仲照海，尚文杰 不同配风量影响下采空区自燃“三带”分析 陕西煤炭，（）：，尚秀廷，秦宪礼，姜春光，等 东荣三矿综一轻放面采空区渗流数值模拟及煤自然发火“三带”划分 煤矿安全，（）：文虎，张泽，赵庆伟，等 煤层分层前后采空区自燃“三带”的数值模拟 煤矿安全，（）：焦庚新，白成武，戚绪尧，等 近距离煤层下分层采空区煤自燃危险区域分布规律 煤矿安全，（）：曹镜清，邬剑明，周春山，等 低位放顶煤采空区自燃区域划分与注氮口位置确定 煤炭科学技术，（）：白铭波，蔡国斌，高军伟，等 基于 数值模拟的综采面采空区自燃“三带”研究 煤炭技术，（）：李彪 工法在麦地掌煤矿中的改进 陕西煤炭，（）：第 期陈立新沙曲二矿超高压水射流切顶破岩特性研究