易自燃煤层采空区瓦斯与氧气耦合致灾效应分析_马金魁.pdf

第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 易自燃煤层采空区瓦斯与氧气耦合 致灾效应分析 马金魁 1， 2， 苏学友3， 赵亮宏3 （1.煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122； 2.煤矿安全技术国家重点实验室， 辽宁 抚顺 113122； 3.甘肃靖远煤电股份有限公司 大水头煤矿， 甘肃 白银 730913） 摘要 针对 “U” 型通风易自然煤层开采条件下， 采空区漏风使氧气与瓦斯混合具有爆炸危险性 的问题， 通过在采空区埋入甲烷及温度传感器进行观测， 利用 Fluent 方法对采空区瓦斯分布规 律进行模拟计算， 分析瓦斯在自然发火危险区域中燃烧的可能性， 对采空区内瓦斯与氧气相互 达到爆炸危险的耦合区域进行危险判定分析， 为现场瓦斯治理提供依据。 关键词 易燃煤层； 采空区； 瓦斯耦合； 爆炸危险； 自然发火区 中图分类号 TD752.2文献标志码 B文章编号 1003-496X （2020 ） 08-0216-04 Analysis on Disaster Effect of Gas and Oxygen Coupling in the Goaf of Spontaneous Combustion Coal Seam MA Jinkui1， 2, SU Xueyou3, ZHAO Lianghong3 （1.China Coal Technology and Engineering Group Shenyang Research Institute, Fushun 113122, China;2.State Key Laboratory of Coal Mine Safety Technology, Fushun 113122, China;3.Dashuitou Coal Mine, Gansu Jingyuan Coal Industry and Electricity Power Co., Ltd., Baiyin 730913, China） Abstract Under the mining condition of U-type ventilation and spontaneous combustion coal seam, the air leakage in goaf may create an environment with explosion hazard due to the mixing of oxygen and gas. Through the observation by embedding methane and temperature sensor in the goaf, the Fluent is used to per analog computation on gas distribution regularities of goaf, and the possibility of gas combustion in the dangerous area of spontaneous ignition is analyzed. Meanwhile, the hazard judgment and analysis is conducted on the explosion coupling area resulting from the interaction of gas and oxygen in the goaf, which provides the basis for field gas control. Key words combustible coal seam; goaf; gas coupling; explosion hazard; spontaneous ignition area 对于厚煤层赋存条件来讲，综采放顶煤技术是 最高效产出方式，应用十分广泛。但放顶煤开采造 成的顶板垮落高度要大于常规开采方式，采动影响 更为明显，同时，顶煤释放的不规则性也会增加采 空区遗煤量，在易自燃煤层条件下，容易引发采空 区自然发火灾害[1-2]。来源于邻近卸压煤层和采空区 遗煤的瓦斯，受工作面漏风流影响在采空区内部展 现为有规律的分布方式[3-5]， 并与氧气浓度决定的采 空区自燃 “三带” 构成了采空区 2 大灾害隐患。采空 区自然发火危险区域的氧气和瓦斯耦合作用后， 是 否存在瓦斯燃烧或爆炸危险，成为两者耦合危险性 识别的重要信息[6-10]， 因此， 开展易自燃煤层采空区 瓦斯防燃防爆具有重要安全意义。 1工作面概况 大水头矿为突出矿井，东 106 综放工作面位于 1180 水平， 处于东一采区西翼， 工作面煤厚为 8～14 m， 煤层倾角范围为 4～12， 受 F40断层刀楞山断层 DOI10.13347/ki.mkaq.2020.08.046 马金魁， 苏学友， 赵亮宏.易自燃煤层采空区瓦斯与氧气耦合致灾效应分析 ［J］ .煤矿安全， 2020， 51 （8） 216-129. MA Jinkui, SU Xueyou, ZHAO Lianghong. Analysis on Disaster Effect of Gas and Oxygen Coupling in the Goaf of Spontaneous Combustion Coal Seam［J］ . Safety in Coal Mines, 2020, 51 （8） 216-219.移动扫码阅读 216 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 应力的强烈牵引拉伸作用，工作面煤层及顶板受到 整体牵引，煤岩强度较为松软破碎，受构造应力作 用，煤层顶底板起伏较大，在褶曲轴部受剪应力作 用，小断裂构造发育，煤体松软破碎，地质构造发 育， 为瓦斯储存提供了大的空间， 属高瓦斯区域。该 工作面采用 “U” 型通风方式， 工作面供风量为 1 080 m3/min。煤层的自然发火期达 3～6 个月，最短只有 21 d， 煤尘的爆炸指数达 36。 2采空区气体分布特征 2.1采空区漏风及氧气浓度分布特征 随着工作面推进， 采空区自燃 “三带” 的温度、 O2、 CO 标志气体也不断变化，采空区气体统计曲线 图如图 1。 从工作面逐渐深入采空区深部， 温度处于 缓慢递增趋势， 当距工作面 55 m 时， 温度指标出现 第 1 个峰值， 随后继续保持高温向采空区深部延伸， 体现出采空区温度的分布状态。采空区氧气主要随 着工作面漏风流入采空区， 从图 1 可以看出， 采空区 距工作面 30 m 处，氧气浓度呈现十分明显的下降 趋势，之后下降转化成台阶状方式，瓦斯浓度开始 增大， 直到采空区内部， 呈现震荡变化。CO 气体浓 度从 20 m 开始变化，到采空区 33 m 以后的深部， 气体浓度值有显著往大变化。 采空区氧气浓度分布立体云图如图 2。从图 2 可以看出，采空区氧气浓度由高向低变化的 1 个轮 廓，沿采空区方向氧气浓度逐渐降低，同一水平尺 度进风侧的氧气浓度要高于回风侧的氧气浓度， 且 流动路线上的氧气浓度也在逐步减少。 2.2不同供风量对采空区自燃危险区域的影响 采空区氧气浓度是判定区域危险系数的重要指 标，其指标大小决定了采空区遗煤的氧化程度及自 燃效应，供氧量充足，工作面后方的自燃带遗煤氧 化放热能量就大，极易引燃煤体。采空区供氧主要 来源于工作面的漏风量， 因此， 数值模型设定入口风 速为变量，通过调整工作面风速得到工作面不同配 风量对采空区煤自燃的影响，以大水头煤矿东 106 工作面为模型， 设计入口风速为 1.0～1.5 m/s， 利用 Fluent 软件模拟计算了采空区瓦斯分布特征，分别 提取风速 1.0 m/s 和 1.5 m/s 产生的风量进行分析。 1） 当风量为 790 m3/min 时， 风速 v1为 1.1 m/s。 沿采空区方向和水平方向，采空区氧气浓度分布规 律与上述模拟的规律一致，只因供风量较小导致氧 气梯度分布范围前移。由于风压较小，工作面附近 形成的散热带的空隙率较低，导致氧气扩散形成较 为规则的线性方式；自燃带范围氧气同样呈现为进 风侧分布区域要宽于回风侧区域；工作面下隅角至 上隅角， 氧气变化梯度边界呈现线性趋势； 从采空区 氧气整体分布情况看，靠近工作面支架一侧的分布 规律表明采空区漏风携带的氧气范围较小。在采空 区深度约 50 m 处进风侧氧浓度已经达到了下限氧 浓度值。 2） 风量为 1 080 m3/min 时， 风速 v2为 1.5 m/s。 风量增大以后，采空区内外风压差值加大，促进氧 气范围扩大，边界处氧气浓度变化梯度的线性特征 也逐渐减弱，呈现出弧形特性，整个采空区氧气浓 度的梯度变化边界范围增大许多。采空区深部延伸 25 m 出现了氧气浓度的下限值。 2.3采空区 O2与 CH4耦合及其分布特征 放顶煤的开采规律导致采空区自燃发火区存在 丰富的氧气和瓦斯，且两者浓度均处于瓦斯爆炸条 件范围内，如果氧化蓄热过程使区域温度达到瓦斯 的燃烧点， 瓦斯燃烧现象极有可能发生， 甚至产生瓦 斯爆炸事故。 东 106 工作面采空区存在高浓度瓦斯， 图 1采空区气体统计曲线图 Fig.1Gas statistical curves of goaf 图 2采空区氧气浓度分布立体云图 Fig.2Stereo cloud map of oxygen concentration distribution in goaf 217 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 在漏风源供风条件下，该煤层易自燃特点会加速局 部热量积聚，引诱瓦斯爆炸事故。采空区气体渗流 轨迹主要受工作面内外压差影响，下隅角是漏风源 头，氧气浓度最高，随后沿着工作面支架向回风巷 上隅角流动， 形成气流回路， 表现 1 个氧气浓度由高 到低的变化轮廓。其特征体现在①沿工作面倾向 方向，采空区进风侧的氧气浓度要大于回风侧氧气 浓度， 且氧浓度呈梯度减小， 符合流体的渗流规律； ②沿着工作面开采相反方向，越深入采空区内部， 氧气浓度越低。 计算结果表明， 在距离工作面 120 m 附近时， 进风侧氧气浓度基本降到 4。 3工作面不同供风量情况下耦合效果 在采空区不同漏风量条件下 O2、 CH4形成耦合 结果进行对比。 采空区瓦斯分布图如图 3， 采空区氧 气瓦斯耦合合成图如图 4。在工作面极大风量时瓦 斯浓度大于 4和氧气浓度大于 12的区域，在采 空区的进、 回风侧之间。以进风侧位置来判断， 其距 离工作面约 38 m 左右。采空区都出现了高浓度的 瓦斯与氧气重叠的地方，由采空区进风侧到上隅 角， 范围在逐渐缩小， 风量增大时， 采空区内瓦斯与 氧气发生耦合的范围大且往深部移动；在工作面极 小风量时瓦斯浓度大于 4和氧气浓度大于 12的 区域， 在采空区的进、 回风侧之间， 其中进风侧有较 多重叠区、回风侧的上隅角附近有极少量重叠， 以 进风侧位置来判断， 其距离工作面约 30 m 左右。 4采空区氧气与瓦斯耦合爆炸基本条件 经分析表明，采空区内瓦斯浓度以及氧气浓度 分布呈现一定特征规律，在工作面漏风作用下， 耦 合区域范围则依据瓦斯、氧气浓度大小的不同而不 同，为了能够判断其爆炸危险性，采用科瓦德爆炸 三角形模型进行分析。科瓦德爆炸三角形是以可燃 性气体 （甲烷） 浓度为横坐标， 以空气中氧气浓度为 纵坐标，根据试验数据绘制出来的 1 个表示爆炸性 气体混合物的特征图， 科瓦德爆炸三角形如图 5。 氧 浓度降低时， 爆炸下限变化不大 （BE 线） 爆炸上限则 明显降低 （CE 线） ， 其中， 氧浓度低于 12时， 混合 气体就失去爆炸性。 5采空区瓦斯氧气耦合区爆炸危险性判定 通过埋设传感器对采空区瓦斯氧气耦合区瓦斯 爆炸危险性判断分析，采空区距离上隅角 42 m 范 围内， 氧气浓度大于 12， 但这个范围内瓦斯浓度 低于 5， 理论上不存在爆炸危险性； 若从按照 4 的安全， 则 34～42 m 的范围， 出现氧气瓦斯耦合区 域， 具备了瓦斯爆炸基本条件。在温度方面， 现场观 测最高温度不超过 30 ℃，观测区域无瓦斯爆炸危 险； 在采空区距离上隅角 33 m 范围内， 氧气浓度大 于 12， 但这个范围内瓦斯浓度低于 4， 且温度为 25 ℃， 该区域无瓦斯爆炸危险； 在采空区距离上隅 角 15 m 范围内， 氧气浓度大于 12， 但这个范围内 图 3采空区瓦斯分布图 Fig.3Gas distribution map in goaf 图 4采空区氧气瓦斯耦合合成图 Fig.4Oxygen-gas coupled composition diagram of goaf 图 5科瓦德爆炸三角形 Fig.5Kowald explosive triangle 218 ChaoXing 第 51 卷第 8 期 2020 年 8 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.8 Aug. 2020 ［J］ .煤矿安全， 2012， 43（S1） 58-61. ［2］ 樊新杰， 曹代勇， 时孝磊， 等.内蒙古西部乌达矿区煤 层自燃的控制因素 ［J］ .地质通报， 2006， 25 （4） 487. ［3］ 齐俊德.宁夏煤田火灾的危害及综合治理研究 ［J］ .能 源环境保护， 2007 （2） 37-40. ［4］ Liang Yanci, Liang Handong, Zhu Shuquan.Mercury e－ mission from coal seam fire at Wuda, Inner Mongolia, China ［J］ . 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