姜青峰

（安徽理工大学安全科学与工程学院）

我国煤田地质类型多样，复杂的地质和生产条件导致煤矿火灾问题频繁，火灾已成为矿井主要灾害之一，据统计，全国约有56%的矿井存在自然发火危险［1-2］。煤自燃灾害绝大部分发生在采空区或者破碎煤层，灾害发生时难以及时预测［3］。目前对采空区自然发火的研究较多，但是所用的方法大部分只是在进、回风巷布置温度测点［4］或者预埋束管监测空气成分［5-6］，测试结果仅体现靠近两巷的采空区情况，无法精确地定位高温点，且无法实时监测采空区温度变化，容易形成盲区；部分学者采取数值分析的方式建立采空区模型来研究自燃“三带”［7］，但是通过数值模拟的计算结果很难准确反映实际情况。

针对祁南矿6144 工作面现场实际条件，本研究通过在工作面两巷布置测温光纤代替热电偶来进行测温，并通过束管监测采空区气体成分及变化趋势；同时采用数值模拟方法对6144工作面采空区氧气浓度分布进行计算，与实测结果相互对照，共同为工作面回采期间的防灭火工作提供指导。

1 工作面概况

祁南煤矿6144 工作面位于84 采区61 煤层右翼第二个区段，其上部62煤层基本开采完毕，且遗煤量较多，62 煤与61 煤层间距为7.43～9.97 m，平均为8.18 m，6144 工作面可采长度为656 m，倾向长度为220 m，平均煤厚为1.7 m，由暗煤和亮煤组成，地层倾角为10°～25°，平均为14°；自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，最短自然发火期为60 d；岩性以泥岩为主，局部为粉砂岩。

2 自燃“三带”现场测试

2.1 测温光纤及束管现场布置

各测点设置位置如图1所示，回风巷1#～4#抽采测点之间相距12 m，回风巷光纤与束管敷设在一起，1#测点设置在风巷与工作面的交界处；进风巷1#～4#抽采测点之间相距8 m，进风巷光纤与束管敷设在一起，1#测点设置在机巷与工作面的交界处；工作面1#、3#抽采管测点沿工作面倾向方向布置于120 及80 架处；工作面2#、4#热电偶测点沿工作面倾向方向布置在第100及第60架处。

2.2 监测结果分析

根据每天采集的气样分析结果来看，所有气样中均未检测出C2H4、C2H2、C3H8成分，仅采空区内和风巷风流中检测出极少量的CO 成分，该结果表明采空区内遗煤氧化现象不明显，同时也说明61 煤层采空区未与上覆煤层形成大量漏风通道。因此，本研究主要分析采空区各测点氧气（O2）浓度和温度变化规律，为便于分析，选择回风巷2#和进风巷1#测点气体成分作为统计对象，其余数据在此不做统计。根据每天测得的数据绘制温度和氧气浓度变化曲线如图2、图3所示。

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从温度曲线可以看出，温度由工作面至采空区深处呈现出先小幅度下降后逐渐升高、然后再降低，温度趋于稳定，这表明采空区内遗煤氧化现象不明显。从氧气浓度变化曲线可以看出，所有测点氧气浓度全部都随着采空区的深入呈现逐渐降低的趋势，而且降低速度缓慢，经现场分析可知，导致这种现象的原因是该工作面煤层较薄，采空区垮落后顶板破碎程度低，孔隙率较大，导致漏风严重，在距工作面30 m 处仍检测出氧气浓度为18%左右，需加强对采空区的堵漏措施。根据以上数据划分出6144工作面采空区自燃“三带”范围如表1所示，表中数据表示距工作面距离。

2.3 工作面最低推进速度计算

由以上分析可知，6144 工作面采空区散热带的最大宽度为19 m，自燃带最大宽度为99 m，自然发火期为60 d，则预防采空区自燃的工作面最低推进速度可按下式计算：

式中，Vi为工作面推进度，m/d；Lz为自燃带最大宽度，99 m；Lb为散热带最大宽度，19 m；T为最短发火期，60 d。

经计算得到预防采空区自燃的工作面最低推进速度为1.97 m/d。

3 采空区自燃“三带”数值模拟

3.1 几何模型

采空区通常被视为由破碎煤体和岩石组成的多孔介质区域，在对其进行数值模拟时可使用多孔介质渗流模型。6144 综采面采空区的物理模型采用三维稳定渗流模型［8］。模型尺寸设置：采空区走向长150 m，宽220 m，高8.5 m；工作面长度设为4 m，宽220 m，高度为3.2 m，其机巷和风巷均为矩形巷道，长度取10 m，断面均为4.8 m×3.2 m；工作面进风量约为1 350 m3/min，采用U型通风方式。建立模型如图4所示。计算模型采用六面体网格，其中对巷道和工作面网格进行密化处理，采空区网格尺寸为2 m，巷道和工作面尺寸为1 m。

3.2 边界条件及流体数学模型

根据祁南煤矿6144 工作面现场条件，在数值模拟过程中将进风巷设置为速度入口，进入工作面的气体设为标准空气，入口的平均风速为1.465 m/s，风流垂直于进风巷入口进入，回风巷的出口设置为自由出流，所有壁面为无滑移边界条件，壁面设为标准绝热壁面。

采空区通常被视为由破碎煤体和岩石组成的多孔介质区域，在对其进行数值模拟时可使用多孔介质渗流模型。假设采空区气体为不可压缩气体，由于采空区内部漏风风流相对较小，近似认为采空区的气流为层流分布，流体在多孔介质中的运动遵循达西定律［9］，满足质量守恒和动量方程。

质量守恒方程为

动量（Navier-Stokes）方程为

式中，u，v，w分别为速度矢量在x，y，z方向的分量，m/s；ρ为采空区气流密度，kg/m3；μ为流体的动力黏度，Pa·s；n为多孔介质孔隙率；K为多孔介质的渗透率。

3.3 数值模拟结果与分析

选取距底板高度为1.5 m、平行于底板的截面分析氧气浓度分布情况，如图5所示。工作面附近氧气浓度为20%左右，随着向采空区深入距离增大，氧气浓度逐渐下降，并且不同位置下降速度不同，进风巷一侧采空区自燃带范围是70～115 m，回风巷一侧采空区自燃带为14～20 m。经分析，模拟结果与实际测试之间的差异主要是由于采用全部垮落式处理采空区，顶板垮落高度较小，顶板破碎程度低，靠近工作面的采空区孔隙率较大，形成复杂的漏风通道，导致实际测得燃烧带宽度大于模拟结果。从整体而言，模拟采空区自燃带范围为14～115 m，该模拟结果与现场实际测试结果基本一致，表明按照工作面现场参数构建采空区模型具有一定的参考意义，并且数值模拟可以获得现场难以测量的数据，可以作为采空区自燃发火防治的辅助手段。

4 结 论

（1）通过对6144 回采工作面采空区温度与氧气浓度测定，得出采空区自燃“三带”范围为靠近风巷一侧散热带小于13 m，自燃带13～92 m，大于92 m 为窒息带；靠近机巷一侧散热带小于22 m，22～118 m 为自燃带，大于118 m 为窒息带。根据划分的自燃“三带”范围，计算出预防采空区自燃的工作面最低推进速度为1.97 m/d。

（2）通过对6144 回采工作面采空区氧气浓度数值模拟，得到的模拟结果与实测结果存在差异，二者之间的差异是采空区顶板破碎程度低与孔隙率分布不均匀导致，但整体来看，模拟所得自燃带范围为14～115 m，与实际情况相符，表明对采空区进行数值模拟得到的结果具有一定的科学性，可以作为采空区自然发火防治辅助手段。

（3）由现场实际测试及模拟得到的数据表明，由于祁南煤矿61 煤6144 工作面煤层较薄，煤炭利用率较高，遗煤量较少，且遗煤分布不均匀，采空区垮落后顶板破碎程度低，虽然与上覆煤层采空区距离较近，但是并未形成贯通；由工作面向采空区内漏风严重，需采取堵漏措施预防煤自燃。