浅埋厚煤层地表漏风对采空区煤自燃影响数值模拟研究

邢震

(1.中煤科工集团常州研究院有限公司, 江苏 常州 213015;2.天地(常州)自动化股份有限公司, 江苏 常州 213015)

0 引言

目前中国煤炭产量大部分集中在西部矿区，特别是内蒙古、陕西、山西、新疆等地的浅埋深矿井。伴随开采技术的迅速提升、开采强度日益增大，工作面开采高度以及长度逐渐增大,推进速度逐渐增快，从而导致地表裂隙逐渐增多。与此同时，西部矿区浅埋厚煤层的自燃倾向性多为易自燃或自燃，通常采用抽出式通风的方式，空气在负压作用下由地表裂隙直通采空区，并最终由回风隅角进入回风巷道，地表漏风不仅使风流紊乱，而且其中的O2贯穿采空区，与采空区遗煤共同作用使其氧化，从而发生煤自燃，产生的CO等有害气体超标，严重影响矿井的正常开采[1-3]。

浅埋厚煤层抽出式通风导致的采空区煤自然发火问题已成为煤矿企业的一大顽疾，国内外学者对此做了一系列研究。李建伟[4]以串草圪旦煤矿浅埋厚煤层开采工程地质条件为背景，现场实测了不同埋深条件下地表裂隙分布规律及漏风强度、采空区内火灾关键气体参数分布规律与关系，通过数值模拟方法研究了地表漏风情况下采空区流场分布。Zhuo Hui等[5]通过建立三维数值模型,研究了地表漏风对采空区温度场、CO浓度场等分布的影响，但是建立的温度场模型未采用现场监测方法验证。Zhang Jian等[6]以煤自然发火实验测试关键参数作为输入条件，开展数值试验，研究了注惰性气体条件对采空区CO、O2浓度场时空演化规律的影响。叶庆树等[7]通过地表释放SF6示踪气体的方法研究了神东矿区不同层间距综采工作面地面漏风规律。贺飞等[8]研究了酸刺沟煤矿6上109工作面煤层内错布置开采下部煤层时地表漏风对复合采空区自燃危险区域的影响。郑忠亚等[9]以柠条塔煤矿N1201综采工作面为研究对象，采用相似模拟实验、数值模拟、现场SF6示踪气体检测等方法相结合，研究了地表漏风对采空区煤自燃的影响。王建文等[10]理论计算了柠条塔煤矿N1201工作面的地表漏风速度以及地表裂隙的等效水力宽度。余聪[11]研究了压入式通风条件下地表裂缝封堵以及气能位差对工作面采空区漏风的影响。刘雷政[12]研究了二次扰动开采对补连塔矿上覆采空区煤自燃的影响，通过UDEC数值模拟分析了应力特征。赵启峰等[13]对平朔矿区9203工作面地表漏风采用测量压差、风量差结合的方法，提出地表堵漏风及注氮结合的防治手段。吴奉亮等[14]从网络解算角度分析地表漏风对采空区“三带”的影响，得到防止煤自燃的最大漏风量为5 m3/s。

以上研究成果采用现场实测、理论分析及实验研究的方法对地面漏风引起的采空区内气体浓度场和温度场等进行了研究，现有数值模拟方法未针对地表裂隙条件下的采空区流场进行模拟，侧重于注惰性气体条件下的流场分析。然而地表裂隙漏风自然发火实验复杂程度较高，理论分析及实验研究方法难以从三维角度认识地表漏风对采空区内煤自燃的影响规律，为此，本文采用数值模拟方法研究不同工况下采空区O2浓度场、CO浓度场、温度场、压力场等的分布规律，并采用自主研发的ZD5煤矿火灾多参数监测装置进行现场验证，以使建立的模型更加符合现场情况、模拟结果更准确可靠，为现场制定防灭火措施提供理论依据。

1 浅埋厚煤层裂隙漏风机理

煤层开采过程中，上覆岩层失去支撑发生不可逆转形变导致向下垮落，采空区上部岩层自下而上依次为垮落带、断裂带、弯曲下沉带。垮落带是指由于直接顶下部煤层回采后受上部岩层压力影响而向采空区下沉的岩层；断裂带是垮落带的延续，该范围的岩层同样受到上覆岩层的压力作用产生裂隙，但仍能保持其层状结构；弯曲下沉带是断裂带的继续发育，其岩层发生整体轻微下沉。

浅埋厚煤层通常埋深小于200 m，与普通埋厚煤层矿压显现规律不同，浅埋厚煤层开采过程中典型的矿压显现规律是基岩层上覆起载重作用的核心层断裂以及稳定性缺失直接影响工作面液压支架阻力增加、结构破坏、煤壁片帮以及覆岩下沉，从而使地表整体下沉，浅埋厚煤层断裂带直通地表，缺失最上部的弯曲下沉带。在浅埋厚煤层开采过程中，上覆岩层中底部岩层出现不均匀垮落现象，当上覆岩层形变超过其临界形变时，便形成地表裂隙。地表空气在负压通风作用下随地表裂隙进入采空区内部。采空区地表裂隙漏风如图1所示。

图1 采空区地表裂隙漏风Fig.1 Surface fissure air leakage in goaf

2 数值模型建立

采空区物理及数学模型的建立对于采空区风流场数值模拟有着至关重要的意义，其准确性直接影响模拟结果的合理性。为研究地表漏风对采空区煤自燃的影响，建立煤自燃关键表征参数O2、CO以及温度场控制方程。

2.1 O2浓度控制方程

多孔介质中O2移动过程包括扩散和渗流，O2的质量平衡方程为

(1)

2.2 CO浓度控制方程

多孔介质中CO运移过程包括扩散及渗流传质，松散煤体内CO的质量平衡方程为[12]

(2)

式中：CCO为CO体积分数，%；Dx,Dy,Dz分别为x,y,z方向上的CO在煤体中的扩散系数；VCO(T)为煤在O2体积分数为CO2时的CO产生速率，煤体CO产生速率与耗氧速率成正比，且耗氧速率与O2体积分数成正比。

2.3 温度场数学模型

采空区松散煤体能量守恒方程为

(3)

λeff=ελg+(1-ε)λc

(4)

式中λg，λc分别为空气和实体煤的导热系数,W/(m·K)。

2.4 几何模型建立及网格划分

设采空区走向长度为300 m，倾向长度为200 m，采空区自下而上分别设置为遗煤区、垮落区、断裂区3个区，建立采空区地表裂隙几何模型，如图2所示。模型基本参数见表1。

图2 采空区地表裂隙几何模型Fig.2 Geometric model of surface fracture in goaf

表1 模型尺寸及参数Table 1 Dimensions and parameters of model m

几何模型中，采空区上方间隔60 m分别设置4个宽度为20 cm的地表裂隙，进风巷、回风巷及工作面组成的区域网格尺寸设置为0.5 m，采空区网格尺寸设置为1 m，4个地表裂隙网格尺寸设置为0.2 m，进风巷设置为速度入口(velocity-inlet)边界，速度设置为2 m/s，回风巷设置为自由出口(outflow)边界，地表裂隙设置为速度入口(velocity-inlet)边界，速度设置为0.2 m/s，工作面和导气裂隙与采空区接触面设置为内部面(Internal)，工作面的断面面积基本恒定不变，它属于暴露面。风流在边界层外的流动状态属于紊流状态。其余边界均定义为壁面(Wall)，壁面处风流渗透的体积流量为0。采空区设置为空气流体多孔介质区域，其中孔隙率、黏性阻力系数、惯性阻力系数以及耗氧速率采用UDF编程的方式编译至解算程序进行解算[10]。模型解算设置中，开启能量方程、组分运输模型，组分设置为O2，N2及CO的混合物。

2.5 模型验证

2.5.1 ZD5煤矿火灾多参数监测装置

采用ZD5煤矿火灾多参数监测装置对上述所建立的模型进行验证。ZD5煤矿火灾多参数监测装置集光纤测温及束管监测系统优势于一体，不仅可实现温度的分布式测量，还可实现井下CO，CO2，CH4，O2的24 h实时在线监测，采用负压抽气泵在井下将气体直接传到监测装置进行分析，每个管路测点的抽气时间不超过15 min。

2.5.2 测点布置

试验工作面采用一次性采全高开采方式，受开采工艺限制，在工作面进、回风巷等处不可避免会遗留大量浮煤，属于重点监控区域，因此，在采空区进、回风巷各布置1条测温光缆，在进风侧通过联络巷布置束管气体测点。分别对光缆和束管气体测点进行有效防护,以防止测点被砸断或堵塞。温度及气体测点布置如图3所示。

图3 温度及气体测点布置Fig.3 Arrangement of temperature and gas measuring points

2.5.3 监测结果分析

以回风侧布置的测温光缆为例。图4为光缆某一时刻不同位置的温度实时曲线。从图4可看出：随着与工作面距离的增大，温度呈现先上升后下降的趋势，在约180 m处温度达到最大值，约为26.3 ℃，随后温度逐渐降低，这与采空区内自燃规律一致，可以推断在采空区内部由于蓄热环境良好且有足够的O2，容易发生煤的氧化反应，从而产生更多的热量，数值模拟结果与现场实测值基本吻合。经过计算得到数值模拟值与现场实测值的相关系数为0.989 572 737，证明以该温度场为模型的数值模拟结果可信。

图4 回风巷温度监测曲线Fig.4 Temperature monitoring curves of return air roadway

根据现场实时观测数据拟合出采空区O2体积分数分布情况，如图5所示。从图5可看出，随着气体测点深入到采空区深处，O2体积分数呈现明显下降趋势，在距离工作面240 m处O2体积分数降到7%左右且保持不变。对比模拟数据可以看到，二者曲线趋势基本吻合。经过计算得到数值模拟值与现场实测值的相关系数为0.965 966 444，证明以该O2控制方程为模型的数值模拟结果可信。

图5 采空区O2分布曲线Fig.5 Oxygen distribution curves in goaf

3 数值模拟分析

3.1 采空区自燃“三带”分布规律

采空区煤自燃“三带”分布如图6所示。氧气体积分数为8%～18%为氧气升温带，小于8%为窒息带，大于18%为散热带。从图6(a)可看出，采空区内工作面一侧由于通风充分被划分为散热带，同时受地表漏风影响，地面的新鲜空气通过地表裂隙形成漏风通道进入到采空区顶部，热量很容易散失，并且由于顶部以散落岩层为主，遗煤很少，不容易形成自燃。从图6(d)也可看出，z=20 m平面上散热带范围达到280 m，氧化升温带及窒息带宽度均为10 m；自上而下，如图6(c)所示，z=10 m平面上，“三带”分布同样呈规整的条状分布，氧化升温带范围为70～220 m，尽管宽度较宽，但是同样由于该水平区域内遗煤较少，所以，发生煤自燃的可能性不大；如图6(b)所示，在z=2 m平面上，“三带”分布受采空区进风漏风影响较大，进风侧散热带宽度约为0～110 m，沿倾向(y+)散热带逐渐减小，到回风隅角处，散热带宽度接近于0，氧化升温带呈现狭长带状分布，宽度约为10 m，可以看出采空区内煤自燃危险性不大。

(a) 采空区立体“三带”分布

3.2 采空区压力场分布规律

采空区压力场分布如图7所示。由图7(a)可看出，工作面回风侧压力最小，为-15 Pa，在负压通风作用下，工作面进风巷的风流主要通过工作面进入到回风巷，部分风流通过进风隅角流入采空区。由图7(b)可看出，采空区底部压力较小，沿z+方向越往上压力越大，沿y+方向，压力随着深入采空区的距离增大而增大。从图7(c)可看出，沿倾向压力变化不大。从图7(d)可看出，回风隅角处采空区压力最小为-10 Pa，回风口压力最低，进风口压力最大，沿x+及y+方向压力均逐渐增大。由图7(e)可看出，在z=10 m平面，依然是回风隅角方向压力最小，有所不同的是，沿y+方向压力梯度要大于z=2 m平面。从图7(f)可看出，在z=20 m平面，采空区内压力受回风负压作用影响相对较小，沿x方向压力基本无变化，沿y+方向，压力随着采空区深度的增加而增大。

3.3 采空区O2浓度场分布规律

采空区O2体积分数分布如图8所示，由图8(a)可看出，采空区内O2主要汇集在2个部分：工作面上部的断裂带漏风和采空区进风隅角的漏风，其中在工作面区域两者的漏风叠加在一起，导致工作面顶部O2体积分数高，特别是距离工作面0～50 m内采空区几乎被O2充满，该区域自然发火危险性较大；从采空区中部50 m处向深部延伸，底部O2体积分数逐渐减小，顶部O2层厚度逐渐减小，至采空区深部约280 m位置时O2体积分数逐步下降到5%以内，没有自燃危险；竖直方向，在z=2 m平面上(图8(b)、(c)、(d))进风侧O2体积分数较大，延伸至进风侧约100 m位置，渗流到采空区的高体积分数O2受回风隅角负压作用逐步注入回风侧，高体积分数O2宽度逐渐收窄，到达回风隅角时，O2随着漏风通道流向回风巷；采空区深部，随着与工作面距离的增大，O2体积分数逐渐减小;从图8(e)可看出，在z=10 m平面，O2体积分数受井下工作面漏风影响很小，主要受地表漏风影响，O2体积分数呈现明显的条带状分布，即沿y轴方向O2体积分数基本保持一致，而沿x轴方向，从工作面区域向采空区深部O2体积分数逐渐降低，分析是由于受采空区气压影响，O2从采空区顶部地表漏风进入采空区后，逐步向工作面方向运移导致；从图8(f)可看出，在z=20 m平面，采空区顶部几乎充满O2，至工作面深部270 m后O2体积分数才逐步降低。

(a) 采空区压力场三维分布规律

(a) 采空区O2三维分布

3.4 采空区CO浓度场分布规律

采空区CO浓度分布如图9所示。从图9(a)、(b)可看出，采空区内CO与O2分布呈现基本相反的规律，CO主要聚集在采空区底部、中部，采空区进风侧由于漏风通道的存在及工作面两端口压力的影响，将大量的CO带离出采空区，采空区顶部同样由于地表裂隙漏风通道的存在将采空区上部CO稀释。从图9(c)可看出，随着与工作面距离的增大，CO聚集的梯度逐渐减少，结合O2体积分数分布规律可以知道，其原因是采空区内部O2体积分数减小使CO体积分数减小。从图9(d)可看出，沿工作面方向在同一水平面上，CO最高体积分数达到了1.1×10-4，在工作面漏风通道及工作面两端头压差的作用下，CO明显向回风侧聚集，进风侧聚集浓度较小，当CO体积分数增大到一定程度后，向回风隅角涌出。从图9(e)可看出，在z=10 m平面，CO聚集于采空区中部，形成“O”形圈，即采空区中部CO体积分数最高，周边CO体积分数逐步减小。从图9(f)可看出，在z=20 m平面，CO体积分数受地表裂隙影响较大，裂隙与采空区连接处CO体积分数最高，随着向采空区的深入，CO体积分数逐渐增大，在采空区深部的裂隙处CO体积分数最高达到3.2×10-5。

(a) 采空区CO三维分布

3.5 采空区温度场分布规律

采空区内温度分布规律与CO分布规律类似，采空区温度场分布如图10所示。从图10(a)、(b)可看出，采空区温度受漏风影响最大，测温区域主要集中于采空区中下部。从图10(c)可看出，沿工作面方向在同一水平面上，采空区最高温度达到385 K(112 ℃)，在工作面漏风通道作用下，该区域处于散热带，产生的热量被大量带出采空区，向回风隅角处温度逐渐降低；从图10(d)可看出，随着与工作面距离的增大，温度梯度逐渐减少，结合O2体积分数分布规律及“三带”分布情况可以知道，其原因是采空区内部O2体积分数减小,进入窒息带，缺少煤自燃的必要条件。在z=10 m平面(图(10(e))温度在采空区中部聚集形成“O”形圈，最高温度达到355 K(82℃)。在z=20 m平面(图(10(f))温度受地表裂隙影响较大，裂隙与采空区连接处温度最高，随着向采空区的深入，温度逐渐增大，在采空区深部的裂隙处CO最高温度达到332 K(59 ℃)。

(a) 采空区温度场三维分布

4 结论

以西北浅埋厚煤层工作面为背景，采用数值模拟和现场实测相结合的研究方法，研究了地表裂隙对采空区“三带”、压力场、O2浓度场、CO浓度场、温度场等火灾关键参数动态发展变化规律。

(1) 建立O2浓度控制方程、CO浓度控制方程、温度场控制方程，并通过UDF编程的方式导入到数值计算软件中，采用ZD5煤矿火灾多参数监测装置现场实测数据对数值模型进行验证，验证结果可靠，模型可应用于采空区地表漏风数值计算及西部浅埋厚煤层地质条件的矿井火灾分析。

(2) 采空区内压力分布规律为回风隅角处压力最小,达到-10 Pa，回风口压力最低，进风口压力最大，沿倾向、沿竖直方向及走向压力均逐渐增大；采空区内“三带”分布规律和O2浓度场分布受地表漏风影响明显，采空区顶部O2容易聚集，改变了采空区内气体流场分布规律，采空区内高体积分数O2(体积分数18%～23%)聚集范围为沿采空区走向0～270 m、沿采空区竖直方向3～20 m，特别是在沿采空区走向0～80 m、沿采空区竖直方向3～8 m空间O2充足、有一定遗煤且热量不容易散失，该区域自然发火危险程度较高。

(3) 采空区内温度和CO分布规律类似，在采空区底部受顶部漏风影响很小，主要受工作面进风隅角影响，热量积聚和CO聚集规律与不漏风时基本一致，而从采空区中部开始，温度和CO主要受顶部漏风影响，在中部区域温度和CO均呈现“O”形圈分布，采空区顶部，温度和CO在每个断裂带与采空区交接处达到极大值，并向两侧递减，在最深部的断裂带与采空区交接处出现最大值。